MX2011001156A - Reactor de biopelicula de membrana de flujo radial. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de reactor de biopelícula de membrana (MBtR) para el tratamiento de agua que evita biocontaminación que comprende: un tubo de núcleo central que tiene una pared que define un lumen y una o más perforaciones en la pared que define una región perforada, el tubo de núcleo además tiene un primer extremo abierto y segundo extremo sustancialmente cerrado; una pluralidad de filamentos huecos, cada filamento tiene una pared que define un lumen interior, una superficie exterior, un primer extremo, un segundo extremo; y una caja que tiene una cavidad, una primera tapa extrema, una segunda tapa extrema, y por lo menos una lumbrera de descarga de contaminante; en donde el primer extremo abierto del tubo de núcleo se selecciona en la primera tapa extrema con la región perforada que se extiende hacia la cavidad central de la caja, y donde los primeros extremos de la pluralidad de filamentos huecos se abren y se sellan en la primera tapa extrema y los segundos extremos de la pluralidad de filamentos huecos se abren y se sellan en la segunda tapa extrema.

Description

REACTOR DE BIOPELÍCULA DE MEMBRANA DE FLUJO RADIAL CAMPO DE LA INVENCIÓN Los presentes dispositivos, sistemas, y métodos se relacionan con reactores de biopelícula de membrana mejorada ( BfR) para tratamiento de aguas .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El rector de biopelícula de membrana (MBfR) lo descubrió Rittmann (Adham et al., AWWA Research Foundation Report P. 156 (2005); Patente Estadounidense 6,387,262) . En un dispositivo típico de MBfR, una matriz de membranas de fibra hueca proporciona una superficie de crecimiento para una biopelícula capaz de metabolizar contaminantes presentes en una corriente de agua residuales. El gas se introduce en el lumen de las membranas de fibra hueca, donde se difunde a través de las paredes de la membrana para contactar una biomasa que crece en las superficies externas de las membranas de fibra hueca. El gas puede servir como donador de electrones para reducir los contaminantes oxidados . La eficiencia de utilización de gas puede ser casi del 100%, reduciendo la liberación de exceso de gas en la atmósfera, lo cual es deseable puesto que el gas hidrógeno inflamable (H2) con frecuencia se utiliza como donador de electrones. La utilización de gas eficiente también reduce los costos operativos .

Aunque los dispositivos convencionales de MBfR funcionan bien en un laboratorio o ambiente de prueba controlado, el uso de dispositivos de MBfR en el campo es más problemático. La alta densidad de empacado mejora la eficiencia de MBfR, determina cuántos contaminantes pueden removerse del agua residual en una cantidad determinada de tiempo en un dispositivo de MBfR de tamaño determinado. Sin embargo, la alta densidad de empacado conlleva a biocontaminación, la cual incrementa los costos operativos al reducir la eficiencia de la operación de MBfR y requiere mantenimiento en el MBfR (por ejemplo, lavado, desensambla e, limpieza, etc . ) .

Existe .la necesidad de dispositivos de MBfR y sistemas que maximicen la densidad de empacado mientras reducen la contaminación.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Los siguientes aspectos y modalidades de los mismos descritos e ilustrados en lo siguiente son para ser ejemplares e ilustrativos, no limitantes en su alcance.

En un aspecto, se proporciona un dispositivo de reactor de biopelícula de membrana (MBfR) . El dispositivo comprende un tubo de núcleo central que tiene una pared que define lumen y una o más perforaciones en la pared que definen en una región perforada, el tubo de núcleo además tiene un primer extremo abierto y un segundo extremo sustancialmente cerrado; una pluralidad de filamentos huecos, cada filamento tiene una pared que define un lumen interior, una superficie exterior, un primer extremo, y un segundo extremo; y una caja que tiene una cavidad, una primera tapa extrema, una segunda tapa extrema, y por lo menos una lumbrera de descarga de contaminante. El primer extremo abierto de tubo de núcleo se sella en la primera tapa extrema con la región perforada que se extiende hacia la cavidad central de la caja, y donde los primeros extremos de la pluralidad de filamentos huecos se abren y se sellan en la primera tapa extrema y los segundos extremos de la pluralidad de filamentos huecos se abren y se sellan en la segunda tapa extrema . 1 En una modalidad, el tubo de núcleo comprende un accesorio que se puede adaptar para acoplar una fuente de líquido afluente en el lumen del tubo. En otra modalidad, una o ambas de la primera y segunda tapas extremas comprenden un accesorio, para acoplarse con una fuente de gas para introducir un gas en los lúmenes interiores de los filamentos en la pluralidad de filamentos huecos.

En otra modalidad, el dispositivo además incluye una lumbrera de drenaje en comunicación con los lúmenes de la pluralidad de filamentos huecos para drenar los líquidos inertes de los lúmenes de la pluralidad de filamentos huecos. En una modalidad, la lumbrera de drenaje se coloca en el dispositivo en el extremo opuesto desde donde el gas se introduce hacia los lúmenes de la pluralidad de filamentos.

En una modalidad, la primera tapa extrema y la segunda tapa extrema se sellan en la caja.

En otra modalidad, los filamentos huecos se combinan con una o más fibras de urdimbre, para formar una tela. En aún otra modalidad, la tela se envuelve en forma de espiral alrededor del tubo de núcleo, formando capas radiales de tela que se extienden radialmente hacia fuera del tubo de núcleo. En aún otra modalidad, las capas radiales de tela se separan por un material intercalado. En una modalidad adicional, la pluralidad de filamentos huecos se combinan con fibras de urdimbre y se separan por un material intercalado.

En un aún otra modalidad, el dispositivo se orienta verticalmente con la primera tapa extrema bajo la segunda tapa extrema, la primera tapa extrema se adapta para el ingreso de líquido afluente y la segunda tapa extrema se adapta para el ingreso del gas .

En otra modalidad, para los filamentos huecos se forman de poliéster, un triacetato de celulosa, un compuesto de polietileno y poliuretano. En modalidades preferidas, los filamentos huecos se componen de polipropileno, polivinilcloruro o tereftalato de polietileno.

En aún otra modalidad, el dispositivo además comprende por lo menos una lumbrera de entrada de gas de limpieza. En modalidades particulares, por lo menos una lumbrera de entrada de gas de limpieza se ubica en una región inferior de la caja. En modalidades particulares, por lo menos una lumbrera de entrada de gas de limpieza es una pluralidad de lumbreras de entrada de gas de limpieza ubicadas en una región inferior de la caja.

En otro aspecto, se proporciona un sistema que comprende una pluralidad de dispositivos descritos, donde los dispositivos se disponen en paralelo o serie.

En aún otro aspecto, se proporciona un dispositivo para reducir la contaminación de un dispositivo de MBfR por una biomasa. El método comprende proporcionar un dispositivo que tiene un tubo de núcleo central con una pared que define un lumen y una o más perforaciones en la pared, una pluralidad de filamentos huecos que rodean el tubo de núcleo, cada filamento tiene una pared que define un lumen interior y una superficie externa, y una caja que aloja el tubo de núcleo central y la pluralidad de filamentos huecos, introduce un líquido afluente en el tubo de núcleo central, introduce un gas en los lúmenes interiores de la pluralidad de filamentos huecos, el gas que soporta el crecimiento de una biomasa en las superficies externas de los filamentos huecos, permite que el líquido afluente fluya a través de una o más perforaciones para hacer contacto con la biomasa en las superficies externas de los filamentos, el flujo de líquido afluente define una trayectoria de flujo radial en el dispositivo, y recolecta el agua residual en una o más lumbreras de descarga de contaminante dispuestas en la caja, en donde la trayectoria de flujo radial del líquido afluente reduce la contaminación del dispositivo por la biomasa.

En una modalidad, una primera porción de las aguas residuales se hace recircular a través del dispositivo. En otra modalidad, 40-50% de las aguas residuales se hacen circular a través del dispositivo. Una segunda porción; de las aguas residuales puede descargarse como aguas residuales tratadas o utilizarse como afluente en una fase de tratamiento adicional.

En aún otra modalidad, el líquido residual se introduce en el tubo de núcleo central en un primer extremo del dispositivo y se introduce un gas en los filamentos huecos en un segundo extremo del dispositivo.

En otras modalidades, se incluye un ciclo de limpieza periódica, en donde un gas de limpieza se introduce en el tubo de núcleo central hueco. En algunas modalidades, un gas de limpieza se introduce en una región inferior de la caja .

En algunas modalidades, se realiza un ciclo de lavado periódico, donde el líquido se introduce por lo menos en una lumbrera de aguas residuales . En modalidades particulares, se introduce un gas de limpieza en una región inferior de la caja durante el ciclo de lavado periódico.

Además de los aspectos y modalidades ejemplares descritos en lo anterior, aspectos y modalidades adicionales serán aparentes para referencia a las figuras y por estudio de las siguientes descripciones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1A, la Figura IB, la Figura 1C, la Figura ID y la Figura 1E ilustran características de dispositivo de MBfR de la técnica anterior.

La Figura 2A y la Figura 2B ilustran características de dispositivo de MBfR de flujo ', radial ejemplar.

La Figura 3A, la Figura 3B, la Figura 3C y la Figura 3D muestran aspectos de vistas de filamentos huecos, fibras de urdimbre y materiales intercalados .

La Figura 4 muestra un diagrama esquemático de un sistema para probar el MBfR de flujo radial ejemplar.

La Figura 5A y la Figura 5B son Tablas que muestran rasgos y características de rendimiento de dispositivos de MBfR de flujo radial ejemplares.

La Figura 6A, la Figura 6B, la Figura 6C y la Figura 6D son Tablas que muestran el rendimiento de los dispositivos de MBfR de flujo radial ejemplares.

La Figura 7 muestra un flujo de nitrato teórico para una biopelícula de estado no estable como una función de la concentración de nitrato.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN I . Introducción Varios dispositivo de MBfR se hicieron y probaron para asegurar y maximizar la densidad de empacado de filamentos y minimizar la contaminación de biopelícula. Como se describirá en lo siguiente, se encontró que dispositivos con un diseño de flujo de fluido radial, en el cual el líquido afluente entre al centro del dispositivo para fluir en una dirección hacia fuera radial para contactar una pluralidad de filamentos huecos, que soportan el crecimiento de la biomasa, proporcionen contaminación mínima de biopelícula de los filamentos, y una densidad de empacado deseable de los filamentos. Los aspectos y características del diseño de MBfR de flujo radial se describe ahora.

II . Definiciones Antes de describir las características del presente dispositivo y métodos, los siguientes términos se definen para claridad. Los términos y abreviaturas no definidos deben acordarse según su significado ordinario como se utiliza en la técnica.

Como se utiliza en la presente, los términos "biopelícula" y "biomasa" se refieren de manera colectiva a organismos que crecen en la superficie exterior de filamentos huecos en un MBfR. Tales organismos típicamente afectan la remoción de uno o más contaminantes presentes en el líquido afluente que entra al MBfR. Alguien con experiencia en la técnica apreciará que una biopelícula o biomasa se acumula en un MBfR durante la operación, y que el dispositivo MBfR presente soporte el crecimiento de, pero no incluye, una biopelícula/biomasa .

Como se utiliza en la presente, el término "biocontaminación" se refiere al proceso por el cual una biopelícula/biomasa obtura, bloquea o de otra manera restringe el flujo de líquido y/o gas en un MBfR.

Como se utiliza en la presente, los términos "inertes" y "materiales inertes" se refieren colectivamente a restos y otros materiales que se acumulan en el lumen de las fibras huecas. Tales restos y materiales incluyen pero no se limitan a materia en partículas presente en el gas introducido en el lumen de las fibras huecas, líquido y solutos que se difuminan en el lumen desde las superficies exteriores de las fibras huecas, organismos que crecen en el lumen de las fibras huecas, y polvo.

Como se utiliza en la presente, el término "intercalado" o "material intercalado" se refiere' a un material sustancialmente plano poroso utilizado para separar y mantener la separación de los filamentos huecos. Un material ejemplar es una malla abierta formada a partir de plástico reciclable.

Como se utiliza en la presente, el término "fibra de urdimbre" se refiere ampliamente a fibras inertes (es decir, fibras no requeridas para soportar una biomasa) que pueden combinarse con filamentos huecos para separar y mantener la separación de los filamentos huecos. Las fibras de urdimbre pueden separarse de manera uniforme a lo largo de la longitud de los filamentos huecos, y pueden encontrarse bajo suficiente tensión para limitar el movimiento de las fibras huecas, lo cual ayuda a mantener la separación.' : Fibras de urdimbre ejemplares se forman a partir del plástico reciclable .

II . Dispositivo de MBfR de Flujo Convencional El problema de la biocontaminación y dispositivos de MBfR se conoce bien y toma la forma de (i) alta contrapresión, (ii) rápida contaminación después del reciclaje, y/o (iii) contaminación progresiva, a pesar del reciclaje regular y las variaciones de los mismos. La biocontaminación se caracteriza por una caída de presión incrementada a través del dispositivo de MBfR, la cual generalmente se acompaña por un incremento de los niveles contaminantes residuales. La biocontaminación también puede discernirse al analizar las aguas residuales para el número y tipo de microbios presentes, por ejemplo, al contar las colonias, medir los niveles de enzimas, etc.

Los diseños de varios dispositivos de MBfR de flujo convencional se ilustran en las Figuras 1A, la Figura IB y la Figura 1C . Los dispositivos generalmente incluyen una caja o alojamiento 10, primera y segunda tapas 12a, 12b extremas y una pluralidad de filamentos 14 huecos sellados en las tapas extremas. Los lúmenes de los filamentos huecos se abren a un flujo de gas introducido en una las tapas extremas, tal como la tapa 12a extrema, como se indica por las flechas 13. El líquido afluente (típicamente agua contaminada) entra a la caja a través de una lumbrera 16 de afluencia/entrada y se descarga a través de una lumbrera 20 de aguas residuales/descarga . El dispositivo en la Figura IB incluye una lumbrera 19 de afluente adicional y una lumbrera 21 de descarga de contaminante adicional. En esta modalidad, los filamentos huecos se empacan flojamente en la caja, sin ninguna fibra de urdimbre.

Una vista más detallada de los filamentos huecos se muestra en la Figura ID y la Figura 1E. como se ve en la Figura ID, filamentos individuales en la pluralidad de filamentos, tal como el filamento 24, se encapsula en un extremo de filamento, de este modo definiendo un colector 26 para distribuir gas al lumen de los filamentos. Un filamento hueco de la técnica anterior ejemplar se muestra en la Figura 1E, donde un lumen 50 se forma por una capa 52 de poliuretano hidrofóbica no porosa de 1 um de espesor intercalada entre las paredes 54 de polietileno microporosas . La superficie 58 exterior del filamento soporta el crecimiento de una biopelícula 56 para interactuar con el agua 60 contaminada.

Con referencia ahora a la Figura 1C, el dispositivo mostrado representa un intento por mejorar el flujo a través de un módulo de MBfR. Un tubo 30 de núcleo central se separa en una porción 33 de distribución y una porción 35 de recolección por un deflector 44 central. El tubo de ;núcleo incluye perforaciones, tal como perforación 34,. para distribuir el agua afluente como sigue. El agua afluente entra desde una lumbrera 40 de afluente, fluye a través de las perforaciones en la porción 33 de distribución del tubo central, e inicialmente hace contacto con la pluralidad de filamentos 37 huecos en la región inferior del dispositivo 36. El agua residual de la pluralidad de filamentos huecos en la región superior del dispositivo 38 entra a la porción 35 de recolección del tubo de núcleo con perforaciones 34 para recolectar el agua para descarga desde la lumbrera 42 de descarga de contaminante.

El deflector 44 central evita que el agua afluente fluya desde la porción 30 del tubo de núcleo de distribución directamente hacia la porción 32 del tubo de núcleo de recolección, reduciendo de esta manera el contacto con los filamentos huecos. Un dispositivo similar puede construirse utilizando tubos de núcleo de distribución de recolección separados /discretos , cada uno terminando dentro de la caja, en lugar de un solo tubo que recorre a la caja con un deflector instalado para separar las porciones de distribución y recolección.

Los tres dispositivos de MBfR mostrados en la Figura 1A, la Figura IB, la Figura 1C, sufren de problemas de biocontaminación. Los índices de limpieza con aire y de flujo hidráulico elevado fueron efectivos para controlar la biocontaminación y mantener la distribución de flujo uniforme en los dispositivos de la Figura 1A y la Figura IB, pero inefectivos para controlar la biocontaminación en el dispositivo de la Figura 1C . El dispositivo de la Figura 1C produjo una alta caída de presión, atribuida a una combinación de contaminación y la compresión de los filamentos contra el tubo de núcleo de recolección, que restringió el flujo de agua a través de las perforaciones en el tubo de núcleo de recolección (Adham et al., supra, en 81) .

II. Dispositivo de MBfR de Flujo Radial A. Diseño Un diseño de MBfR de flujo radial mejorado ahora se describe con referencia a la Figura 2A, la Figura 2B, la Figura 3A, la Figura 3B, la Figura 3C y la Figura 3D. Con referencia inicial a la Figura 2A, el dispositivo 100 de MBfR de flujo radial incluye una caja 110, tubo 130 de núcleo central perforado, y una pluralidad de filamentos 132 huecos fijados por ejemplo por encapsulamiento, en una tapa 144 extrema superior y en una tapa 145 extrema inferior. La caja 110 tiene una pared con una superficie interior, la pared define una cavidad o agujero. La cavidad de la caja se adapta para recibir de manera acoplada la primera y segunda tapas extremas, las cuales pueden incluir opcionalmente uno o más anillos tóricos, anillos de empaquetadura u otros tipos 142 de sello para sellar la superficie interior de la caja.

El tubo de núcleo central comprende una región 117 perforada con una o más perforaciones en la pared del tubo. Un primer extremo del tubo de núcleo se abre de preferencia al flujo de líquido y/o gas, mientras un segundo extremo debe cerrarse sustancialmente al líquido/gas directo que entra al lumen del tubo a través de las perforaciones en la pared del tubo. En la modalidad de la Figura 2A, el extremo del tubo de núcleo adyacente a una lumbrera 146 de afluente se abre, para comunicación de fluido con un suministro de fluido de agua residuales externo, y el extremo opuesto del tubo de núcleo (con respecto a la figura, el extremo superior) , la tapa 144 extrema adyacente, se cierra sustancial o completamente. La lumbrera 146 de afluente puede incluir una porción del tubo 130 de núcleo central perforado. Una lumbrera 148 de descarga de contaminante puede ubicarse en la caja 110, como se muestra en la Figura 2A, o en una tapa extrema, como se muestra en la Figura 2B. Cuando la lumbrera de descarga de contaminante se ubica en la caja, una pluralidad de lumbreras de descarga de contaminante, tal como las lumbreras 148a, 148b, 148c pueden separarse a lo largo de la longitud de la caja. Cuando la lumbrera de descarga de contaminante se ubica en una tapa extrema, como se muestra en la Figura 2B, debe encontrarse en comunicación de fluido con la superficie interior de la caja 110, por ejemplo, mediante un tubo 149 perforado que se extiende hacia la caja 110. La caja 110 puede adaptarse para proporcionar un rebajo para el tubo 149 perforado, de manera que no interfiera con la forma sustancialmente cilindrica de los filamentos huecos, por ejemplo, el módulo, así como se describe en lo siguiente.

La pluralidad de filamentos 132 huecos pueden ser filamentos individuales, filamentos dispuestos en estopas o paquetes, o filamentos proporcionados en una "lámina tubular" en donde múltiples filamentos sustancialmente paralelos se embeben en un lámina que puede plegarse o laminarse para proporcionar filamentos de MBfR en capas de una densidad deseada. Los extremos encapsulados de los filamentos pueden maquinarse para asegurar que los filamentos se abran y se encuentren disponibles para conducir gas . En algunas modalidades, los filamentos huecos encapsulados pueden removerse como unidad modular (es decir, "módulo") desde la caja 110 para limpieza o sustitución.

El gas entra a los lúmenes de filamentos ¦ huecos encapsulados mediante una lumbrera 113 de gas ubicada en una tapa 144 extrema de la caja 110, mientras los inertes (es decir, materiales inertes) se drenan o descargan de los lúmenes de los filamentos huecos mediante una lumbrera 114 de drenaje dispuesta sobre o adyacente a la tapa 145 extrema.

Los materiales inertes incluyen exceso de gas y materia en partículas presentes en el suministro de gas, líquido y solutos que se difuminan desde la superficie exterior de los filamentos hacia el lumen de los filamentos, polvo, microorganismos y otros materiales que se acumulan en el lumen de los filamentos.

Como se ilustra en la Figura 3Á, la pluralidad de filamentos 132 huecos pueden combinarse con una o más fibras 150 de' urdimbre. Las fibras de urdimbre son sustancialmente inertes, fibras estructurales o filamentos que típicamente, aunque no de manera necesaria se orientan en perpendicular a los filamentos huecos. Las fibras de urdimbre de preferencia tienen cierta elasticidad para permitir que los filamentos se flexionen y extiendan, aunque la cantidad no es crítica. Las fibras de urdimbre pueden separase a intervalos de aproximadamente uno a aproximadamente seis centímetros a lo largo de la longitud de los filamentos huecos. La tensión de las fibras de urdimbre es suficiente para mantener la posición de los grupos de filamentos huecos, reduciendo las deflexiones y el movimiento de los filamentos bajo condiciones operativas; sin embargo los filamentos pueden ser capaces de flexionarse y expanderse. Los filamentos pueden disponerse en grupos y después combinarse con las fibras de urdimbre. Cada grupo puede incluir de 2 a aproximadamente 200 filamentos .

Como se muestra en la Figura 3B, la Figura 3C y la Figura 3D, un material 160 intercalado puede utilizarse para separar los filamentos 132 huecos individuales o grupos o capas de filamentos huecos. Similar a las fibras de urdimbre, el material intercalado mantiene la agrupación y separación de los filamentos para reducir la restricción y contaminación de flujo,' reduciendo de esta manera la caída de presión a través del dispositivo de MBfR. Las capas de material 160 intercalado pueden alternar con capas de filamentos huecos o con capas de filamentos huecos combinados con fibras de urdimbre (por e emplo, una tela) , para establecer y mantener la separación entre los filamentos huecos. Un material intercalado ejemplar es un material de malla abierta de plástico, como se muestra en la Figura 3D.

Como se observa, las fibras de urdimbre1 y el material intercalado pueden combinarse en un solo dispositivo de MBfR. En un dispositivo preferido, una pluralidad de filamentos huecos conectados por fibras de urdimbre forma una tela, la cual se envuelve alrededor de un tubo central para formar devanados en espiral o capas de tela . Las capas con espiral de la tela se separan por un material intercalado o de separación, como se ilustra en la Figura 3B y la Figura 3C.

B . Operación En operación, agua afluente contaminada entra al dispositivo de MBfR de flujo radial mediante la lumbrera de afluente y después fluye en una dirección radial externa, es decir, desde el tubo de núcleo perforado hacia la superficie interior de la caja. El agua afluente hace contacto con las superficies exteriores de los filamentos huecos sobre los cuales se forma una biomasa (no mostrada) . Uno o más organismos presentes en la biomasa afectan la remoción de contaminantes presentes en el agua afluente, por lo que se produce el agua residual que tiene niveles reducidos de contaminantes .

El agua residual se reconecta en o cerca de la superficie interior de la caja, donde la presión del agua afluente fuerza al agua contaminada a salir a través de una o más lumbreras de descarga. Cualquier cantidad de agua residual puede descargarse desde el sistema como aguas residuales de producto o se vuelve a ciclar a través del dispositivo MBfR, por ejemplo, para una exposición adicional a los filamentos y a la biomasa.

El gas se alimenta hacia el lumen de los filamentos huecos mediante una lumbrera de gas e inertes se recolectan desde los otros extremos de los filamentos para su descarga mediante una lumbrera de drenaje. La mayor parte del gas se difumina a través de las paredes de los filamentos; huecos para su utilización mediante la biomasa que crece; en la superficie exterior de los filamentos. El gas puede ser hidrógeno, oxígeno o dióxido de carbono, dependiendo de los organismos presentes y las etapas metabólicas realizadas.

El dispositivo además puede incluir una o más lumbreras de entrada de gas de limpieza, tal como la lumbrera 115 mostrada en la Figura 2A, para introducir gas para limpiar las superficies exteriores de los filamentos huecos. La lumbrera de entrada de gas de limpieza puede ubicarse en una región inferior de la caja o una tapa extrema inferior, de manera que el gas desde la lumbrera limpie la superficie interior de la caja y las superficies exteriores de los filamentos. El gas de limpieza puede introducirse durante la operación normal o durante el lavado, como se describe en lo siguiente. Una lumbrera de entrada de gas de limpieza adicional (no mostrada) puede ubicarse en o cerca de la lumbrera de afluente para introducir gas para limpiar las superficies exteriores de los filamentos huecos mediante el gas de flujo radial. Un gas de limpieza ejemplar es nitrógeno, aunque otros gases es probable que produzcan resultados satisfactorios. Puesto que la limpieza típicamente implica la liberación de gas a la atmósfera, el uso de gases inflamables o tóxicos es menos deseable. La introducción del gas de limpieza puede denominarse como ciclo de limpieza. El dispositivo de MBfR además puede incluir cualquier número de lumbreras adicionales para introducir reactivos de gas o líquido .

C . Pruebas Un diagrama de un sistema de prueba para evaluar el rendimiento del dispositivo de MBfR del flujo radial se muestra en la Figura 4. El sistema incluye un MBfR 200 de flujo radial, una bomba 210 de recirculación en una configuración de formación de alimentación automática con un tanque 220 de alimentación. Un sistema 250 de suministro de hidrógeno, un sistema 255 de suministro de nitrógeno, y un sistema 260 de suministro de dióxido de carbono se indican. Una línea de descarga de contaminante con la lumbrera 290 de muestras permite que las muestras se tomen para análisis. El agua que será descontaminada se bombea hacia el tubo de núcleo perforado (véase Figura 2A) el dispositivo ¡200 de MBfR, del cual fluye radialmente sobre los filamentos huecos, se recolecta en la caja, y se descarga a través de una o más lumbreras de descarga de contaminante.

Dos válvulas 270 de tres direcciones se colocan en el sistema para redirigir el flujo de agua hacia las lumbreras de descarga de contaminante para invertir la dirección del flujo. La dirección de flujo inversa, el agua fluye desde la lumbrera de descarga de contaminante, limpia las superficies exteriores de los filamentos huecos, y se recolecta en el tubo de núcleo perforado, por lo que lava los filamentos huecos. El lavado típicamente se realiza una vez a seis veces al día para reducir la contra presión (caída de presión) a través del dispositivo de MBfR. Después del lavado, la caída de presión a través del dispositivo de MBfR regresa a un 0.068-0.136 atmósferas nominales (1-2 psig) .

El sistema de prueba se equipó con un sistema 255 de suministro de nitrógeno y varias (por ejemplo, cuatro) lumbreras 256, 257, de entrada/inyección de nitrógeno. Las lumbreras 255 de entrada/inyección de nitrógeno colocadas alrededor de la circunferencia inferior del dispositivo 200 de MBfR fueron para limpiar la caja y la superficie exterior de los filamentos huecos, con lo cual se reducía la cantidad de biomasa y la caída de presión a través del dispositivo 200 de MBfR. Una lumbrera 257 de inyección de nitrógeno úbicada en la línea de entrada que alimenta el tubo de | núcleo perforado del MBfR 200, era para limpiar adicionalmente los filamentos por gas de nitrógeno de inyección radial. La limpieza con gas se realiza en una frecuencia suficiente para evitar la acumulación excesiva de una biomasa, lo cual produce una caída de presión a través del dispositivo de MBfR. El sistema de prueba se equipa con una válvula 295 de ventilación de separación de gas para ventilar el nitrógeno utilizado para limpiar así como para ventilar el nitrógeno producido a partir de la reducción de nitrato. Otros gases inertes, o incluso aire, puede utilizarse para limpieza.

El sistema de prueba además se equipo son un sistema 260 de suministro de dióxido de carbono y la lumbrera de inyección de dióxido de carbono (no mostrada) . El dióxido de carbono puede inyectarse para modular (es decir, reducir) el pH dentro del MBfR 200 o para proporcionar una fuente de carbono para microorganismos autotróficos . Por ejemplo, como se muestra en la Ecuación 1, la reducción autotrófica de nitrato produce hidróxido (OH) . El dióxido de carbono puede reaccionar con el hidróxido para producir bicarbonato. La cantidad de dióxido de carbono agregada típicamente es una función de la cantidad de nitrato reducido, mientras que mantiene el pH dentro del MBfR en aproximadamente 7-8. 2.5 H2 + N03 ? 0.5 N2 + 2 H20 + OH ( 1 ) D. Resultados Para probar la eficacia del diseño del dispositivo de MBfR de flujo radial, se prepararon cuatro dispositivos de flujo radial utilizando diferentes materiales y configuraciones de filamentos huecos. Tres de los "módulos" utilizaron filamentos de triacetato de celulosa (CTA) y uno utilizó filamento de polietileno/poliuretano (CPP) compuesto.

Además de los diferentes filamentos huecos, los dispositivo ejemplares utilizaron diferentes fibras de urdimbre para soportar los filamentos huecos. Las especificaciones de cada uno de los cuatro módulos (Módulos 1-4) se muestran en la Tabla en la Figura 5A. 1. Módulo 1 El Módulo 1 utilizó una fibra de CTA en una densidad de empacado de 45% y un área superficial de 43.7 m2 (Figura 5) . Un paquete de filamentos estrecho se produjo por el alto número de fibras de urdimbre entretejidas estrechamente. Un dispositivo de MBfR que contiene el Módulo 1 se operó durante 63 días, con un lavado diario y sin limpieza con nitrógeno. El flujo de nitrato (NO3-N mg/m2/día) y los datos de caída de presión (psi) se esquematizaron en la Figura 6A. El flujo de nitrato y la caída de presión incrementaron durante los primeros treinta días. El flujo de nitrato alcanzó un valor máximo de 1.004 (NO3-N mg/m2/día) pero no logró un valor de estado estable. Un post mortem demostró que la caída de presión fue debido a la formación de biomasa, la cual se distribuyó de manera no uniforme a través del módulo. El color marrón claro que caracterizó la biomasa se observó en el exterior del módulo, con una cantidad reducida en el área alrededor de las lumbreras de descarga.

El módulo 1 tubo un total de 27 urdimbres/capas de filamento. Desenrollar el módulo reveló una biomasa pesada entre las capas 4-17, concentrada en aproximadamente la capa 8 (contando desde las capas exteriores) . El procedimiento de lavado pareció que mantenía el control de la biomasa en las capas exteriores del módulo pero no en las capas internas, las cuales se obturaron con la biomasa. 2. Módulo 2 El Módulo 2 utilizó filamentos de CTA en una densidad de empacado inferior (es decir, 20%) con un área superficial correspondientemente baja de 19.4 m2 (Figura 5A) . El módulo 2 se operó durante 51 días, con lavado diario pero sin nitrógeno de limpieza. El flujo de nitrato pareció que lograba un nivel de estado estable de aproximadamente 490 de No3-N mg/m2/día después de veinte días y después cayó ligeramente hasta que el módulo se retiró de la operación (Figura 6B) . El flujo de nitrato promedio fue de 432 ; (NO3-N mg/m2/día) . La presión incrementó de manera estable con el tiempo pero no al grado observado con el Módulo 1.

Un post mortem del Módulo 2 después de que se removió de la caja reveló que la biomasa no se distribuyó de manera uniforme. Como fue el caso con el Módulo 1, la biomasa en el centro del paquete de fibras fue más densa que en la superficie . 3. Módulo 3 El Módulo 3 utilizó filamentos de CPP en una densidad de empacado de 20% y tuvo un área superficial de 17.9 m2 (Figura 5A) . Los filamentos de CPP tuvieron un diámetro ligeramente menor (300 micrones) que los filamentos de CTA utilizados en los Módulos 1, 2 y 4 (330 micrones) . El Módulo 3 no tuvo fibras de urdimbre y las fibras huecas estaban muy sueltas. Como en lo anterior, el módulo se lavó diariamente pero no se limpió con nitrógeno.

La caída de presión a través del Módulo 3 tuvo un patrón diferente del observado con los Módulos 1 y 2. En particular, la caída de presión fue nominal durante los primeros 30 días de operación, y después incrementó rápidamente a 0.204 atmósferas (3 psi) , y disminuyó 0.068 atmósferas (1 psi) (Figura 6C) . El flujo de nitrato disminuyó con la caída de presión y continuo disminuyendo incluso mientras la presión seguía constante, elevándose a 500 NO3-N de mg/m2/día después de 30 días de operación, y promedio 315 (NO3-N mg/m2/día) . La canalización del agua dentro del ' módulo fue visible a través de la caja, resultando en cierto momento en el flujo de agua directamente desde el tubo central hasta la descarga. El lavado extenso y la inyección de nitrógeno en la caja no redujo la canalización. El Módulo 3 se operó durante 68 días antes de retirarse del servicio. 4. Módulo 4 El Módulo 4 utilizó los mismos filamentos de CTA utilizados en los Módulos 1 y 2. El empacado de las fibras de urdimbre en el Módulo 4 fue inmediato entre el de los Módulos 1 y 2 (Figura 5A) . El propósito de soltar la fibra de urdimbre en el Módulo 4 fue proporcionar espacio para que la biomasa creciera en el exterior de la fibra hueca, mientras las fibras de urdimbre proporcionaron suficiente tensión para asegurar una distribución de flujo uniforme y evitar la canalización. La densidad de empacado de la fibra fue de 45% con un área superficial de sólo 12.3 m2, debido a un diámetro del módulo general reducido. El propósito del diámetro de módulo reducido fue permitir una limpieza completa ¡ de la biomasa a partir de las fibras . El Módulo 4 se lavó dos veces en un día durante 10 minutos durante la operación. Además el nitrógeno se esparció en la caja y el tubo central cuando se necesitó para lavar los filamentos.

El flujo de nitrato en el Módulo 4 se estabilizó después de 80 días, aunque no pareció alcanzar un estado estable (Figura 6D) . La caída de presión a través del ; Módulo 4 se estabilizó en 0.136 atmósferas (2 psi) después, de 60 días de operación, y después incrementó a 0.34 atmósferas (5 psi) . El Módulo 4 se retiró de la caja el Día 104, se lavó con agua y después se regresó a la operación. El flujo de nitrato regresó a 800 NC>3-Nmg/m2/día dentro de los 8 días y continuo incrementando, acompañada por una caída de presión, debido de manera presumible a una acumulación de biomasa entre los filamentos y la caja, la cual fue más profunda que antes del desensamblaje y limpieza. La limpieza con nitrógeno no removió la biomasa acumulada. En el Día 153, el Módulo 4 nuevamente se retiró de la caja y se lavó, en cuyo momento los filamentos diversos se rompieron de manera inadvertida, resultando en un derramamiento de nitrógeno en la caja y terminando el estudio del Módulo 4. El flujo de nitrato promedio para el Módulo 4 fue de 866 (NO3-N mg/m2/día) durante todo el tiempo en que se operó.

El rendimiento del Módulo 4 fue mejor que con el de los Módulos 1, 2 y 3 en términos de flujo de nitrato* caída de presión, y tiempo total del tiempo de operación (a pesar del daño en los filamentos) . El flujo promedio durante los 202 días en que se operó el Módulo 4 fue de 866 riig N03-N/m2/día, lo cual es dos veces el de los otros módulos probados . Un resumen de las condiciones operativas promedio de los Módulos 1-4 se muestra en la Tabla en la Figura 5B.

E . Conclusiones Estos resultados demostraron que un MBfR de flujo radial puede lograr un mayor flujo de nitrato con una menor caída de presión y que otros reactores de MBfR informaron. Aspectos importantes del diseño de los dispositivos de MBfR de flujo radial incluyen (i) el espesor del paquete de filamentos y (ii) la tensión de las fibras de urdimbre. Aunque la densidad de empacado también es importante, el Módulo 2, el cual tubo una densidad de empacado de 20%, demostró sólo una pequeña mejora en el flujo de nitrato sobre el Módulo 1, el cual tuvo una densidad de empacado de 45%. La importancia de las fibras de urdimbre se demuestra claramente en la canalización observada utilizando el Módulo 3.

Generalmente, el pH del dispositivo de MBfR debe mantenerse en un margen de 8 a 9 para soportar la biopelícula. El margen de pH se obtiene fácilmente mediante la adición de dióxido de carbono al MBfR. Todo el MBfR probado requiere procedimientos de limpieza periódica para reducir la cantidad de biopelícula acumulada. Mejores resultados se obtuvieron utilizando una combinación de lavado, limpieza de gas nitrógeno y un desensamblaje y limpieza ocasionales.

Regresando al problema de eficiencia, la' Tabla mostrada en la Figura 7 muestra el flujo de nitrato teórico para una biopelícula de estado no estable como una función de la concentración de nitrato en el liquido voluminoso (S en mg-N/L) y el espesor de biopelícula (Lf en µ??) . Para las concentraciones con bajo contenido de nitrato (es decir, <0.2 mg N/L) , el flujo de nitrato teórico es de 850 a 1,000 mg-N/m2/día (suponiendo que no- existe ningún límite en la disponibilidad del hidrógeno) . Como se muestra en la Figura 6D, el Módulo 4 con un diseño de tubo de núcleo interno, logró el límite teórico del flujo para un MBfR de baja concentración de nitrato durante gran parte de su operación, demostrando la eficiencia de los dispositivos de MBfR de flujo radial.

Experimentos adicionales utilizando MBfR de flujo radial demostraron que la remoción de contaminantes mejorada podría lograrse al reciclar una porción (por ejemplo, 40-50%) de las aguas residuales de MBfR nuevamente en la lumbrera de afluente de MBfR. Una explicación de este resultado es simplemente que una porción del agua se expone dos vecés a la biopelícula, permitiendo que la biopelícula remueva más contaminantes de las aguas residuales finales. Sin embargo, otra teoría es que la mezcla o "agua tratada" con "agua no tratada" diluye la cantidad total de oxígeno disuelto, en el agua afluente, impulsando a que la película utilice el nitrato, en lugar del oxígeno, como aceptor de electrones.

Otros métodos para diluir o remover el oxígeno del agua afluente se espera que produzca resultados similares.

Sin limitarse en teoría, se cree el diseño de flujo radial mejora el límite y uniformidad del flujo afluente sobre los filamentos huecos revestidos con biopelícula, incrementado la efectividad de remoción de contaminantes, reduciendo la biocontaminación y mejorando la eficiencia de la limpieza periódica. Varios diseños de MBfR se probaron empíricamente y los resultados demostraron que el dispositivo de MBfR de flujo radial fue superior al MBfR convencional utilizando otras configuraciones de flujo.

III . Materiales para su uso en filamentos huecos, fibras de urdimbre y materiales intercalados A. Filamentos huecos Los filamentos huecos utilizados en el dispositivo ejemplar se fabricaron a partir de triacetato de celulosa (CTA) que tiene un diámetro externo de aproximadamente 300 um y un diámetro interno de aproximadamente 150 um. Sin embargo, otros materiales que incluyen un poliéster, poliétileno, polipropileno, poliuretano y cloruro de polivinilo, puede utilizarse en el dispositivo de flujo radial.

Una clase de compuestos útiles para la producción de filamentos huecos para su uso en dispositivos de MBfR es los poliésteres. Los ésteres son una clase de compuestos orgánicos formados tradicionalmente por la condensación de un alcohol y un ácido orgánico. Donde el ácido es un ácido carboxílico, el éster resultante tiene la estructura Rl-C(=0)0R2, donde Rl y R2 son de manera independiente H o una miríada de grupos funcionales. Los ésteres también pueden formarse a partir de ácidos fosfóricos, sulfúricos, nítricos, bóricos, benzoicos, y otros. Los ésteres cíclicos se conocen como lactonas .

Los ésteres participan en el enlace de hidrógeno como aceptores de enlace de hidrógeno. Sin embargo, los ésteres no funcionan como donadores de hidrógeno. Esto permite a los grupos ésteres formar enlaces de hidrógeno con muchos otros grupos funcionales, mientras evita el enlace de hidrógeno entre los grupos de ésteres. Los ésteres generalmente son hidrofóbicos , aunque la naturaleza ;de los grupos Rl y R2 afecta las características de un éster particular.

El poliéster es un polímero de uno o más monómeros de éster preseleccionados , típicamente producidos por la esterificación azeotrópica, transesterificación alcohólica, acilación (es decir, el método de HC1) o el método de sililo o acetato de sililo, o el método de apertura de anillo, y variaciones de los mismos, dependiendo del poliéster particular. El poliéster se utiliza ampliamente en la elaboración de productos de clientes y sus propiedades mecánicas se conocen bien.

Los poliésteres incluyen pero no se limitan a tereftalato de polietileno (PET) , tereftalato de poilitrimetileno (PTT) , tereftalato de polibutileno (PBT) , naftalato de polietileno (PEN) , tereftalato de policiclohexilendimentileno (PCTA) , policarbonato (PC) , naftalato de polibutileno (PBN) , y ácido poliláctico (PLA) . Los poliésteres pueden ser homopolímeros o heteropolímeros . Como se utiliza en la presente, los heteropolímeros incluyen copolímeros. Un copolímero de poliéster común es 1,4-ciclohexandimetanol (CHDM) . Por ejemplo, PCTA es un copolímero de tres monómeros, los cuales son ácido tereftálico, ácido isoftálico y CHDM. Aunque algunas industrias utilizan los términos "poliéster" y "PET" casi de manera intercambiable, el término "poliéster" se refiere a toda clase de compuestos.

Muchas de las ventajas del poliéster son más aparentes cuando las fibras se revuelven o tejen en estopas, cuerdas, telas, etc. Por ejemplo, el poliéster se utiliza ampliamente en la industria de textiles. El poliéster más ampliamente utilizado es PET (o PETE) , el cual existe en formas amorfas (transparente) y semi-cristalinas (blancas u opacas) y fácilmente se forman en fibras y láminas. El PET y otro poliéster de un alcohol dihidrico y ácido tereftálico se utilizan comúnmente para fabricar soga.

Además de ser económicos de producir, los poliésteres particularmente son fuertes, elásticos, resistentes a la abrasión y resistentes al estiramiento y encogimiento. Los textiles de poliéster son resistentes al encogimiento, resistentes a la formación de moho, de1 secado rápido y retienen pliegues y arrugas termo-establecidos. El poliéster despliega una resistencia excelente a agentes oxidantes, solventes de limpieza y tensoactivos . Aunque son resistentes a la luz solar, se agregan estabilizadores UV típicamente para uso en exteriores o se exponen a la luz UV.

Los poliésteres, como la mayoría de los termoplásticos , son reciclables y pueden ser poliésteres vírgenes, poliésteres reciclados, poliésteres post-consumo, monómeros reciclados o combinaciones y variaciones de los mismos. Algunos poliésteres, que incluyen PET, ofrecen la ventaja adicional de contener sólo carbono, oxígeno o hidrógeno (es decir, sin azufre, fósforo, nitrógeno, etc.) que los haga candidatos para incineración.

Los filamentos huecos de poliéster ejemplares se forman de poliéster de fusión por rotación, tal como PET, que se funde y prensa a través de un orificio de un hilador, enfriado bruscamente con agua o en una corriente de aire, estirado en una o más etapas en combinación con el calentamiento, y después se envuelven en un carrete utilizando una máquina devanadora. Los filamentos huecos son tubos de poliéster huecos flexibles efectivamente "sin fin" finos que pueden cortarse en cualquier longitud cuando se necesite. Los filamentos que tienen una superficie exterior que típicamente se expone al agua residual, y una superficie interior para interactuar con gas esparcido. La superficie interior define un espacio interior hueco.

El diámetro preferido de los filamentos huecos para su uso en el MBfR de flujo radial depende de la modalidad particular. Los filamentos huecos pueden ser menores a 500 um de diámetro, o incluso menos de 100 um de diámetro. Los filamentos incluso pueden ser menores a 50 um, menores a 20 um, o incluso menores a 10 um de diámetro. Los filamentos huecos pueden tener un diámetro uniforme o ser heterogéneos con respecto al diámetro. Donde los filamentos ; tienen diámetro heterogéneo, el diámetro puede caer dentro, de un margen preseleccionado .

Los filamentos huecos pueden revolverse en paquetes para formar hilados de multifilamento , los cuales entonces se ensamblan en módulos para su uso en un bioreactor que se describirá. Los filamentos de menos de 10 dtex (es decir, decitex = 1 gramo por 10,000 metros) se prefierén para hilados, mientras los filamentos de más de 100 dtex típicamente se utilizan como monofilamentos . Filamentos intermedios se utilizan en cualquier forma. Tanto mono como multifilamentos pueden utilizarse como urdimbre o trama en las técnicas .

La difusión de gas a través de una membrana de polímero generalmente se describe por las leyes de difusión de Fick. El coeficiente de solubilidad depende de la combinación particular de polímeros-gas y la ley de Henry. La permeación de los gases de bajo peso molecular en polímeros de caucho (bajo sus temperaturas de transición vitrea) a presiones moderadas es Fickiana y sigue la ley de Henry para diferentes modos de sorción (es decir, absorción, la adsorción, más la captura en microcavidades , acumulación y agregación) . Klopfter, M.H. y Flaconnéche, B., Oil & Gas Sciencie and Technology - Rev. IFP, 56, 2001, No. 3) .

La presión en ráfaga de un filamento hueco puede calcularse utilizando la Ecuación 2: P = T · (OD2 - ID2)/(OD2 + ID2) (2) donde P es la presión en ráfaga, T es la tenacidad, y OD e ID son diámetro externo e interno, respectivamente. OD e ID son variables preseleccionadas y la tenacidad 1 es una constante asociada con un polímero particular.

Los diámetros preferidos de filamentos para su uso como se describe son de aproximadamente 50 um a aproximadamente 5,000 um (OD) , o incluso de aproximadamente 0.10 mm a aproximadamente 3,000 um. Un diámetro preferido es de aproximadamente 300 um. La forma óptima de los filamentos huecos es redonda, aunque formas irregulares se espera que produzcan resultados satisfactorios. La densidad consistente se prefiere pero no se requiere. Los valores preferidos de tenacidad (T) son de aproximadamente 10 a aproximadamente 80 cN/tex, o incluso de aproximadamente 20 a aproximadamente 60 cN/tex.

El volumen porcentual de cavidades (%V) puede calcularse utilizando la Ecuación 3 : %V= T · (área interna) / (área externa) x 100 ' (3) Un margen aceptable por volumen de cavidades es de aproximadamente 1% a aproximadamente 99%, mientras un ; margen preferido para algunas modalidades es de aproximadamente 25% a aproximadamente 50%.

B . Fibras de urdimbre y materiales intercalados Las fibras de urdimbre y los materiales intercalados pueden formarse de triacetato de celulosa, poliéster, polipropileno, polietileno, poliuretano y compuestos de los mismos. La fibra de urdimbre debe tener un diámetro externo de aproximadamente 100-500 um, aproximadamente 150-450 m, o aproximadamente 200-400 um. En un ejemplo, la fibra de urdimbre es un poliéster texturizado de 150 denier que tiene un diámetro externo de aproximadamente 300 um y un diámetro interno de aproximadamente 150 um. Otras dimensiones y un margen de un poliéster de textura de 75 a aproximadamente 300 denier debe producir resultados similares.

Similarmente, el material intercalado puede formarse de un material de plástico inerte tal como triacetato de celulosa, poliéster, compuestos de polietileno y poliuretano, etc., polietileno y polipropileno. El material intercalado debe ser suficientemente poroso para permitir el flujo radial en un MBfR sin restricción significativa. El material intercalado puede formarse a partir de¦! fibras tejidas, láminas perforadas, o materiales expandidos. El material intercalado ejemplar es una red de diamante de polipropileno extruído, como se muestra en la Figura 3D. Una red particular tiene un tamaño de orificio nominal de 2.79 milímetros x 2.79 milímetros (0.110 pulgadas x, 0.110 pulgadas), un espesor de 1.168 milímetros (0.046 pulgadas), y un porcentaje de apertura nominal de 66%.

IV. Selección de microorganismos El dispositivo de MBfR se ha ejemplificado para la reducción de nitrato utilizando bacterias autotróficas y un gas de hidrógeno como un donador de electrones como se describe previamente. Sin embargo, será aparente a partir de la descripción que el dispositivo puede utilizarse con muchos tipos de contaminantes y microorganismos adecuados. Los contaminantes oxidados incluyen pero no se limitan a nitrato, nitrito, perclorato, clorato, bromato, y un margen de contaminantes orgánicos halogenados, etc.

La remoción de contaminantes nitrógenos normalmente se realiza al desnitrificar las bacterias o "nitrificantes" , que incluyen dos grupos principales de bacterias quimolitoautotróficas , aeróbicas . Las bacterias oxidantes de amonio oxidan amonio en nitrito, y las bacterias oxidantes de nitrito (NOB) oxidan nitrito en nitrato. El primer proceso se realiza por un número de anaerobios facultativos comúnmente encontrados en el suelo. El segundo proceso, algunas veces denominado como desnitrificación "verdadera" se realiza por un grupo más selecto de bacterias ejemplificado por Paracoccus denitrificans, Alcaligenes eutrophus, Alcaligenes paradoxus, Pseudomonas pseudoflava. Vibrio dechloraticans Cuznesove B-1168, Acinetobacter thermotoleranticus, Ideonella dechloratans, GR-1 (una cepa identificada por pertenecer a la ß-Proteobacteria, Paracoccus denitrificans, Wolinella succinogenes, y Ralstonia eutropha, Pseudomonas pseudoflava. Alcaligenes eutrophus, Alcaligenes paradoxus, Paracoccus dentrificans, y Ralstonia eutropha todos pueden utilizar gas hidrógeno como donador de electrones. Ralstonia eutropha es una bacteria preferida disponible de American Type Culture Collection (ATCC: Manassas, VA, USA) como número de colección 17697.

Las bacterias reductoras de perclorato generalmente son anaerobias facultativas o microaerobias . Las bacterias utilizan acetato, propionato, isobutirato, butirato, valerato, malato, fumarato, lactato, clorato, y oxigeno como donadores de electrones pero típicamente no con metanol, catecol, glicerol, citrato, glucosa, hidrógeno, sulfato, selenato, fumarato, malato, Mn(IV), o (Fe(III). La mayoría de las bacterias reductoras de perclorato son Proteobacterias . Dechloromonas, Dechloroso a y la cepa GR-1 son ß-Proteobacterias , aunque Azospinilum es una a-Proteobacteria . Las cepas de Dechloromonas y Dechlorosoma pueden utilizar lactato como donador de electrones, y las capas de Dechlorosoma pueden utilizar etanol como donador de electrones. Con la excepción de tres cepas de Dechloro onas , todas las bacterias reductoras de perclorato pueden utilizar nitrato como aceptor de electrones. Algunas cepas de Dechloromonas autotróficas utilizan hidrógeno como donador de electrones. Tales cepas son particularmente útiles para uso con el presente aparato, sistemas y métodos.

Las bacterias oxidantes de hidrógeno incluyen bacteria autotrófica oxidante de hidrógeno y bacterias capaces de utilizar carbono orgánico y otras fuentes energéticas en la adición de hidrógeno. Las bacterias oxidantes de hidrógeno se prefieren en algunas modalidades del presente aparato, sistemas y métodos. En presencia de contaminantes oxidados, tales bacterias reducen una forma oxidada de un aceptor de electrones primario en una cantidad suficiente para sostener una biomasa de estado estable viable dentro del sistema de tratamiento de aguas acuoso. Derivar la energía para él crecimiento mediante la reducción se denomina como reducción disimilatoria . Ejemplos de bacterias oxidantes de hidrógeno incluyen pero no se limitan a Pseudomonas pseudoflava, Alcaligenes eutrophus, Alcaligenes paradoxus . Paracoccus denitrificans, y Ralstonia eutropha, que pueden utilizar nitrato, y una cepa de Dechloromonas, la cual puede utilizar perclorato.

Una o más de las bacterias antes identificadas (es decir, combinaciones) pueden inocularse en un MBfR de flujo radial y dejarse formar una biopelícula en el exterior de los filamentos huecos . Las bacterias que requieren condiciones de crecimiento similares (por ejemplo, aspersión con el mismo gas (pueden hacerse crecer en la misma biopelícula, mientras las bacterias con diferentes requerimientos de crecimiento típicamente se hacen crecer en diferentes bioreactores.

Alterna y adicionalmente, las bacterias endógenas en aguas residuales dejan formar una biopelícula en un reactor. Este método tiene la ventaja de que las bacterias presentes en las aguas residuales ya se adaptan a los nutrientes disponibles y; por lo tanto, ya son capaces de metabolizar contaminantes oxidados en el agua residual .

V . Métodos para el Tratamiento de Aguas Un uso ejemplar para el MBfR de flujo radial presente es para el tratamiento de aguas. Los dispositivos de MBfR pueden utilizarse en combinación con otros procesos de tratamiento de aguas, siempre y cuando los químicos presentes en el agua (por ejemplo, cloro) no interfieran con la formación y mantenimiento de la biopelícula en el MBfR o la actividad metabólica de los microorganismos en la biopelícula. El MBfR puede utilizarse para remover una variedad de contaminantes transportados por agua, de los cuales algunos se identifican en lo anterior.

Estas y otras aplicaciones e implementaciones serán aparentes en vista de la descripción. Tales modificaciones, sustituciones y alternativas pueden hacerse sin apartarse del espíritu y alcance de la invención, la cual debe determinarse a partir de las reivindicaciones anexas .

Claims (21)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo descrito en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de reactor de biopelícula de membrana (MBfR) , caracterizado porque comprende: un tubo de núcleo central que tiene una pared que define un lumen y una o más perforaciones en la pared definen una región perforada, el tubo de núcleo además tiene un primer extremo abierto y un segundo extremo sustancialmente cerrado ; una pluralidad de filamentos huecos, cada filamento tiene una pared que define un lumen interior, una superficie exterior, un primer extremo, y un segundo extremo; y una caja que tiene una cavidad, una primera tapa extrema, una segunda tapa extrema, y por lo menos una lumbrera de descarga de contaminante, la cual se encuentra en comunicación con las superficies exteriores de los filamentos huecos ; en donde el primer extremo abierto del tubo de núcleo se sella en la primera tapa extrema, con la ; región perforada extendiéndose hacia la cavidad central de la caja, y el primer extremo abierto del tubo de núcleo tiene un accesorio para la conexión a una fuente de liquido afluente, y en donde el dispositivo además comprende por lo menos una lumbrera de entrada de gas de limpieza, la cual se encuentra en comunicación con las superficies exteriores de los filamentos huecos, y en donde los primeros extremos de la pluralidad de filamentos huecos se abren y se sellan en la primera tapa extrema, y los segundos extremos de la pluralidad de filamentos huecos se abren y se sellan en la segunda tapa extrema .

2. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, se caracteriza porque una de la primera tapa extrema y la segunda tapa extrema incluye un accesorio para conexión a una fuente de gas.

3. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 2, se caracteriza además porque tiene una lumbrera de drenaje en la caja, para comunicación con los lúmenes de la pluralidad de filamentos huecos .

4. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 3, se caracteriza porque la lumbrera de drenaje se coloca en un extremo de la caja opuesto al accesorio para conexión a una fuente de gas.

5. El dispositivo de conformidad con cualquier reivindicación precedente, se caracteriza porgue la primera tapa extrema y la segunda tapa extrema se sellan en la caja.

6. El dispositivo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, se caracteriza porque los filamentos huecos se combinan con una fibra de urdimbre para formar una tela.

7. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 6, se caracteriza porque los filamentos huecos se separan por un material intercalado.

8. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, se caracteriza porque se orienta de manera vertical con la primera tapa extrema por debajo de la segunda tapa extrema, la primera tapa extrema se adapta para el ingreso del líquido afluente, y la segunda tapa extrema se adapta para el ingreso del gas.

9. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, se caracteriza porque los filamentos huecos se forman de un material seleccionado de tereftalato de politrimetileno, polipropileno y cloruro de polivinilo.'

10. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, se caracteriza porque por lo menos una lumbrera de entrada de gas de limpieza se ubica en una región inferior de la caja.

11. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 10, se caracteriza porque comprende una pluralidad de lumbreras de entrada de gas de limpieza ubicadas en una región inferior de la caja.

12. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, se caracteriza porque por lo menos una lumbrera de entrada de gas de limpieza se ubica en la lumbrera de afluente.

13. Un sistema caracterizado porque comprende una pluralidad de dispositivos de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, los dispositivos dispuestos en paralelo o en serie.

14. Un método para reducir la contaminación de un dispositivo de biopelícula de membrana por una biomasa, caracterizado porque comprende: proporcionar un dispositivo que tiene un tubo de núcleo central con una pared que define un lumen y una o más perforaciones en la pared, una pluralidad de filamentos huecos que rodean el tubo de núcleo, cada filamento tiene una pared que define un lumen interior y una superficie externa, y una caja que aloja el tubo de núcleo central y la pluralidad de filamentos huecos, introducir un líquido afluente en el tubo de núcleo central , introducir un gas en los lúmenes interiores de la pluralidad de filamentos huecos, el gas soporta el crecimiento de una biomasa en las superficies externas de los filamentos huecos, permitir que el liquido afluente fluya a través de una o más perforaciones para hacer contacto con la biomasa sobre las superficies externas de los filamentos, el flujo de líquido afluente define una trayectoria de flujo radial en el dispositivo, recolectar el agua residual en una o más lumbreras de descarga de contaminante dispuestas en la caja, en donde la trayectoria de flujo radial del líquido afluente reduce la contaminación del dispositivo por la biomasa .

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, se caracteriza además porque comprende recircular una primera porción de las aguas residuales a través del dispositivo.

16. El método de conformidad con la reivindicación 15, se caracteriza porque hacer recircular comprende recircular aproximadamente 40% a aproximadamente 50% de las aguas residuales a través del dispositivo.

17. El método de conformidad con la reivindicación 14, se caracteriza porque introducir un líquido comprende introducir líquido residual en el tubo de núcleo central en un primer extremo de un dispositivo, y la introducción de un gas comprende introducir un gas en un segundo extremo del dispositivo .

18. El método de conformidad con la reivindicación 14, se caracteriza además porque comprende introducir un gas de limpieza en el tubo de núcleo del dispositivo.

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, se caracteriza porque el gas de limpieza se introduce en una región inferior de la caja.

20. El método de conformidad con la reivindicación 14, se caracteriza además porque comprende lavar al introducir un líquido en una o más lumbreras de descarga de contaminante durante un ciclo periódico de lavado.

21. El método de conformidad con la reivindicación 20, se caracteriza porque el lavado comprende incluir un gas de limpieza en una región inferior del dispositivo durante el ciclo, periódico de lavado.