MX2012007494A - Digestion mejorada de biosolidos en aguas residuales. - Google Patents

Abstract

Se provee un método que realza la digestión biológica del sedimento del agua de desecho; el método usa dióxido de cloro para acelerar y mejorar la eficiencia de la digestión aeróbica o anaeróbica.

Description

DIGESTION MEJORADA DE BIOSOLIDOS EN AGUAS RESIDUALES CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a los sistemas y procesos para mejorar procesos de digestión biológicos. En particular, la invención se refiere a métodos para utilizar dióxido de cloro para mejorar la actividad microbiana de organismos específicos en procesos de digestión aeróbica o anaeróbica como procesos relacionados con el tratamiento de aguas residuales a través de la reducción de los organismos conflictivos que pueden o no ser agentes patógenos, y alterando mecánicamente la pared celular del sustrato (material orgánico) para facilitar el proceso haciendo que los nutrientes sean disponibles para el metabolismo por los organismos microbiológicos deseados.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En el tratamiento de aguas residuales municipales, se produce un lodo que contiene una cantidad sustancial de materia orgánica y nutrientes degradables. La reutilización benéfica de esta torta de lodos, o material de biosólidos se practica en todo el mundo.

Las aguas residuales entran a una planta de tratamiento de aguas residuales como afluente. Este afluente se somete normalmente a una cierta forma de eliminación biológica de nutrientes, después de lo cual los sólidos (lodos) se separan de la porción líquida (efluente) mediante algún tipo de depuración o proceso de sedimentación. El efluente se puede filtrar, desinfectar, y verter en aguas de la superficie o reutilizar. La porción de lodos se transfiere tradicionalmente a algún tipo de proceso de estabilización, en donde la materia orgánica degradable se descompone en un material de biosólidos no-putrescibles para desecho. Tres de los procesos más comunes utilizados para la estabilización de los lodos municipales en EE.UU. son la digestión anaeróbica, la digestión aeróbica, y el compostaje.

En el proceso de la digestión anaeróbica, los microorganismos descomponen el material biodegradable en el lodo en ausencia de aire. Los productos finales de esta degradación biológica son biosólidos estabilizados, y biogás, el cual está compuesto en gran parte de metano y dióxido de carbono. La cantidad de metano que resulta del proceso se relaciona directamente con la demanda biológica de oxígeno o la demanda química de oxígeno del lodo consumido en el proceso.

Mientras que el componente de carbohidratos y lípidos del lodo se degrada fácilmente, las proteínas están contenidas dentro de las paredes celulares, las cuales primero se deben descomponer para hacer que el contenido sea disponible fácilmente como nutriente para la digestión. Se han hecho intentos relacionados con el pre-tratamiento de los lodos con el fin de facilitar el proceso de digestión anaeróbica. Un ejemplo es el proceso Cambi® (5,888,307 y 6,913,700), el cual utiliza hidrólisis térmica (vapor de alta presión) para hacer que los nutrientes sean disponibles más fácilmente. Ejemplos anteriores incluyen los procesos Portous y Zimpro, los cuales se remontan a los años 1940-60. La hidrólisis térmica implica normalmente el pre-tratamiento del lodo activado de desecho elevando las temperaturas del lodo a ~135 °C durante 1-2 semanas, o a temperaturas más altas (185-200 °C) durante 30 minutos. Otro ejemplo de un proceso de pre-tratamiento de los lodos es el procesoOpenCel®, el cual utiliza alto-voltaje, pulsado (20-30 kV) para alterar las paredes celulares y membranas. Otro ejemplo más es el Desintegrador Corona®, el cual utiliza fuerzas mecánicas para cortar células y alterar paredes celulares y membranas. Cada uno de estos procesos es simila ren que todos ellos requieren capital y costos de operación altos.

Los inventores se han dado cuenta que sería deseable tener un método mejorado para hidrolizar o solubilizar los lodos Jo cual tiene como resultado altos grados de conversión de material orgánico degradable a biogás, tener capital y costos de operación bajos y ser escalable.

La presente invención representa un proceso innovador que ofrece un desempeño superior para el propósito destinado y tiene capital y costos de operación extremadamente bajos. Esto tiene como resultado una ventaja económica obvia sobre los métodos conocidos anteriormente.+ BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se proporciona un sistema para mejorar el proceso de digestión microbiana, el cual incluye el uso de dióxido de cloro para reducir las poblaciones de bacterias coliformes fecales y heterótrofas en las aguas residuales y para alterar la estructura de la pared celular de las bacterias en el lodo de las aguas residuales para que los nutrientes sean disponibles más fácilmente para la digestión.

En el proceso de digestión biológica en el tratamiento de aguas residuales, los microorganismos descomponen material biodegradable, convirtiendo el sustrato a dióxido de carbono y agua en el caso de la digestión aeróbica, o el metano y el dióxido de carbono en el caso de la digestión anaeróbica.

La práctica de inocular lodo crudo con lodo digerido es una práctica común en ambas digestiones aeróbica y anaeróbica, y un gran número de inóculos comerciales son disponibles conteniendo varios biocatalizadores y enzimas utilizados para este propósito. Si bien estos métodos sirven para proporcionar un cultivo "stock" de organismos específicos para su función, los inventores se han dado cuenta que estos organismos se enfrentan a una competencia por una fuente de alimentación. En el caso de la digestión anaeróbica en particular, la velocidad de degradación está restringida por la velocidad lenta de hidrólisis del lodo activado de desecho en formas biodisponibles que pueden ser utilizadas por metanógenos.

Los inventores han propuesto que un proceso nuevo que involucra dióxido de cloro ofrecerá ventajas económicas significativas sobre los métodos actuales, y proporcionará más control de los microbios involucrados en la digestión así como aumentará la digestión por los microbios deseados. El uso de dióxido de cloro para aumentar la digestión funciona mediante dos mecanismos primarios; 1 ) reduciendo la población de microorganismos no-benéficos antes de la siembra de un sistema con los organismos específicos que convienen mejor para su función, y 2) alterando las paredes celulares del material de sustrato para causar o facilitar la lisis celular, haciendo de esta manera que más nutrientes sean disponibles para los microorganismos.

Este método de exclusión competitiva aumentada proporciona beneficios significativos reduciendo el tiempo y la energía requeridos para el proceso de digestión que tendrá lugar, y aumentando la producción de gas en el caso de la digestión anaeróbica. El "acondicionamiento" del material de sustrato se evidencia por la demanda biológica de oxígeno aumentada del material tratado o demanda química de oxígeno soluble aumentada (s-COD, por sus siglas en inglés) del material de sustrato después de este proceso de tratamiento y por las altas temperaturas que se alcanzan y por las temperaturas que se elevan más rápidamente en el compostaje.

De conformidad con una modalidad, la invención se refiere a un proceso que involucra obtener una muestra de lodo crudo, agua residual u otra muestra que contiene sólidos biodegradables, someter la muestra a una cantidad de dióxido de cloro suficiente para reducir o eliminar los microbios presentes en la muestra y alterar las paredes celulares de material de biosólidos, inocular la muestra tratada con dióxido de cloro con un inoculo de microbios benéficos, y colocar la muestra inoculada en condiciones para facilitar la digestión aeróbica o anaeróbica. Se describen otras modalidades inventivas en este documento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La FIG. 1 muestra una gráfica que ilustra que la s-COD de aguas residuales puede aumentar sometiéndolas a una modalidad del método de la invención.

La FIG. 2 muestra una gráfica que ilustra el aumento en fosfato producido por el tratamiento de lodo activado de desecho (WAS, por sus siglas en inglés) como se describe con ciertas modalidades.

La FIG. 3 es un esquema de un sistema de tratamiento de aguas residuales rudimentario de una modalidad de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La invención objeto se dirige a métodos novedosos para utilizar dióxido de cloro para la digestión aumentada de lodos o biosólidos municipales. En una modalidad, el presente método puede proporcionar condiciones ideales para el compostaje acelerado (digestión aeróbica) de biosólidos municipales. En otra modalidad, el presente método se puede utilizar para facilitar la digestión anaeróbica con un aumento resultante en el rendimiento de metano del 50% o más contra biosólidos no-pretratados.

En la primera modalidad, el dióxido de cloro se utiliza para reducir la concentración de bacterias en el lodo activado de desecho antes del agotamiento del agua por cualquier método común. La torta de biosólidos resultante, que cumple con los requisitos de la Agencia de Protección Ambiental (EPA, por sus siglas en inglés) de EE.UU. para la reducción de patógenos para estándares de Clase B, posteriormente se siembra con cualquier mezcla de bacterias comercialmente disponibles que son apropiadas para procesos de compostaje, y el material se puede mezclar con desechos de madera o desechos verdes. Los biosólidos tratados por este método se pueden compostar rápida y económicamente para estándares de Clase A.

Se puede utilizar el compostaje utilizando cualquier método común, tales como, pero no limitados a Montones Volteados, Pila Estática Aireada (abierta o cerrada), Lecho Agitado Horizontal de Montones Volteados Aireados o Procesos en Recipiente (varios tipos). Sin embargo, en una modalidad preferida, el material se composta utilizando un método de pila estática de aire forzado en el cual la temperatura se regula mediante la adición de aire a la pila para prevenir que la temperatura exceda generalmente 65.56 °C de manera que las bacterias responsables de la digestión aeróbica, o de la degradación de la materia orgánica en los biosólidos no sean reducidas por temperaturas en la escala superior termofílica (65.56-81.1 1 °C). El método de esta invención cuando se lleva a cabo utilizando esta modalidad tiene el beneficio agregado de prevenir la formación de olores ofensivos como resultado de mantener un potencial de oxidación-reducción alto, inicialmente a través de la adición de dióxido de cloro (> +100 mV), y posteriormente a través de la aeración de la pila para mantener el potencial de oxidación-reducción (ORP, por sus siglas en inglés) en un rango positivo (> 0 mV) en el material tratado para prevenir la actividad de bacterias que reducen azufre y previniendo condiciones anaeróbicas en la pila. Las bacterias que reducen azufre son más activas en una escala debajo de un ORP de -100 mV.

Con respecto al WAS tratado con dióxido de cloro que posteriormente se siembra y se composta, el proceso de tratamiento permite que el proceso de compostaje ocurra de manera más rápida debido a que los biosólidos "acondicionados" no-digeridos contienen una fracción de sólidos volátiles mayor que la del lodo digerido y degradan más fácilmente, lo cual permite que la pila alcance temperaturas mayores más rápido. La falta de competencia por las fuentes de alimento entre bacterias coliformes fecales, otros agentes patógenos o bacterias potencialmente patogénicas permite una degradación más rápida del material por los organismos responsables del proceso de compostaje. Estas condiciones también proporcionan una exclusión competitiva de otros organismos no deseables o el rebrote potencial de agentes patógenos durante el proceso.

El tiempo reducido requerido para el compostaje para estándares de Clase A, combinado con los olores reducidos del proceso hacen que esto sea una opción viable para municipios que nunca hubieran considerado esta alternativa de bajo costo debido a los problemas de espacio disponible y olores del compostaje.

De conformidad con otra modalidad, la invención se refiere a un proceso que involucra obtener una muestra de lodo crudo, agua residual u otra muestra que contiene sólidos biodegradables, someter la muestra a una cantidad de dióxido de cloro suficiente para reducir concentraciones de coliformes fecales para satisfacer los estándares de clase B y alterar las paredes celulares de material de biosólidos, inocular la muestra tratada con dióxido de cloro con un inoculo de microbios benéficos tales como bacterias mesofílicas y termofílicas(u otros microbios) y/o actinomicetes, y compostar la muestra inoculada bajo condiciones para convertir la muestra a biosólidos de clase A. Una lista de ejemplos no limitativos de bacterias mesofílicas comunes incluye Listeha monocytogenes, Pesudomonas maltophilia, Thiobacillus novellus, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, y Clostridium kluyveri. Una lista no limitativa de ejemplos de bacterias termofílicas comunes incluye Bacillus stearothermophilus y bacterias del género Thermus. Una variedad de hongos termofílicos Rhizomucor pusills, Chaetomium thermophile, Humicola insolens, Humicola lanuginosus, Thermoascus aurabtiacus, y Aspergillus fumigatus.

Aquellos expertos en la técnica, provistos de las enseñanzas contenida sen este documento relativas a la reducción intencional de microbios en el material de desecho a través de un tratamiento oxidante y la siembra intencional (o inoculación) de microbios en el material de desecho tratado después del tratamiento, serán capaces de determinar las combinaciones óptimas de los microbios a utilizarse en inocular el material de desecho tratado, ya sea para la digestión anaeróbica, la digestión aeróbica, o el compostaje.

El tiempo reducido requerido para el compostaje para estándares de Clase A, combinado con los olores reducidos del proceso hacen que esto sea una opción viable para municipios que nunca hubieran considerado esta alternativa de bajo costo debido a los problemas de espacio disponible y olores del compostaje.

Los obstáculos principales para el compostaje de los municipios son el espacio/tiempo requerido para la operación, y los olores generados en el proceso. Las ventajas y características de las modalidades de la invención superan estos obstáculos: • El uso de dióxido de cloro para reducir la concentración bacteriana en los biosólidos. Esto reduce la competencia por los nutrientes de los microbios útiles en el proceso de compostaje. Debido a que el dióxido de cloro es altamente reactivo, se reducirá rápidamente de manera que no esté presente ninguna desinfección residual que interfiera con el proceso de compostaje.

• El uso de dióxido de cloro para "prep" el material (causar cierto grado de lisis celular). Esto hace que el material sea disponible más fácilmente para los microbios "buenos" para facilitar el proceso de compostaje.

• El uso de dióxido de cloro para reducir olores en el inicio, o material "stock" utilizado en el proceso de compostaje. Esta es la razón principal que más ayuda a no compostar.

• El uso de lodo no-digerido como una fuente stock es benéfico en cuanto a que proporciona más "alimento" para los microbios. Las temperaturas en la pila son normalmente más altas con lodo no-digerido. Esto no se puede realizar prácticamente sin dióxido de cloro, ya que los olores harían que el proceso fuera no utilizable.

• La velocidad aumentada de la digestión (compostaje) tiene un efecto marcado sobre la cantidad de tiempo y espacio que deben ser disponibles para que el proceso tenga lugar.

• El compostaje "en recipiente" reduce aún más los olores, y permitirá el uso del proceso en los climas más fríos.

• El costo para operar este proceso debe ser sustancialmente menos caro que el de otros métodos conocidos para generar biosólidos de Clase A.

El dióxido de cloro se puede generar de conformidad con métodos conocidos, véase por ejemplo WO 2010/126548; y PCT/US10/59208. Un sistema para tratar una muestra de aguas residuales en asociación con un sistema de tratamiento de aguas residuales se describe en la Solicitud Provisional norteamericana No. 61/328,383. Brevemente, refiriéndose a la FIG. 3, las aguas residuales 108 primero entran a las obras de toma 1 10 y posteriormente se transfieren a una estación de tratamiento biológico 115. La estación de tratamiento biológico 1 15 funciona principalmente para eliminar nutrientes disociados con biosólidos (y un bajo porcentaje de nutrientes asociados con biosólidos) en las aguas residuales para producir una muestra de aguas residuales reducida con nutrientes 1 16. La muestra de aguas residuales reducida con nutrientes 1 16 se transfiere a una depurador120, en donde la muestra de aguas residuales reducida con nutrientes 116 se divide en un componente efluente 121 y un componente de WAS 122. El componente efluente 121 se desecha.

El componente de WAS 122 se transporta en un conducto 124 y se somete a una zona de tratamiento de oxidante 125 que se alimenta mediante un generador de oxidante en el lugar 127 en comunicación fluida con la zona de tratamiento de oxidante 125. El conducto 124 incluye un componente de administración de oxidante 143, el cual puede estar integrado o separado del conducto, en donde el oxidante químico se administra al WAS en una manera controlada.

En una modalidad, tras el tratamiento de oxidante, el WAS 123 se transporta a un dispositivo de agotamiento del agua 140 (como una prensa de filtro de cinta o dispositivo de centrífuga) donde se elimina más agua del WAS para lograr una muestra de biosólidos concentrada 141 que tiene 12-30 por ciento de biosólidos. La muestra de biosólidos concentrada obtenida antes de la estación de agotamiento del agua 140 tiene un ORP mayor como resultado de la adición del oxidante. Tras el agotamiento del agua, los biosólidos deshidratados se pueden compostar para lograr biosólidos de clase A.

De conformidad con otra modalidad, tras el tratamiento de oxidante, el WAS 123 se transporta a un tanque de retención 210. Se permite que el WAS tratado se "acondicione" durante un período para permitir que ocurra la descomposición celular como resultado del tratamiento de oxidante. Esto puede ser durante un período de 1 , 2, 3, 4, 5, ó 6, o más horas. Normalmente, el tiempo de acondicionamiento en el tanque de retención es de 6-24 horas. Tras el tiempo de acondicionamiento, el WAS acondicionado se transfiere a un digestor 184. El digestor 184 conduce la digestión anaeróbica o aeróbica. En el contexto de la digestión anaeróbica para la producción de metano, el WAS acondicionado produce una fracción de COD soluble mayor, lo cual facilita el aumento de la producción de metano para cualquier volumen dado de lodo alimentado. Tras el tratamiento de oxidante, se pueden agregar de nuevo microbios benéficos al WAS para facilitar la digestión mejorada, Los microbios para la digestión incluyen bacterias acetogénicas y/o metanogénicas (algunas veces referidas como arqueobacterias).

Proceso de Tratamiento de Aguas Residuales Selección y Tratamiento Biológico El proceso del tratamiento de aguas residuales consiste de varias etapas secuenciales. Normalmente, las aguas residuales entran a una planta de tratamiento de aguas residuales en las obras de toma. Las obras de toma actúan como un sistema de eliminación de granos de arena primarios y materia exterior para una planta de tratamiento de aguas residuales. Las aguas residuales se transfieren de las obras de toma a una forma de unidad de tratamiento biológico ("BTU", por sus siglas en inglés) (es decir, una zanja de oxidación, un reactor por lotes secuenciales, un bioreactor de miembro, etc.). En la BTU, los nutrientes son eliminados de las aguas residuales. Normalmente, el crecimiento de microorganismos durante esta etapa de eliminación de nutrientes biológicos en el proceso de tratamiento de aguas residuales forma un témpano biológico que permite la separación de los componentes sólidos y líquidos de la corriente de desecho. Este material, el cual en los lodos saludables es un témpano café, está compuesto en su mayoría de bacterias saprotróficas pero también tiene una flora protozoaria importante compuesta principalmente de amibas, Spirotrichs, Peritrichs incluyendo Vorticellids y una gama de otras especies de alimentación de filtro.

Además, las aguas residuales se airean mientras tanto en la BTU. Someter las aguas residuales a organismos en combinación con la aeración para reducir el contenido de nutrientes es referido como "tratamiento biológico".

Depuración Después de la selección y del tratamiento biológico, las aguas residuales y la materia orgánica acumulada se envían a , un proceso de depuración. La depuración está en donde el agua, o efluente, se separa de los sólidos, o materia orgánica conocida como biosólidos. Una vez que las aguas residuales crudas de alcantarillado se han sometido al tratamiento biológico y a la depuración, la muestra de biosólidos se considera que es lodo activado de desecho ("WAS", por sus siglas en inglés). A partir de este momento, los biosólidos van normalmente a algún tipo de digestión.

Digestión El WAS acumulado después de la depuración debe tratarse y desecharse de una manera segura y efectiva. El propósito de la digestión es reducir la cantidad de materia orgánica y el número de microorganismos causantes de enfermedades presentes en los sólidos, y reducir el material orgánico degradable en el material. Las opciones de tratamientos más comunes incluyen digestión anaeróbica y digestión aeróbica.

La digestión anaeróbica es un proceso bacteriano que se lleva a cabo en ausencia de oxígeno. El proceso puede ser ya sea digestión termofílica, en la cual el lodo se fermenta en tanques a una temperatura de 55 °C, o mesofílica, a una temperatura de aproximadamente 36 CC. Aunque se permita un tiempo de retención más corto (y de esta manera tanques más pequeños), la digestión termofílica es más costosa en términos de consumo de energía para calentar el lodo.

La digestión anaeróbica es el tratamiento (mesofílico) más común de Aguas Negras Domésticas en Tanques Sépticos, que normalmente retiene las aguas negras, de un día a dos días, reduciendo la B. O. D. por aproximadamente 35 a 40 %. Esta reducción se puede aumentar mediante una combinación de anaeróbica y aeróbica instalando "Unidades de Tratamiento Aeróbico" (ATUs, por sus siglas en inglés) en el Tanque Séptico.

La digestión aeróbica es un proceso bacteriano que ocurre en presencia de oxígeno. Bajo condiciones aeróbicas, las bacterias consumen rápidamente materia orgánica y la convierten en dióxido de carbono. Los costos de operación utilizados son característicamente mucho mayores para la digestión aeróbica debido a la energía utilizada por los sopladores, bombas y motores necesarios para agregar oxígeno al proceso.

Agotamiento del agua En una etapa, tras la depuración y cualquier tratamiento posterior, el WAS se puede deshidratar antes de que se reutilice en forma benéfica. El WAS es a menudo solamente 3-5 por ciento de sólidos, por lo que la eliminación del agua del material es esencial para reducir el peso y el costo de tratamiento adicional o eliminación o reutilización. Una variedad de tecnologías se emplean para deshidratar biosólidos, incluyendo prensas de cinta, centrífugas, y otros dispositivos.

Potencial de Oxidación Reducción (ORP, por sus siglas en inglés): El potencial de Oxidación Reducción (también conocido como potencial redox, potencial de oxidación/reducción u ORP) es una medida de la tendencia de una especie química de adquirir electrones y con lo cual se reduce. El ORP se mide en voltios (V) o milivoltios (mV). Cada especie tiene su propio potencial de reducción intrínseco; el potencial más positivo, la afinidad más grande de las especies por electrones y tendencia a ser reducidas. Procesos biológicos diferentes ocurren bajo condiciones, o rangos de ORP diferentes. Por ejemplo, las bacterias metanogénicas funcionan a un ORP muy bajo (aproximadamente -300mV). Las bacterias que reducen azufre no funcionarán bien por arriba de niveles de ORP de -50 a 0 mV. La disminución rápida en el ORP después de la reducción completa de dióxido de cloro puede facilitar realmente la producción de metano con la digestión anaeróbica, y la elevación del ORP causada por la adición de dióxido de cloro y la aeración posterior para mantener el ORP en el rango positivo de mV puede prevenir el desarrollo de condiciones anaeróbicas en una pila de compostaje y la actividad de bacterias que reducen azufre durante la digestión aeróbica o el compostaje.

Partes por millón (PPM): Las partes por millón son una manera de expresar concentraciones muy diluidas de sustancias. Justo como por ciento significa fuera de un ciento, de manera que las partes por millón o ppm significan fuera de un millón. Generalmente describe la concentración de algo en agua o tierra. Una ppm es equivalente a 1 miligramo de algo por litro de agua (mg/l) o 1 miligramo de algo por kilogramo de tierra (mg/kg).

EJEMPLOS EJEMPL0 1 Se ha evaluado el uso de dióxido de cloro para reducir poblaciones de patógenos y bacterias heterotróficas en lodos municipales.

El tratamiento de lodos de aguas residuales no digeridos con dióxido de cloro permite que el material cumpla los requisitos de reducción de patógenos de Clase B antes de la digestión mediante la reducción de las concentraciones de coliformes fecales a niveles mucho más bajos que los del estándar de Clase B (< 2,000,000 bacterias coliformes fecales) con menos de 5 minutos de tiempo de contacto. La torta de biosólidos resultante no tiene olor. Los ejemplos de reducciones de coliformes fecales a proporciones de dosis variables de dióxido de cloro se enlistan en el Cuadro 1.

CUADRO 1 Resultados de la prueba a gran escala de lodos secundarios En esta prueba, el dióxido de cloro se generó en el lugar, y se inyectó (a concentraciones variables) en un flujo de lodo de 100 gpm pasando a través de un tubo de 10.16 centímetros (4 pulgadas) de diámetro. La longitud del tubo fue suficiente para permitir 10 minutos de tiempo de contacto entre el lodo y el dióxido de cloro antes del agotamiento del agua del material.

Si bien la generación de biosólidos de Clase B a bajo costo y olores reducidos es perfecta para muchas instalaciones, esta invención proporciona diversas opciones adicionales para los municipios. El WAS tratado con este método se puede compostar rápida y económicamente a estándares de Clase A. Después del agotamiento del agua, los biosólidos tratados por este método se han sembrado con microorganismos deseables y se han colocado en lechos de secado para secar la torta a -50% de sólidos totales, o se han mezclado con residuos verdes para permitir que el aire se transfiera a través de la pila. Los biosólidos posteriormente fueron compostados en montones o utilizando un método de pila estática de aire forzado. La siembra de microorganismos apropiados después de que se han reducido las bacterias coliformes fecales, proporciona un mejor ambiente para el compostaje más rápido. El compostaje en recipiente (una variación del método de pila estática de aire forzado) minimiza olores, y proporciona más control sobre variables de proceso. El uso de WAS permite que el proceso de compostaje ocurra rápidamente debido a que los biosólidos "acondicionados" no digeridos se degradan más fácilmente, lo que permite que la pila alcance temperaturas mayores más rápido.

La población de microorganismos activos en el proceso de compostaje es algo muy diversa, con una mezcla de especies de Streptomyces y Bacillus que está presente, así como un número de bacterias que no forman esporas. Los organismos que no forman esporas están presentes normalmente a temperaturas inferiores (por debajo de 55 °C). El número más grande de especies de Bacillus está presente entre temperaturas que varían de 55 a 69 °C.

La descomposición, o proporción de digestión de un proceso de compostaje se ve afectada negativamente por las temperaturas superiores a 60 °C, debido a que esto inactiva a los microorganismos responsables del compostaje. La capacidad de alcanzar la temperatura a la cual la inactivación de patógenos inicia (55 °C) rápidamente y, posteriormente regular esa temperatura a través del uso de un método de pila estática de aire forzado de compostaje de manera que la temperatura no inactive las bacterias responsables de la degradación biológica del material de sustrato, proporciona beneficios significativos sobre otros métodos de compostaje de biosólidos municipales.

EJEMPLO 2 En una segunda modalidad de esta invención, el WAS se puede tratar con la misma dosis o mayor que en la primera modalidad y se le puede permitir un tiempo de contacto prolongado, lo que resulta en un grado de oxidación mayor, lisis celular y liberación de materiales intracelulares, lo que resultará en una mayor disponibilidad de nutrientes y por lo tanto mucho mayor actividad microbiana. En una modalidad más específica, la proporción de dosis de dióxido de cloro es de 50-150 mg/l y el lodo se mantiene durante 24 horas. Como el dióxido de cloro oxida material en el lodo, se reduce a clorito. El clorito también es un oxidante, y se reduce adicionalmente mediante el contacto con material orgánico. El lodo resultante contiene una cantidad significativamente mayor de material biodisponible como una fuente de alimento para bacterias, más aún no tiene características de desinfección residuales. Esta segunda modalidad es especialmente significativa cuando el proceso de digestión posterior es anaeróbico, debido a que una mejora sustancial de la producción de metano se puede llevar a cabo a un costo extremadamente bajo.

El tratamiento de los lodos de aguas residuales no digeridos con dióxido de cloro solubiliza los lodos y hace que los nutrientes sean biodisponibles y, posteriormente alimentar este material en un digestor anaeróbico establecido una vez que se ha reducido el dióxido de cloro residual, mejora la producción de gas (metano) en un digestor anaeróbico. Una estimación generalmente aceptada para la producción de metano a 35 °C es 0.25 kg de metano por kg de COD consumida. Una kmol de metano equivale con una masa de 16 kg. Por definición, el equivalente de COD de 1 kmol de metano es la masa de la cantidad de oxígeno requerido para la oxidación completa de conformidad con la fórmula: CH4 + 2 02? CO2 + 2 H20 La masa de los 2 O2es 2 kmoles de oxígeno o 64 kg. De esta manera, 64 kg de Demanda de Oxígeno es equivale con 16 kg de metano, o de 1 kg de demanda de oxígeno (COD, por sus siglas en inglés) es equivalente con 16/64=0.25 kg de metano.

La FIG. 1 muestra los resultados de este proceso y el aumento resultante de la demanda química de oxígeno soluble (s-COD, por sus siglas en inglés) durante el tiempo a proporciones de dosis variables. El lodo activado de desecho (WAS, por sus siglas en inglés) se obtuvo a partir de una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (WWTP, por sus siglas en inglés) municipal local, la cual solamente quita la demanda biológica de oxígeno (cBOD, por sus siglas en inglés) y utiliza un sistema de oxígeno puro. Con el fin de obtener condiciones similares del experimento y ser consistentes con el experimento piloto anterior, la concentración de los sólidos se ajustó a aproximadamente 7 g/l. Se establecieron tres digestores y se trataron con dosificaciones de dióxido de cloro de 100, 150 y 200 mg/l, respectivamente. Los digestores se operaron durante 24 horas. Las muestras se tomaron a intervalos de 10 minutos, 1 h, 6 h, 12 h y 24 h para representar tiempos de contacto diferentes.

Este aumento en la COD soluble representa del 10-11 % de la concentración total de COD del lodo, y representa un 2000% de aumento en la COD soluble. Los inventores creen que la s-COD más alta tiene la capacidad más alta para la producción de metano. El aumento resultante en la producción de metano como resultado de este aumento de la digestión anaeróbica se ha medido como uno mayor que 50% de aumento utilizando este método, y se espera que esté en el rango de 100% o más sobre el WAS no-pretratado. Si una instalación está utilizando este biogás capturado para la producción de calor (-22.36 MJ/m3) o para la generación de electricidad, el impacto económico de esto es significativo.

Se encontró que el tiempo de contacto tuvo mayor impacto sobre el aumento de la concentración de COD soluble (Fig. 1)que la diferencia en la dosificación de dióxido de cloro. Con el tiempo de contacto más largo de 24 h, la concentración de COD soluble aumentó de 913 a 984 y 965mg/l cuando la dosificación de dióxido de cloro aumentó de 100 a 150 y 200mg/l, respectivamente. Esto confirmó que el tiempo de contacto del dióxido de cloro es el factor clave para la solubilización del WAS. La concentración de COD soluble aumentada se puede expresar como 10-1 1 % de TCOD que es bastante significativo. También se observó que la concentración de COD soluble a un tiempo de contacto de 6 horas fue de aproximadamente 55-66% de la COD soluble a un tiempo de 24horas. Esto sugiere que la solubilización rápida de WAS mediante tratamiento de dióxido de cloro ocurrió en las primeras 6 horas. El aumento de COD soluble correspondió a la destrucción de los sólidos volátiles de 4-6% con una dosificación diferente de dióxido de cloro.

Como se muestra en la Fig. 2, el aumento de NH fue de 3-5.2 mg. Se observó N/L en todos los tratamientos de dióxido de cloro. Esto se consideró insignificante. El aumento de PO4 fue mucho mayor e igualado a 16 a 28.3 mg. P/L después de 24 h. La liberación de fósforo mayor que la del nitrógeno se puede atribuir al tratamiento de dióxido de cloro el cual descompone las paredes celulares lo que resulta en la liberación de ortofosfato sin enlazar PO4-P. El nitrógeno en las células está en la forma de nitrógeno orgánico (aminoácidos) y las enzimas se requieren para convertir nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal. El pH bajo que resulta del tratamiento de dióxido de cloro pudo haber desactivado la actividad de la enzima, por lo tanto se detectó un aumento de NH4-N no/insignificante.

EJEMPLO 3 El tratamiento de lodos no-digeridos con dióxido de cloro y posteriormente sembrar el material con organismos apropiados bajo condiciones anaeróbicas puede mejorar la producción de biogás. Este método tendría el mismo beneficio cuando se utiliza junto con un proceso para producir diferencialmente hidrógeno, o "cosechar" hidrógeno antes de la metanogénesis como en la típica digestión anaeróbica. Un ejemplo de esta producción de hidrógeno sería cuando se utiliza en combinación con un reactor microbiano asistido bio-eléctricamente para generar gas de hidrógeno. Un ejemplo de este reactor está en la Patente norteamericana No. 7,491 ,453. De esta manera, en otra modalidad, la invención se refiere a un método para generar gas de hidrógeno mediante la obtención de una muestra de lodo crudo, agua residual u otra muestra que contiene sólidos biodegradables, someter la muestra a una cantidad de dióxido de cloro suficiente para reducir o eliminar los microbios presentes en la muestra y alterar las paredes celulares de material de biosólidos, inocular la muestra tratada con dióxido de cloro con un inoculo de microbios benéficos activos bajo condiciones anaeróbicas, y colocar la muestra inoculada bajo condiciones para facilitar la digestión anaeróbica asistida bio-eléctricamente o un método similar para producir gas de hidrógeno, y recolectar dicho gas de hidrógeno.

Debe tenerse en cuenta que todas las patentes, solicitudes de patente, publicaciones de patente, publicaciones técnicas, publicaciones científicas, y otros documentos referenciados en este documento se incorporan por referencia en esta solicitud con el fin de describir de manera más completa el estado de la técnica a la cual pertenece la presente invención.

La referencia a particulares reguladores de pH, medios, reactivos, células, condiciones de cultivo y similares, o a alguna subclase de los mismos, no están pensados como limitativos, sino que deben leerse para incluir a todos esos materiales relacionados que un experto ordinario en la técnica reconocería que son de interés o valor en el contexto particular en el cual se presenta esa discusión. Por ejemplo, a menudo es posible sustituir un sistema de regulación de pH o medio de cultivo por otro de tal manera que una forma diferente pero conocida se utilizada para alcanzar los mismos objetivos que aquellos a los cuales está dirigido el uso de un método, material o composición sugeridos.

Es importante para la comprensión de la presente invención tener en cuenta que todos los términos técnicos y científicos utilizados en este documento, a menos que se definan en la presente, se pretende que tengan el mismo significado que comúnmente es entendido por un experto ordinario en la técnica. Las técnicas empleadas en la presente también son aquellas que son conocidas por un experto ordinario en la técnica, a menos que se especifique lo contrario. Para propósitos de facilitar de manera más clara una comprensión de la invención como se describe y se reivindicada en la presente, se proporcionan las siguientes definiciones.

Aunque se han mostrado y descrito varias modalidades de la presente invención en este documento en el presente contexto, tales modalidades se proporcionan solamente a manera de ejemplo, y no de limitación. Numerosas variaciones, cambios y sustituciones ocurrirán para aquellos expertos en la técnica sin apartarse materialmente de la invención contenida en la presente. Por ejemplo, la presente invención no tiene que limitarse al mejor modo descrito en la presente, ya que otras aplicaciones pueden igualmente beneficiarse de las enseñanzas de la presente invención. También, en las reivindicaciones, las cláusulas de medios-más-función y de etapa-más-función tienen por objeto cubrir las estructuras y acciones, respectivamente, descritos en la presente para llevar a cabo la función recitada y no solamente los equivalentes estructurales o equivalentes de acciones, sino también las estructuras equivalentes o acciones equivalentes, respectivamente. En consecuencia, todas estas modificaciones están pensadas para ser incluidas dentro del alcance de la presente invención como se definen en las siguientes reivindicaciones, de conformidad con la ley pertinente en cuanto a su interpretación.

Claims (23)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1.- Un método para tratar un producto de aguas residuales, que comprende: introducir las aguas residuales en una unidad de tratamiento biológico para proporcionar aguas residuales que tienen un contenido reducido de nutrientes; separar las aguas residuales que tienen el contenido reducido de nutrientes para proporcionar un efluente y un lodo activado de desecho; poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro durante un período suficiente para reducir una concentración de microorganismos en el lodo activado de desecho y proporcionar un lodo activado de desecho tratado; digerir aeróbicamente el lodo activado de desecho tratado para proporcionar un lodo activado de desecho digerido; deshidratar el lodo activado de desecho digerido para proporcionar un producto deshidratado; sembrar el producto deshidratado con microorganismos para proporcionar un producto sembrado; secar el producto sembrado para proporcionar una torta que tiene aproximadamente 50% de sólidos totales; compostar la torta a una temperatura de menos de 60 °C para proporcionar el producto compostado.

2.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el período para poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro es de menos de 15 minutos.

3. - El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el período para poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro es de menos de 10 minutos.

4. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro comprende agregar el dióxido de cloro a una proporción de dosis en el rango de aproximadamente 30 a 160 mg/l del lodo activado de desecho.

5. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente agregar por lo menos un desecho de madera o un desecho verde antes de compostar.

6.- El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro comprende administrar dióxido de cloro a un lodo activado de desecho que está fluyendo a través de un conducto antes de digerir aeróbicamente el lodo activado de desecho.

7.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el producto compostado es un producto de biosólidos de Clase A.

8. - Un sistema para tratar aguas residuales, que comprende una fuente de aguas residuales; una unidad de tratamiento biológico conectada a una salida de la fuente de aguas residuales; un depurador conectado a una salida de la unidad de tratamiento biológico, el depurador tiene una salida de efluente y una salida de lodo activado de desecho; un digestor conectado a la salida de lodo activado de desecho; y un generador de dióxido de cloro conectado a la salida de lodo activado de desecho.

9. - El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque comprende adicionalmente un dispositivo de agotamiento del agua conectado a una salida del digestor.

10. - El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque comprende adicionalmente un recipiente para compostaje conectado a una salida del dispositivo de agotamiento del agua.

11. - El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque comprende adicionalmente una segunda salida del dispositivo de agotamiento del agua conectada a la fuente de aguas residuales.

12. - El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque el digestor es un digestor aeróbico.

13.- El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque comprende adicionalmente un lecho de secado conectado entre el dispositivo de agotamiento del agua y el recipiente para compostaje.

14. - Un método para aumentar la producción de metano en un proceso de tratamiento de aguas residuales que comprende: introducir aguas residuales en una unidad de tratamiento biológico para proporcionar aguas residuales que tienen un contenido reducido de nutrientes; separar las aguas residuales que tienen el contenido reducido de nutrientes para proporcionar un efluente y un lodo activado de desecho; poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro durante un período suficiente para reducir una concentración de microorganismos en el lodo activado de desecho y proporcionar un lodo activado de desecho tratado que tiene una concentración de COD soluble de aproximadamente 10% de la concentración total de COD del lodo activado de desecho tratado; y digerir anaeróbicamente el lodo activado de desecho tratado para proporcionar un lodo activado de desecho digerido y metano.

15. - El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque el período de poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro está en una escala de aproximadamente 6 a 20 horas.

16. -El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque el período de poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro es de aproximadamente 24 horas.

17. - El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque comprende adicionalmente sembrar el lodo activado de desecho tratado con microorganismos.

18. - El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro comprende agregar el dióxido de cloro a una proporción de dosis de 50 a 150 mg/l del lodo activado de desecho.

19. - El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque el metano se utiliza para proporcionar por lo menos uno de calor o electricidad.

20. - El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque la concentración de COD soluble es un 2000% de aumento en la concentración de COD soluble en comparación con un proceso de tratamiento de aguas residuales que no comprende poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro durante un período suficiente para reducir una concentración de microorganismos en el lodo activado de desecho y proporcionar un lodo activado de desecho tratado que tiene una concentración de COD soluble de aproximadamente 10% de la concentración total de COD del lodo activado de desecho tratado.

21. - El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque el metano producido es por lo menos 50% mayor que el metano producido en un proceso de tratamiento de aguas residuales que no comprende poner en contacto al lodo activado de desecho con una cantidad de dióxido de cloro durante un período suficiente para reducir una concentración de microorganismos en el lodo activado de desecho y proporcionar un lodo activado de desecho tratado que tiene una concentración de COD soluble de aproximadamente 10% de la concentración total de COD del lodo activado de desecho tratado.

22.- Un sistema para aumentar la producción de metano en un proceso de tratamiento de aguas residuales que comprende: una fuente de aguas residuales; una unidad de tratamiento biológico conectada a una salida de la fuente de aguas residuales; un depurador conectado a una salida de la unidad de tratamiento biológico, el depurador tiene una salida de efluente y una salida de lodo activado de desecho; un digestor conectado a la salida de lodo activado de desecho; y un generador de dióxido de cloro conectado a la salida de lodo activado de desecho.

23.- El sistema de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende adicionalmente un tanque de retención conectado entre el depurador y el digestor.