MX2013001878A - Remocion simultanea de fosforo y nitrogeno biologicos anoxicos con recuperacion de energia. - Google Patents

Abstract

Se proporcionan métodos y sistemas para tratar agua residual para remover simultáneamente nitrógeno, carbono, y fósforo, mientras se recupera energía en la forma de metano y dióxido de carbono. Una corriente que contiene amoníaco es dirigida a un tanque de pre-tratamiento que produce lodo excedente, biogás, y una corriente pre-tratada. La corriente pre-tratada tiene al menos 45% menos de carbono que la corriente que contiene amoníaco. La corriente pre-tratada entonces se dirige a un tanque anóxico, que promueve la liberación de fósforo y fermentación de partículas y materia orgánica disuelta. El licor mezclado se transfiere a un tanque aireado que tiene bajas concentraciones de oxígeno disuelto para promover el desarrollo de bacteria de liberación de fósforo que se recicla eventualmente al tanque anóxico a manera del lodo activado de retorno. En el tanque aireado ocurren nitrificación, desnitrificación y liberación de fósforo simultáneas. Un tanque de membrana separa el efluente tratado del lodo activado en un tanque de membrana.

Description

REMOCION SIMULTANEA DE FOSFORO Y NITROGENO BIOLOGICOS ANOXICOS CON RECUPERACION DE ENERGIA REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reclama prioridad a la Solicitud de E.U.A. No. 12/981,984, presentada el 30 de diciembre, 2010, titulada "Remoción Simultánea de Fósforo y Nitrógeno Biológicos Anóxicos con Recuperación de Energía", que es una solicitud de continuación en Parte de y reclamar prioridad a la Solicitud de E.U.A. No. 12/886,321 presentada el 20 de septiembre, 2010, titulada "Remoción Simultánea de Fósforo y Nitrógeno Biológicos Anóxicos", que se incorpora aquí por referencia en su totalidad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION La remoción de varios componentes de agua residual, tales como nitrógeno, carbono, y fósforo, puede ser un procedimiento difícil y de alto costo que en algunos casos puede requerir la adición de una fuente de carbono para procedimiento de tratamiento de agua residual. Adicionalmente, una alta concentración de oxígeno disuelto utilizada en muchos procedimientos de tratamiento de agua residual contribuye substancialmente al costo de uso de energía de una planta de tratamiento de agua residual. Una fuente de carbono, tal como metanol, puede agregarse al procediendo en un tanque anóxico, por ejemplo, para ayudar con desvitrificación. Además, un tanque aireado puede requerir altas concentraciones de oxígeno disuelto para promover oxidación de demanda de oxigeno biológico (BOD) y amoniaco. La adición de una fuente de carbono y el requisito de altas concentraciones de oxígeno disuelto, sin embargo, son costosas y contribuyen significativamente al gasto de tratar agua residual.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Las modalidades de la invención se definen por las reivindicaciones a continuación, no a esta breve descripción. Una revisión de alto nivel de varios aspectos de la invención se proporciona aquí por esa razón, para proporcionar una re.visión de la descripción, y para introducir una selección de conceptos que además se describe en la sección de descripción detallada a continuación. Esta breve descripción de la invención no pretendiente identificar características clave o características esenciales dei tema reclamado, ni pretende utilizarse como un auxiliar en aislamiento para determinar el alcance del tema reclamado.

En un primer aspecto, se proporciona un procedimiento para tratar agua residual para remover simultáneamente materia orgánica, nitrógeno y fósforo con recuperación de energía. El procedimiento incluye proporcionar una corriente que contiene amoníaco en un tanque de pre-tratamiento que produce, al menos, lodo excedente, biogás, y una corriente pre-tratada. La corriente pre-tratada tiene al menos 45% menos de carbono que la corriente que contiene amoníaco. Además, el biogás comprende al menos metano y dióxido de carbono. El procedimiento adicionalmente incluye hacer fluir la corriente pre-tratada y regresar lodo activado a un tanque anóxico que opera bajo condiciones anóxicas y mezclar la corriente pre-tratada y el lodo activado de retorno en el tanque anóxico para formar un licor mezclado, iniciando consecuentemente liberación y fermentación de fósforo de materia orgánica en partículas y materia orgánica disuelta. Además, el procedimiento incluye transferir el licor mezclado a un tanque aireado que opera bajo condiciones microaerófilas. Una concentración de oxígeno disuelto en e tanque aireado es menor que 1.0 mg/l de licor mezclado, que es efectivo para promover nitrificación simultánea, desnitrificación, liberación de fósforo, y captación de fósforo. También, el procedimiento incluye transferir el licor mezclado a un tanque de membrana que separa efluente tratado de lodo activado que contiene microorganismos. Una primera porción del lodo activado se regresa al tanque anóxico como el lodo activado de retorno.

En un segundo aspecto, se proporciona un método para reducir amoniaco en una corriente mientras recupera energía. El método incluye proporcionar corriente que contiene amoníaco en un tanque de pre-tratamiento que comprende microorganismos aeróbicos que reaccionan con la corriente que contiene amoníaco para producir y ocasionar corriente pre-tratada. Además, el método incluye contactar las fuentes pre-tratada con una corriente que contiene oxígeno bajo condiciones de tratamiento efectivas para formar una primera corriente de producto, la relación de amoniaco en la corriente pre-tratada a oxígeno en la corriente que contiene oxígeno que es de aproximadamente 2.28 g 02/g N-NH3 (2.28 g de oxígeno por gramo de nitrógeno en amoniaco) o menor. El método adicionalmente incluye exponer la primera corriente de producto a materia orgánica además bajo condiciones de tratamiento efectivas en una relación de aproximadamente 0.5 g de COD/g N-NH3 (0.57 g de demanda de oxígeno químico (COD) por gramo de nitrógeno en amoniaco) o menor.

En un tercer aspecto, se proporciona un sistema para tratar agua residual para remover simultáneamente materia: orgánica, nitrógeno, y fósforo con recuperación de energía. El sistema incluye pre-tratam iento que recibe agua residual entrante de planta y que comprende microorganismos anaerobicos que reaccionan con el agua residual entrante de planta para producir, al menos, biogás que comprende metano, lodo excedente, y una , corriente pre-tratada, la pre-tratada que tiene al menos 45% menos de carbono que el agua residual entrante de planta. El sistema también incluye un tanque anóxico que recibe la corriente pre-tratada y lodo activado de retorno. El tanque anóxico opera bajo condiciones anóxicas para promover desnitrificación, liberación de fósforo y fermentación de materia orgánica en partículas y materia orgánica disuelta. Además, el sistema incluye un tanque aireado que recibe un licor mezclado del tanque anóxico. Una concentración de oxígeno disuelto en el tanque aireado es menor que 1.0 mg/l del licor mezclado para promover efectivamente el desarrollo de bacteria de liberación de fósforo que está presente en el lodo activado de retorno recibido en el tanque anóxico. La bacteria de liberación de fósforo en el lodo activado de retorno permite la liberación de fósforo y fermentación de materia orgánica en partículas en el tanque anóxico. El s istema adicionalmente incluye un tanque de membrana que separa agua residual de efluente de planta del lodo activado, una porción del cual se recicla al tanque anóxico como el lodo activado de retorno.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Las modalidades ilustrativas de la presente invención se describen en detalle a continuación con referencia a las figuras anexas, y en donde: La Figura 1 i lustra una lista esquemática de un procedimiento de tratamiento de agua residual, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 2 ilustra una vista esquemática de un procedimiento de tratamiento de agua residual alterno, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 3 ilustra una disminución de uso de energía en una planta de tratamiento de agua residual como un resultado de implementación de modalidades de la presente invención; La Figura 4 ilustra una disminución tanto de amoniaco como de fosfato cuando las modalidades de la presente invención se implementan en una planta de tratamiento de agua residual; La Figura 5 ilustra una gráfica de barras que muestra las concentraciones de fósforo, oxígeno disuelto, y nitratos en cada tanque; La Figura 6 ilustra una vista esquemática de un procedimiento de tratamiento de agua residual con recuperación de energía, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 7 ilustra una vista esquemática de un procedimiento de tratamiento de agua residual que utiliza un reactor de cubierta de lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB), de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 8 ilustra una vista esquemática de un procedimiento de tratamiento de agua residual que utiliza tratamiento primario químicamente mejorado (CEPT), de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 9 ilustra una vista esquemática de un procedimiento de tratamiento de agua residual que utiliza un sistema de lodo activado de una etapa de acuerdo con una modalidad de la presente invención; ; La Figura 10 ilustra una vista esquemática de un procedimiento de tratamiento de agua residual que utiliza un sistema de lodo activado de una etapa, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 11 ilustra una gráfica de barras que muestra una comparación de intensidad de energía que utiliza varios sistemas de tratamiento de agua, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; y La Figura 12 ilustra una gráfica de barras que muestra una comparación de generación de energía de biogás, de acuerdo con una modalidad de lá presente invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION El tema de las modalidades de la presente invención se describe con especificación aquí para satisfacer requisitos obligatorios. Pero la misma descripción no pretende limitar necesariamente el alcance de las reivindicaciones. Más bien,, el tema reclamado puede representarse en otras formas para incluir diferentes pasos o combinaciones de pasos similares a los descritos en' este documento, en conjunto con otras tecnologías presentes o futuras. Los términos no deben interpretarse como implicando cualquier orden particular entre dos o más varios pasos aquí descritos a menos y excepto cuando se describe explícitamente el orden de pasos individuales.

La Figura 1 ilustra una vista esquemática de un procedimiento de tratamiento de agua residual 10. Más específicamente, el procedimiento de tratamiento de agua residual proporciona un método eficiente de energía y de costo para la remoción simultánea de nitrógeno, fósforo, y materia orgánica de agua residual entrante de planta. Aunque muchos sistemas requieren una fuente de carbono externa y altos niveles de oxígeno disuelto, las modalidades de la presente invención no requieren ninguno, y de hecho requieren cantidades muy bajas de oxígeno disuelto y carbono en comparación con cantidades típicamente utilizadas en sistemas de tratamiento de agua residual. Por ejemplo, muchos sistemas requieren una fuente de carbono externa para remoción de fósforo y remoción de nitrógeno, pero en modalidades de la presente invención, la remoción de nitrógeno requiere únicamente cantidades mínimas de carbono, ya que utiliza la mayoría del amoniaco. Además, la remoción de fósforo utiliza carbono disuelto y en partículas (por ejemplo, materia orgánica en partícula) que está presente en el agua residual, en lugar de únicamente carbono disuelto o una fuente de carbono externa. En la modalidad de la Figura 1, se utilizan tres tanques separados para remover simultáneamente nitrógeno, fósforo, y materia orgánica de agua residual entrante de planta 12. Como se utiliza aquí, el agua residual entrante de planta 12 es agua residual bruta que aún no ha sido tratada y por lo tanto aún no ingresa a un sistema de tratamiento de agua residual, tal como los sistemas de tratamiento de agua residual que se describen aquí.

Un primer tanque mostrado en la Figura 1 es un tanque anóxico 16 que recibe al menos dos corrientes, que incluyen el agua residual entrante de planta 12 y lodo activado de retorno 14. Como se discutirá aquí adicionalmente, el lodo activado de retorno 14 es una porción del lodo activado que se recicla del tercer tanque, o el tanque de membrana 20, en uno o más de los otros tanques, tal como el tanque anóxico 16. Como se utiliza aquí, el lodo activado es una corriente que se ha separado del efluente de planta. Esta corriente de lodo activada contiene una masa microbiana, además de nitratos y oxígeno disuelto. La masa microbiana incluye una variedad de componentes biológicos, que incluyen bacterias, hongos, protozoarios, rotíferos, etc. Aunque tanto microorganismos heterotróficos como autotróficos pueden residir en el lodo activado, los mecanismos de heterotróficos típicamente predominan. Los mecanismos heterotróficos obtienen energía de materia orgánica carbonosa en agua residual entrante de planta para la síntesis de nuevas células. Estos microorganismos entonces liberan energía a través de la conversión de materia orgánica en compuestos, tal como dióxido de carbono y agua. Los microorganismos autotróficos en lodo activado generalmente reducen compuestos de carbono oxidado, tal como dióxido de carbono, para crecimiento celular. Estos microorganismos obtienen su energía al oxidar amoniaco a nitrato, conocido como nitrif icación , que además se describe aquí.

Como se mencionó anteriormente, el lodo activado de retorno 14 es una porción de lodo activado que se produce por el paso de separación (por ejemplo, tanque de membrana o birreactor de membrana) al final del procedimiento de tratamiento. El lodo activado de retorno 14 se recicla en el tanque anóxico 16 y proporciona al tanque con masa microbiana, oxígeno residual, nitratos, y nitritos. Se debe observar que la liberación de fósforo típicamente no ocurre en tanques anóxicos con lodo activado de retorno que tiene nitratos y oxígeno disuelto, pero en modalidades de la presente invención, la liberación de fósforo ocurre en el tanque anóxico 16. La liberación de fósforo ocurre debido a que la bacteria que se utiliza para consumir fósforo también está presente en el lodo activado de retorno 14. Adicionalmente, la liberación de fósforo ocurre debido a la hidrólisis activa y condiciones de fermentación de materia orgánica en partículas presente en el agua residual entrante. Como se utiliza aquí, la hidrólisis es la descomposición de materia orgánica polimérica en monómeros por acción microbiana. En una modalidad, hidrólisis se refiere a una reacción química durante la cual las moléculas de agua se dividen en cationes de hidrógeno y; aniones de hidróxido en el procedimiento de un mecanismo químico. Este tipo de reacción se utiliza para descomponer ciertos polímeros. Como tal, en lugar de sólo utilizar materia orgánica disuelta como la fuente de carbono para remoción de fósforo, las modalidades de la presente invención permiten que se utilice tanto materia orgánica disuelta como en partículas como una fuente de carbono para remoción de fósforo. Normalmente la materia orgánica en partículas no puede utilizarse, debido a que se fermenta aquí, puede utilizarse como una fuente de. carbono, eliminando de esa forma la necesidad de una fuente de carbono externa.

En agua residual, ocurre materia orgánica como materia orgánica en partículas y materia orgánica disuelta. Se utilizan tres pruebas principales para determinar la materia orgánica en agua residual. Estos incluyen demanda de oxígeno biológico (BOD), carbono orgánico total (TOC), y demanda de oxígeno químico (COD).. Diferente a la materia orgánica disuelta, la materia orgánica en partículas toma la forma de sólidos suspendidos encontrados en agua residual. Como además se discute aquí, la materia orgánica en partículas se somete al procedimiento de hidrólisis para convertir las partículas en sólidos solubles, permitiendo de esa forma velocidades más altas de remoción de fósforo cuando las modalidades de la presente invención se utilizan.

La liberación de fósforo y la captación de fósforo se refieren al procedimiento de organismos de acumulación de fósforo (PAO) que almacenan polifosfato como una reserva de energía en gránulos intracelulares. En condiciones anaeróbicas, los PAO liberan ortofosfato, utilizando la energía para acumular orgánicos simples y almacenarlos como polihidroxialcanoatos (PHA). En condiciones aeróbicas, o al menos condiciones en donde hay algo de oxígeno, nitritos, o nitratos presentes, los PAO crecen en el material orgánico almacenado, utilizando algo de la energía para tomar ortofosfato y almacenarlo como polifosfato. Como tal, cuando los PAO almacenan carbono para crecimiento futuro, los PAO también liberan fósforo, algunas veces simultáneamente. Cuando los PAO utilizan carbono almacenado, captan fósforo utilizando preferencialmente nitrito como un aceptador de electrón. Como además se describirá aquí, un tanque aireado tiene bajos niveles de oxígeno disuelto, pero los PAO a un captan fósforo. Cuando está presente óxido, nitrito, o nitrato, los PAO pueden sacar energía del carbono. Por lo tanto cuando el carbono es abundante, los PAO almacenan en sus células y esperan hasta que hay condiciones en donde está presente un aceptador de electrón para que puedan utilizar el carbono para crecimiento y captar fósforo. El fosfato entonces se remueve en el lodo activado de desperdicio 26, que generalmente es el lodo activado que no se recicla al tanque anóxico 16. El desarrollo de la población PAO se discutirá adicionalmente aquí. El tanque anóxico 16 opera bajo condiciones anóxicas para que haya poco o nada de oxígeno disuelto, pero pueden estar presentes nitratos (por ejemplo N02 y N03). Se mantiene un déficit de oxígeno continuo en el tanque anóxico.

El tanque anóxico 16, en una modalidad, tiene una mezcladora que mezcla el agua residual entrante de planta 12 y el lodo activado de retorno 14 para formar un licor mezclado. El licor mezclado, como se utiliza aquí, simplemente se refiere a una mezcla de agua residual entrante de planta 12 y lodo activado de retorno 14. La velocidad de mezclado puede ajustarse, además de ajustar la velocidad de flujo del lodo activado de retorno 14, para controlar la liberación de fósforo en el tanque anóxico 16. Se debe observar que la adición de una fuente de carbono externa, tal como metanol, se evita en modalidades de la presente invención para que no haya fuente de carbono adicional necesaria para llevar a cabo modalidades de la presente invención. Además de liberación de fósforo, también ocurre desnitrificación en el tanque anóxico 16. La desnitrificación es la descomposición de nitritos o nitratos para emitir nitrógeno, y ocurre a medida que los microbios consumen oxígeno de los nitritos o nitratos. Más específicamente, la desnitrificación es un procedimiento microbianamente facilitado de reducción de nitrato de disimilación que finalmente produce nitrógeno molecular (N2), que se regresa a la atmósfera. Se convierte en nitratos y nitritos en gas de nitrógeno a manera de un procedimiento de desnitrificación. La desnitrificación generalmente reduce formas oxidadas de nitrógeno en respuesta a la oxidación de un donador de electrón, tal como materia orgánica que, aquí como está presente en el lodo activado de retorno 14. Este procedimiento se realiza principalmente por microorganismos heterotróficos en un ambiente en donde se vacía oxígeno, o en donde el consumo de oxígeno excede la velocidad de suministro de oxígeno, tal como el tanque anóxico 16 y el tanque aireado 18. Al utilizar las modalidades de la presente invención, el procedimiento de desnitrificación también se conduce por nitrifícadores autotróficos bajo condiciones de bajo oxígeno disuelto en el tanque anóxico 16 y el tanque aireado 18. Las siguientes reacciones ilustran el procedimiento de desnitrificación, que incluye una reacción de reducción-oxidación ilustrativa: (1) N03"?N02"-»NO + N20?N2(g) (2) 2 N03' + 10 e" + 12 H +?N2 + 6 H20 La materia orgánica en partículas y la materia orgánica disuelta del agua residual entrante de planta 12 se fermentan en el tanque anóxico. Las condiciones en el tanque anóxico en modalidades de la presente invención inducen altas velocidades de hidrólisis y fermentación de materia orgánica en partículas, que proporcionan materia orgánica fermentada en exceso de lo que es necesario para la reacción de desnitrificación, permitiendo la liberación simultánea de fósforo y la formación de PHA. La fermentación de materia orgánica en partículas permite que se utilice carbono adicional para remoción de fósforo. El tiempo de detención promedio del flujo de agua residual entrante en el tanque anóxico puede variar de una hora a diez horas. En una modalidad, la concentración de oxígeno disuelto en el tanque anóxico es menor que 0.3 mg/l. En modalidades adicionales, la concentración de oxígeno disuelto en el tanque anóxico es menor que 0.2 mg/l. En una modalidad incluso adicional, la concentración de oxígeno disuelto en el tanque anóxico es 0.1 mg/l o menor. Además, las velocidades de recirculación del lodo activado de retorno pueden variar entre 0.3 a seis veces la velocidad de flujo entrante.

El licor mezclado anóxico se transfiere a un tanque aireado 18. Aunque un tanque aireado individual 18 se ilustra en la Figura 1, pueden utilizarse múltiples tanques aireados, y pueden configurarse ya sea en paralelo o en serie. Alternativamente, se puede utilizar un tanque aireado, pero el tanque aireado puede tener más de un compartimento a través del cual fluye el licor mezclado. El propósito de tener más de un compartimento es mejorar las condiciones cinéticas del procedimiento global que minimiza el volumen de tanque. Opcionalmente, se transfiere una porción de lodo activado en el tanque aireado para proporcionar una población microbiana adicional necesaria para fermentar la materia orgánica en partículas y disuelta y para promover liberación de fósforo. Esto es ventajoso en aquellos casos en donde las concentraciones de nitrato en el tanque de membrana son excesivamente altas. Diferente a muchos tanques aireados, el tanque aireado 18 proporcionado en las modalidades de la presente invención opera bajo concentraciones de oxígeno disuelto muy bajas, tales como condiciones microaerófilas, que promueve el desarrollo de la población microbiana (por ejemplo, organismos de acumulación de fosfato (PAO)) utilizados; para liberación y captación de fósforo. Generalmente, esta población bacteriana es capaz de almacenar fósforo, tal como en la forma de polifosfatos, y lo metaboliza para la producción de energía y síntesis celular, resultando en la remoción de fósforo del sistema a través del lodo activado. Esta población microbiana particular es incapaz de desarrollar en donde existen concentraciones altas de oxígeno dis.uelto. Ya que esta población bacteriana particular es capaz de desarrollarse en el tanque aireado 18, también está presente en el lodo activado de retorno 14 que se recicla el tanque anóxico 16, permitiendo consecuentemente la liberación de fósforo en el tanque anóxico 16. La captación de fósforo puede ocurrir simultáneamente con liberación de fósforo en el tanque aireado 18.

Además de la liberación de fósforo y la captación de fósforo, la nitrificación y la desnitrificación también ocurren en el tanque aireado 18. En una modalidad, la nitrificación, desnitrificación, y liberación de fósforo ocurren simultáneamente en el tanque aireado 18. Como se describió previamente, la desnitrificación es un procedimiento microbianamente facilitado de reducción de nitrato de disimilación que finalmente produce gas de nitrógeno al reducir formas oxidadas de nitrógeno. La nitrificación, por otro lado, es la descomposición de amoníaco en nitrato y agua. Más particularmente, la nitrificación es la oxidación biológica de amoníaco con oxígeno en nitrito seguido por oxidación de nitritos en nitratos. Dos grupos de organismos generalmente son responsables de la oxidación de amoníaco de nitrito. Estos dos grupos son bacterias de. oxidación amoníaco (AOB) y arqueas de oxidación de amoníaco (AOA). Un segundo grupo es bacteria de oxidación de nitrito, NOB es responsable de oxidación de nitritos a nitratos. Las siguientes ecuaciones representan el procedimiento desnitrificación: (3) NH3 + C02 + 1.502 + AOA/AOB? N02' + H20 + H + (4) , N02" + C02 + 0.5 02 + NOB? N03' (5) NH3 + 02? NCV + 3H+ + 2e" (6) N02" + H20 ? NCV + 2H+ + 2e' En modalidades de la presente invención, sin embargo, las reacciones representadas por las ecuaciones (4) y (6) ocurren en un mínimo, reduciendo de esa forma la necesidad de oxígeno y obteniendo ahorros significativos en uso de energía. En algunas modalidades, se encuentran muy pocos o nada de nitratos en el licor mezclado debido a que las reacciones (4) y (6) son de un porcentaje pequeño del procedimiento global que en la ecuación (1) anterior, principalmente son nitritos en lugar de nitratos que se convierten a gas de nitrógeno. Como tal, en la ecuación (2), existen menos de 10 electrones necesarios para convertir nitrito a gas de nitrógeno. En modalidades de la presente invención, estos electrones, en lugar de venir de metanol u otra fuente de carbono externa, vienen de amoníaco. En modalidades de la presente invención, las bacterias PAO también pueden utilizar nitritos como aceptadores de electrón para desnitrificación. Esto se discutirá en más detalle a continuación. Como se muestra por las reacciones (3) y (5) anteriores, se utiliza amoníaco para convertir nitritos en gas de nitrógeno. Ya que no se requiere una fuente de carbono externa, algo del amoníaco se utiliza para reacciones (3) y (5), pero algo del amoníaco también se utiliza como una fuente de reducción de electrones para desnitrificación. Esto es cómo puede ocurrir la nitrificación y desnitrificación en sistemas con bajas concentraciones de oxígeno y sin una fuente de carbono externa.

Además, las condiciones microaerófilas permiten la fermentación de materia orgánica en partículas y disueltas en el tanque aireado 18, que típicamente no ocurrirían con concentraciones superiores de oxígeno disuelto.

Como se mencionó anteriormente, la nitrificación y desnitrificación ocurren tanto en tanques anóxicos como aireados, de cuero con modalidades de la presente invención. La nitrificación-desnitrificación convencional se representa por reacciones (7), (8), y (9) a continuación. La reacción (9) es el neto de reacciones (7) y (8). Muchas veces, esta secuencia de reacciones requiere alta concentración de oxígeno disuelto y una fuente de carbono externa. Aquí, aproximadamente 4.57 g de 02 por gramo de N-NH3 se requieren para reacción (7) y aproximadamente 2.86 g de COD-O2 por gramo de N-N03 se requieren para reacción (8). Las ecuaciones son como sigue: (7) 1NH3 + 202? IHNO3 + H20 (8) IHNO3 + Materia Orgánica? 1/2N2 + H20 Las reacciones (9) y (10) a continuación ilustran un procedimiento denominado un atajo de nitrificación en donde la reacción inicial, o reacción (10) se impulsa únicamente para nitrato, que resulta en ahorros que necesitan tanto demanda de oxígeno como materia orgánica. Aproximadamente 3.43 g de 02 por gramo de N-NH3 se requieren para la reacción (9) y aproximadamente 1.71 g de COD-O2 por gramo de N-NH3 se requieren para la reacción (10). En un caso, cuando se compara el primer grupo de reacciones anterior (reacciones (7)-(8)) con el segundo grupo de reacciones a continuación (reacciones (9)-(10)), disminuye la demanda de oxígeno por aproximadamente 25% (4.57 g de 02/g de N-NH3. -3.43 g de 02/g N-NH3 = 1.15 g de 02/g de N- H3) y la necesidad de materia orgánica disminuye por aproximadamente 40% (2.86 g de 02/g de N-NOa-1.71 g de 02/g de N-NH3 = 1.15 g de COD/g de N-NH3). Este grupo de reacciones ocurre en el tanque anóxico y el tanque aireado con bacterias PAO, que es preferencialmente catalizan la reacción (10) a continuación. (9) 1NH3 + 3/2 02? 1HN02 + 1HzO (10) IHNO2 + Materia Orgánica? ½ N2 + H20 El grupo de reacciones a continuación etiquetado (11) y (12) ocurren en el tanque anóxico y en el tanque aireado. En algunos casos, este grupo de reacciones se denomina como un procedimiento de nitrificación-desnitrificación. Como se muestra en la ecuación (11) , se convierte amoníaco y oxígeno en gas de nitrógeno, ácido nitroso, y agua. La materia orgánica entonces se utiliza para convertir el ácido nitroso en gas de nitrógeno, agua, y dióxido de carbono. Aproximadamente 2.28 g de 02 por gramo de ?-??3 se requieren para reacción (11) y aproximadamente 0.57 g de COD por gramo de N-NH3 se requiere para reacción (12). Cuando se comparan los tres grupos de reacciones, este tercer grupo de reacciones (reacciones (13)-(15) requiere la menor cantidad de oxígeno. Los ahorros en materia orgánica son de aproximadamente 80% (2.86 g de 02/g de N-NO3-0.57 g de COD/g de N-N H3 = 2.29 g de 02/g de N) cuando se compara la cantidad de materia orgánica requerida para el tercer grupo de reacciones bajo el primer grupo de reacciones (reacciones (7)-(8)). Además, los ahorros en oxígeno requeridos entre el primer y el tercer grupo de ecuaciones es de aproximadamente 50% (4.57 g de 02/g de N-NH3-2.28 g de 02/g de N-NH3 = 2.28 g de 02/g de N). ( (11) 1NH3 + 102? 1/3 N2 + 1/3 HN02 + 4/3 H20 (12) 1/3 HNO3 + Materia Orgánica? 1/6 N2 + H20 + C02 Regresando a la Figura 1, el licor mezclado entonces se transfiere del tanque aireado 18 a un tercer tanque, aquí mostrado como un tanque de membrana 20, para un paso de separación de sólido-líquido en donde los microorganismos están separados del agua tratada. En procedimientos de lodo activado, tales como aquellos aquí descritos, se transforman los contaminantes orgánicos disueltos en agua, dióxido de carbono, y biomasa, que resulta en una producción excedente del lodo. El tanque de membrana 20 separa este lodo del efluente de planta tratado 22. En una modalidad, el tanque de membrana es un birreactor de membrana que es una combinación de un procedimiento de membrana (po ejemplo, microfiltración, ultrafiltración, fibra hueca, lámina plana, tubular) con un birreactor de crecimiento suspendido. Un birreactor se refiere a un dispositivo que soporta un ambiente biológicamente activo. Debido a que un birreactor debe asociarse con una unidad de separación para recuperar la biomasa y el líquido purificado, y de las ineficacias e inconveniencia de unidades separadas, los birreactores de membrana se utilizan para proporcionar resultados ¡guales o mejores, pero en una unidad individual. Como tal, un birreactor de membrana es una asociación de un reactor biológico y una filtración de flujo cruzado. En un caso, el tanque de membrana 20 es aireado para proporcionar turbulencia de agua para restregar el filtro de membrana sumergido. En una modalidad, el filtro de membrana utilizó microfiltración, pero en otra modalidad, se utiliza ultrafiltración.

El resultado de ultraf iltración de membrana que ocurre en el tanque de membrana 20 es al menos dos corrientes de salida, que incluyen efluente de planta tratada 22 y lodo activado 24, una porción del cual se recicla el tanque anóxico 16, y en algunas modalidades, al tanque aireado 18. Como se utiliza aquí, el efluente de planta tratada 22 es la corriente que sale del tercer tanque que se ha tratado para la remoción de carbono, nitrógeno, fósforo, y otros constituyentes no deseados. El lodo activado excedente se muestra como lodo activado 26. La cantidad de lodo activado 24 que se recicla al tanque anóxico 16 varía, pero en algunas modalidades varía en cualquier lugar de 50% a 600% de la cantidad de agua residual entrante de planta 12 que ingresa al tanque anóxico 16. Como tal, para cada 3.78 litros de agua residual entrante de planta 12, pueden agregarse de 1.89 a 22.72 litros de lodo activado de retorno 14 al tanque anóxico 16. En una modalidad alternativa, el tercer tanque en la modalidad de la Figura 1, aunque se ilustra como un tanque de membrana 20, es un clarificador. Los clarificadores son tanques utilizados para separar, espesar, y reciclar el lodo activado. Típicamente, los clarificadores tienen un espacio mucho mayor que birreactores de membrana.

Haciendo referencia ahora a la Figura 2, se ilustra una vista esquemática de un procedimiento de tratamiento de agua residual alterno. Un tanque anóxico 16a, un tanque aireado 18a, y un tanque de membrana 20a se ilustran en la modalidad de la Figura 2 y operan similarmente a aquellos descritos en la Figura 1. Aquí, se agrega un tanque anaeróbico 28 corriente abajo de, o después del tanque anóxico 16a y corriente arriba de, o antes del tanque aireado 18a. Generalmente, el tanque anaeróbico 28 opera bajo condiciones anaeróbicas, o bajo la ausencia de oxígeno. El tanque anaeróbico 28 es un tanque no aireado, para que no haya oxígeno agregado y no haya nitratos. Los contenidos se mezclan en el tanque anaeróbico 28 para esté presente una mezcladora. La modalidad de la Figura 2, o específicamente en donde se agrega un tanque anaeróbico 28 al sistema, se utilizan condiciones en donde las características de la materia orgánica presente en la corriente de agua residual entrante son tales que se necesita tiempo de retención adicional tanto para hidrólisis como fermentación de la materia orgánica en partículas. En una modalidad, la liberación de fósforo adicional se lleva a cabo en el tanque anaeróbico 28. Similar al descrito en la Figura 1, el agua residual entrante 12a se mezcla con lodo activado de retorno 14a en un tanque anóxico 16a. El licor mezclado se transfiere primero a un tanque anaeróbico 28, después a un tanque aireado 18a, y finalmente a un tanque de membrana 20a. Saliendo del tanque de membrana 20a está el efluente de planta tratado 22a y el lodo activado 24a. Una porción del lodo activado 24a se recicla al tanque anóxico 16a como lodo activado de retorno 14a, y opcionalmente, también se recicla una porción al tanque aireado 18a. El lodo activado residual 26a, en una modalidad, se desecha.

La Figura 3 ilustra una gráfica de línea 300 mostrando una disminución de uso de energía en una planta de tratamiento de agua residual como un resultado de la implementación de modalidades de la presente invención. Como se menciona, cuando se mantienen concentraciones de oxígeno disuelto a un mínimo en el tanque aireado, los costos de uso de energía disminuyen significativamente, ya que la adición de costos de oxígeno disueltos puede equivaler a 50% de costos de energía total para una planta de tratamiento de agua residual. Como se indica por "prueba iniciada", la tecnología aquí descrita se probó y se encontró que los costos de energía disminuyeron significativamente al menos parcialmente debido a las bajas cantidades de oxígeno disuelto requeridas en el tanque aireado. Como se muestra, antes de la prueba, el uso de energía más alto es de aproximadamente 64,000 kWh/mes, mientras el más alto después de la prueba es de aproximadamente 54,000 kWh/mes, aunque los niveles alcanzaron cantidades muy inferiores para meses previos.

Cambiando ahora a la Figura 4, se ilustra una gráfica de barras 400 que muestra una disminución de amoníaco y fosfato cuando se implementan modalidades de la presente invención en una planta de tratamiento de agua residual. Como se muestra aquí, las concentraciones entrantes de amoníaco fueron de aproximadamente 72 mg/l, pero cayeron aproximadamente 1 mg/l después que se trató el agua residual entrante de planta utilizando los métodos de tratamiento aquí descritos. Además, las concentraciones entrantes de fosfato cayeron de aproximadamente 74 mg/l a aproximadamente 4 mg/l después que se trató el agua residual entrante utilizando los métodos de tratamiento aquí descritos.

Ejemplo El siguiente ejemplo ilustra una planta que tiene dos trenes paralelos, que incluyen un primer tren (tren A) y un segundo tren (tren B). Los tanques en cada uno de los trenes son idénticos y están en la misma ubicación. Las condiciones en los tanques, sin embargo, son diferentes. El tren A representa un procedimiento típico que ocurriría sin el usuario de modalidades de la presente invención, mientras el tren B representa un procedimiento que utiliza modalidades de la presente invención, tal como una baja concentración de oxígeno disuelto el tanque aireado, como se discutió p reviamente. Por ejemplo, como se muestra a continuación en el Cuadro 1, la concentración de oxígeno disuelto en el tanque aireado del tren A es 1.3 mg/l, mientras la concentración de oxígeno disuelto en el tanque aireado del tren B es 0.1 mg/l. Como se muestra por los niveles de fósforo y remoción de nitrato/nitrito, en el tren B comparado con aquellos del tren A, los niveles inferiores de oxígeno disuelto en el tanque aireado permiten el desarrollo de la bacteria de remoción de fósforo en el tanque aireado. Esta bacteria de remoción de fósforo está presente en el lodo activado de retorno (no mostrado) del tanque de membrana de regreso al tanque anóxico. Se observa liberación de fósforo en el tanque anóxico del tren B, aunque no en el tanque anóxico del tren A. La captación de fósforo neta se lleva a cabo en el tanque aireado del tren B y no en el tanque aireado del tren A. Por lo tanto, ocurren niveles superiores de captación de fósforo y remoción en el procedimiento. Como un resultado, los niveles de fósforo en el tanque de membrana o el efluente de planta son 3.65 mg/l para el tren B, que es muy inferior a los niveles en el tanque de membrana para tren A, que son 7.41 mg/l. Similarmente, toman lugar la nitrificación-desnitrificación simultánea en el tanque aireado del tren B mientras únicamente la nitrificación se lleva a cabo en el tanque aireado del tren A, como se refleja por la diferencia significativamente superior en la concentración de nitrato. Los niveles de nitratos/nitritos en el tanque de membrana para el tren B son 7.15 mg/l, que es inferior que los niveles de 8.31 mg/l en el tanque de membrana del tren A.

Continuando con el ejemplo descrito anteriormente ilustrado en el Cuadro 1 a continuación, la Figura 5 ilustra una gráfica de barras 500 que muestra las concentraciones de fósforo, oxígeno disuelto, y nitratos en cada tanque. Al comparar los niveles de fósforo, por ejemplo, puede observarse que los niveles son muy inferiores en el tanque de membrana para el tren B que para el tren A, que es debido, en parte, a las bajas concentraciones de oxígeno disuelto en el tanque aireado.

Cuadro 1. Concentraciones de oxígeno disuelto, fósforo, y nitratos en un procedimiento típico (Tren A) y procedimientos que utilizan modalidades de la presente invención (Tren B).

Cambiando ahora a la Figura 16, se ilustra una vista esquemática 600 de un procedimiento de tratamiento de agua residual con recuperación de energía, de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Las modalidades de la presente invención aquí descritas se denominan en la Figura 6 como el procedimiento Anox-P 620. El procedimiento Anox-P 620, en las modalidades, se refiere a sistemas tal como los ilustrados en la Figura 1 que incluyen un tanque anóxico, al menos un tanque aireado, y un tanque de membrana. Sin embargo, en la modalidad de la Figura 6 antes del procedimiento Anox-P 620, se agrega un procedimiento de pre-tratamiento de remoción de carbono 612 al procedimiento global. La funcionalidad del procedimiento de pre-tratamiento de remoción de carbono 612 es para remover una cantidad sustancial del carbono del agua residual entrante de planta 610. Generalmente, la materia orgánica soluble y la materia orgánica en partícula se convierten en un gas insoluble, denominado aquí como un biogás 614. Debido a que el procedimiento Anox-P 620 como se describe aquí requiere menos carbono que otros sistemas, la cantidad de carbono presente en el agua residual entrante de planta 610 puede ser mayor de lo que realmente se necesita. Otros sistemas de agua residual requiere mucho más carbono (por ejemplo, para remover nitrógeno) tal como utilizando un procedimiento de pre-tratamiento de remoción de carbono 612 que aún no se consideraría debido a que el carbono en el agua residual entrante de planta 610, además del carbono excedente de lo que es el agua residual entrante de planta 610, se requeriría para el tratamiento de agua residual. Al remover tal carbono de la corriente entrante en el procedimiento de pre-tratamiento, se utiliza menos oxígeno en el tanque aireado para remover carbono. Como tal, las ventajas principales del sistema como se muestra en la Figura 6 es que se produce metano, y que se requiere menos aire u oxigeno proseguir en el procedimiento Anox-P 620. Adicíonalmente, el tamaño de los tanques requeridos para el procedimiento Anox-P 620 puede disminuir cuando se compara con el procedimiento Anox-P cuando no se remueve carbono medíante un procedimiento de pre-tratamiento.

El procedimiento de pre-tratamiento de remoción de carbono 612 puede utilizar varias tecnologías que son capaces de remover una cantidad sustancial de carbono de una corriente entrante. Pocas de estas tecnologías se enlistan y describen aquí para propósitos ilustrativos únicamente, y no pretenden limitar las modalidades de la presente invención. Por ejemplo, algunas de estas tecnologías de remoción de carbono pueden incluir un procedimiento anaerobico, tal como un reactor de cubierta de lodo anaerobico de flujo ascendente (UASB), un tratamiento primario químicamente mejorado (CEPT), y un sistema de lodo activado de una etapa (algunas veces denominado como el procedimiento "A" en A/B). De nuevo, se enlistan estas tecnologías para propósitos ilustrativos únicamente, ya que existen otras tecnologías disponibles no listadas aquí para la búsqueda de brevedad. Se discuten aquí más d'etalles en cada una de estas tecnologías ilustrativas con respecto a figuras subsecuentes.

En modalidades, el carbono que se remueve del agua residual entrante de planta 610 toma la forma de metano (CH4) y/o dióxido de carbono (C02). En una modalidad, un biogás 614 que comprende metano y dióxido de carbono se forma. El biogás 61'4, una vez formado, se dirige a otros procedimientos que no se describen aquí, pero se denomina colectivamente como utilización de biogás 616. Este biogás 614, por ejemplo, puede utilizarse para energía en celdas de combustible, micro-turbinas, generadores, etc. para generar energía eléctrica para desviar parte o toda la energía eléctrica utilizada en la planta de tratamiento de agua. Aquí, el dióxido de carbono puede removerse antes de utilizarse en estos sistemas. Alternativamente, el biogás 614 puede tratarse (por ejemplo, remoción de dióxido de carbono) y mejorarse, tal como al remover la mayoría del dióxido de carbono para producir gas natural, que puede utilizarse en una forma comprimida para producir gas natural comprimido, CNG, o alternativamente puede licuarse para producir gas natural licuado, LNG. En un caso, aproximadamente 60% del carbono presente en el agua residual entrante de planta 610 se remueve a manera de los. procedimientos y reacciones que ocurren en el prosélito de pre-tratamiento de remoción de carbono 612 para que aproximadamente 40% del carbono se deje en la corriente pre-tratada 618. En otro caso, aproximadamente 70% del carbono presente en el agua residual entrante de planta 610 se remueve a manera de los procedimientos y reacciones que ocurren en el procedimiento de pre-tratamiento de remoción de carbono 612 para que aproximadamente 30% del carbono se deje en la corriente pre-tratada 6 18. Incluso en otro caso, menos de 60% del carbono, tal como 45% del carbono se remueve de la corriente entrante a manera del procedimiento de pre-tratamiento de remoción de carbono 612. El mismo biogás 614, en una modalidad, está compuesto de hasta 80% de metano. La otra porción del biogás 614 puede ser una mezcla de dióxido de carbono, nitrógeno, y sulfuro de hidrógeno en las diferentes proporciones. La proporción de metano a la otra proporción puede variar significativamente dependiendo de condiciones operativas de la planta de tratamiento de agua residual, y de esa forma los ejemplos aquí proporcionados son para propósitos ilustrativos únicamente y no pretenden limitar las modalidades de la presente invención. Por ejemplo, el porcentaje de metano en una modalidad puede ser de 50%, pero una en modalidad alterna puede ser de 80%. Como se menciona, comparado con sistemas de tratamiento de agua residual tradicionales, se requiere mucho menos carbono al utilizar los métodos aquí descritos para convertir nitrógeno en el amoníaco a gas de nitrógeno, agua, hidróxido de carbono. Como tal, es factible remover un gran porcentaje del carbono del agua residual entrante de planta, para que suficiente carbono aún esté disponible en el procedimiento Anox-P para convertir nitrógeno en los productos listados anteriormente. Al utilizar otros sistemas que tratan similarmente agua residual, no sería posible remover esta cantidad de carbono, o cualquier carbono del todo, ya que estos sistemas típicamente requieren la adición de carbono, además del carbono presente en el agua residual. La combinación del pre-tratamiento de remoción de carbono y el procedimiento Anox-P permite un procedimiento de alta eficiencia que remueve carbono, nitrógeno, fósforo, y fermentación de partículas y materia orgánica disuelta de agua residual sin la necesidad de fuentes externas de carbono y que recupera energía en la forma de biogás.

En una modalidad, las condiciones en el procedimiento de pre-tratamiento de remoción de carbono 612 incluyen una temperátura de 18°C o superior. Cuando las temperaturas son menores que ésta, los mismos r esultados pueden o btenerse pero con deficiencias que son ligeramente inferiores, tal como una remoción de carbono de aproximadamente 40-60%, en lugar de más cerca de 70%. En un caso, se desvía una porción del agua residual entrante de planta 610 antes de ingresar al procedimiento de pre-tratamiento de remoción de carbono 612 y se mezcla con la corriente pre-tratada 618. Esto puede ocurrir cuando hay una alta concentración de amoníaco, o altas cantidades de nitrógeno en esta corriente, tal como es el caso con drenaje en bruto con los componentes de agua residual de industria alimenticia o algunas aplicaciones de reutilización de agua. Algo de la corriente entrante puede desviarse para que haya más carbón en la corriente pre-tratada 618 antes de que ingrese al procedimiento Anox-P 620. Cuando los niveles de amoníaco o nitrógeno en general son altos, se necesita más carbono para remover el nitrógeno en el procedimiento Anox-P 620.

La Figura 7 ilustra una vista esquemática 700 de un procedimiento de tratamiento de agua residual que utiliza un reactor de cubierta de lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB), de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Generalmente, un reactor UASB es un digestor metanogénico que produce, al menos, metano. Un reactor UASB es una forma de un digestor anaeróbico que se utiliza, típicamente, en el tratamiento de agua residual. Se utiliza un procedimiento anaeróbico por el rector UASB en donde una cubierta de lodo granular se forma y se suspende en el tanque. Generalmente, el agua residual fluye hacia arriba a través del lodo cubierto para que el agua residual se traté por microorganismos aeróbicos. En algunos casos, se utilizan floculantes para ayudar a la suspensión de la cubierta del lodo. Un producto secundario que comprende metano, típicamente en altas concentraciones, se produce. Como se menciona, el biogás puede capturarse y utilizarse como una fuente de energía, para desviar requisitos de energía de la fuente de tratamiento de agua residual. La temperatura en el reactor UASB típicamente es 18°C o superior. Condiciones adicionales del rector UASB incluyen un tiempo de retención hidráulico de al menos 3 a 24 horas, y el tiempo de retención del lodo es de al menos 15 días. Además, la velocidad de flujo excedente es de aproximadamente menor que 0.0144 metros/hora. Los procedimientos bioquímicos en reactores UASB típicos típicamente incluyen hidrólisis o solubilización, acidogénesis o acetogénesis, y metanogénesis. El primer paso de hidrólisis típicamente toma 10-15 días para orgánicos complejos para solubilizarse para que puedan absorberse en las células de bacteria en donde se degradaron por endoenzimas. El segundo paso de acidogénesis utiliza otro grupo de microorganismos para formar ácidos orgánicos. El tercer paso de metanogénesis involucra bacterias anaeróbicas que producen metano para completar un procedimiento de descomposición.

Como se muestra en la Figura 7, agua residual entrante de planta 710 se dirige en un reactor UASB 712. Como un resultado de las r eacciones que toman lugar en el rector UASB 712, se produce biogás 714, que típicamente incluye metano, nitrógeno, y dióxido de carbono. También desde el reactor UASB 712 está una corriente de lodo 718, que se dirige a procesamiento de lodo 726. En algunos casos, una porción 716 del agua residual entrante de planta 710 se desvía alrededor del reactor UASB 712 a la corriente pre-tratada 720. Esto típicamente ocurre cuando el agua residual entrante de planta 710 incluye una alta cantidad de amoníaco para que sea necesario más carbono en el procedimiento Anox-P 722. La corriente pre-tratada 720 entonces fluye al procedimiento Anox-P 722, que produce efluente de planta 724.

Cambiando ahora a la Figura 8, se muestra una vista esquemática 800 de un procedimiento de tratamiento de agua residual que utiliza tratamiento primario químicamente mejorado (CEPT), de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Generalmente, CEPT involucra químicos, tales c orno sales de metal y/o polímeros, que se agregan antes a un recipiente de sedimentación primario para que los químicos causen que las partículas suspendidas se agrupen a través de coagulación y floculación. Esto proporciona un tiempo de agregación más completo y más rápido para las partículas para que se mejore la eficiencia de tratamiento. Muchas veces, ningún metal residual está presente en el sobrenadante. Algunos de los otros químicos utilizados en se CEPT pueden incluir cloruro férrico y sulfato de aluminio. Un tanque CEPT, tal como un tanque de asentamiento, puede utilizarse en el procedimiento CEPT. Ventajas de CEPT para otros procedimientos incluyen una opción más solventable y eficiente cuando se compara con tipos convencionales de tratamiento. Típicamente, los procedimientos CEPT consisten de pantallas de barra, una cámara de arena, paso de separación de sólido-líquido tal como un tanque de asentamiento, que en una modalidad es un clarificador primario. Otros tipos de pasos de separación de sólido-líquido también pueden utilizarse, tal como filtración o flotación de aire disuelto.

Como se muestra en la Figura 8, el agua residual entrante de planta 810 ingresa al CERT 812, en donde el lodo 814 del CERT 812 se dirige primero a espesamiento 816, después el lodo 816 se dirige a digestión anaeróbica 820. Como un resultado de digestión anaeróbica 820, se forma biogás 822, que consiste, al menos, de metano y dióxido de carbono. Además, el lodo 824 de la digestión anaeróbica 820 se envía al procesamiento del lodo 826. Desde el CERT 812, el efluente pre-tratado 828 se envía al procedimiento Anox-P 820, en donde el efluente de planta 832 se genera teniendo cantidades muy reducidas de nitrógeno, fósforo, etc. El lodo excedente 834 del procedimiento Anox-P 830 se envía a la digestión anaeróbica 820 para estabilización y generación de metano adicional.

Haciendo referencia a la Figura 9, se ilustra una vista esquemática 900 de un procedimiento de tratamiento de agua residual que utiliza un sistema de lodo activado de una etapa, de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Un sistema de lodo activado de dos etapas se denomina típicamente como el procedimiento AB, en donde la primera etapa, o etapa "A" es la reducción COD utilizando un tanque de arena, birreactor, y clarificador intermedio, y la segunda etapa, o etapa "B" es para nitrificación y remoción de N y típicamente incluye1 un birreactor y un clarificador secundario. Sin embargo, en la modalidad de la Figura 9, se utiliza únicamente la primera etapa mientras la segunda etapa se remplaza con el procedimiento Anox-P como se describe aquí. El efluente se dirige al procedimiento Anox-P para procesamiento adicional. En algunas modalidades, hasta 90% del carbono presente en la corriente entrante puede removerse a manera de sistema de lodo activado de una etapa. El sistema de lodo activado de una etapa ilustrado en la Figura 9 puede tener un tiempo de retención del lodo (SRT) de 0.5 días. Típicamente es una velocidad alta pero bajo SRT de menos de un día, y algunas veces tan bajo como 0.5 días. La remoción COD (remoción de carbono) es aproximadamente 70-80%.

Como se muestra en la Figura 9, el agua residual entrante de planta 910 ingresa al sistema de lodo activado de una etapa 912. El lodo excedente 914 de este sistema fluye al espesamiento 316, y entonces el lodo 918 fluye a la digestión anaerobica. Como resultado de la digestión anaerobica 920, se forma biogás 922, y puede incluir metano y dióxido de carbono. El efluente pre-tratado 924 del sistema de lodo activado de una etapa 902 ingresa al procedimiento Anox-P 916, en donde se forma el efluente de planta por la remoción de nitrógeno, fósforo, etc.

La Figura 10 ilustra una vista esquemática 1000 de un procedimiento de tratamiento de agua residual que utiliza un sistema de lodo activado de una etapa, de acuerdo con la modalidad de la presente invención. La Figura 10 ilustra una vista más detallada de un sistema de lodo activado de una etapa 912 de la Figura 9. El agua residual entrante de planta 1010 se dirige a un tanque de arena 1012 cuyo de efluente 1014 se envía a un birreactor 1016. Desde el birreactor 1016, el efluente 1018 se envía a un clarificador intermedio 1020. El clarificador intermedio 1020 marca al final del sistema de lodo activado de una etapa, para que el efluente pre-tratado 1028 se envíe al procedimiento Anox-P 1030 para procesamiento adicional. Una porción del lodo 1022 desde el clarificador intermedio 1020 puede reciclarse a la corriente que ingresa al tanque de arena 1012 como lodo activado de retorno 1026, y se desvía una porción para el tratamiento a dicional como el lodo excedente 1024.

Cambiando ahora a la Figura 11, se muestra una gráfica de barras de una comparación de intensidad de energía que utiliza varios sistemas de tratamiento de agua, de acuerdo con una modalidad de la presente invención. La utilización de energía se compara y se muestra en la Figura 11. La gráfica de barras compara un procedimiento de desnitrificación-nitrificación convencional (etiquetado "típico"), que resulta de una planta de tratamiento de agua residual neutral de energía ("Strass"), y finalmente con pre-tratamiento anaeróbico combinado con tratamiento Anox-P, como se describe aquí ("pre-tratamiento anaeróbico + Anox-P"). Como se muestra, la energía requerida para pre-tratamiento' anaeróbico combinado con el sistema Anox-P se reduce cuando se compara con los otros sistemas. Una razón de esto es que la utilización de energía requerida para aeración es de aproximadamente 50% de otros sistemas, incluso aunque aún se logra nitrif icación-desnitrificación completa, incluso sin una fuente de carbono externa. En una modalidad, el lodo del procedimiento de tratamiento y el lodo activado residual del procedimiento Anox-P se someten a digestión anaeróbica. El biogás del procedimiento de digestión puede utilizarse para generación de energía en el sitio.

Haciendo referencia a la Figura 12, una gráfica de barras ilustra una comparación de generación de energía de biogás, de acuerdo con una modalidad de la presente invención. La generación de energía mostrada en la Figura 12, en una modalidad, es de digestión anaeróbica del lodo producido de varios procedimientos. La Figura 12 ilustra la eficiencia de conversión de energía de la energía en el metano producido convertido en energía eléctrica.

Muchas disposiciones diferentes de los varios componentes ilustrados, así como componentes no mostrados, están disponibles sin apartarse del alcance de las reivindicaciones a continuación. Se han descrito modalidades de la tecnología con la intención de ser ilustrativas en lugar de restrictivas. Modalidades alternativas se harán evidentes para los lectores de esta descripción. Además, medios alternativos para implementar lo antes mencionado pueden completarse sin apartarse del alcance de las reivindicaciones a continuación. Ciertas características y sub-combinaciones son de utilidad y pueden emplearse sin referencia a otras características y sub-combinaciones y se contemplan dentro del alcance reivindicaciones.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1.- Un procedimiento para tratar agua residual para remover simultáneamente materia orgánica, nitrógeno, y fósforo, con recuperación de energía, el procedimiento comprende: proporcionar una corriente que contiene amoníaco en un tanque de pre-tratamiento que produce, al menos, lodo excedente, biogás, y una corriente pre-tratada, en donde la corriente pre-tratada tiene al menos 45% menos de carbono que la corriente que contiene amoníaco, y en donde el biogás comprende al menos metano y dióxido de carbono; hacer fluir la corriente pre-tratada y lodo activado de retorno a un tanque anóxico que opera bajo condiciones anóxicas; mezclar la corriente pre-tratada y el lodo activado de retorno en el tanque anóxico para formar un licor mezclado, indicando consecuentemente la liberación de fósforo y fermentación de materia orgánica en partículas y materia orgánica disuelta; transferir el licor mezclado a un tanque aireado que opera bajo condiciones microaerófilas, en donde una concentración de oxígeno disuelto en el tanque aireado es menor que 1.0 mg/l del licor mezclado, que es efectivo para promover nitrif icación, desnitrificación, liberación de fósforo, y captación de fósforo simultáneos; y transferir el licor mezclado a un tanque de membrana que separa efluente tratado del lodo activado que contiene microorganismos, en donde una primera porción del lodo activado se regresa al tanque anóxico como el lodo activado de retorno. I

2.- El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la corriente que contiene amoníaco es agua residual entrante de planta que se va a tratar al convertir el amoniaco a gas de nitrógeno y agua.

3.- El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el biogás comprende aproximadamente 60% del metano.

4.- El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el tanque de pre-tratamiento es un reactor de cubierta de lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB).

5.- El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el biogás se trata para que pueda utilizarse para alimentar una plata de tratamiento de agua residual que trata el agua residual entrante de planta al desviar requisitos de energía de la planta de tratamiento de agua residual.

6.- El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las condiciones microaerófilas en el tanque aireado promueven la fermentación de la materia orgánica en partículas en el licor mezclado y permiten el desarrollo de una población microbiana utilizada para remoción de fósforo.

7.- El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde una porción de la corriente que contiene amoníaco se desvía al tanque de pre-tratamiento y se dirige al tanque anóxico.

8.- El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el tanque de pre-tratamiento utiliza tratamiento primario químicamente mejorado (CEPT).

9. - El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el tanque de pre-tratamiento utiliza un sistema de lodo activado de una etapa.

10. - Un método para reducir amoníaco en una corriente mientras recupera energía, el método comprende: proporcionar una corriente que contiene amoníaco en un tanque de pre-tratamiento que comprende microorganismos anaeróbicos que reaccionan con la corriente que contiene amoníaco para producir biogás y una corriente pre-tratada; contactar la corriente pre-tratada con una corriente que contiene oxígeno bajo condiciones de tratamiento efectivas para formar una primera corriente de producto, la relación de amoníaco en la corriente pre-tratada a oxígeno en la corriente que contiene oxígeno siendo.de aproximadamente 2.28 g de 02/g de N-NH3 (2.28 g de oxígeno por gramo de nitrógeno en amoníaco) o menor; y exponer la primera corriente de producto de materia orgánica bajo condiciones de tratamiento efectivas en una relación de aproximadamente 0.57 g COD/g de N-NH3 (0.57 g de demanda de oxígeno químico (COD) por gramo de nitrógeno en amoníaco) o menor.

11.- El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el biogás comprende al menos 45% del carbono presente en la corriente que contiene amoníaco.

12.- El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la liberación de fósforo ocurre en el tanque anóxico.

13.- El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la nitrificación, desnitrificación, liberación de fósforo, y captación de fósforo ocurren simultáneamente en el tanque aireado.

14. - El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en donde una concentración de oxígeno disuelto en el tanque aireado es menor que 1.0 mg/l de fluido.

15. - Un sistema para tratar agua residual para remover simultáneamente materia orgánica, nitrógeno, y fósforo con recuperación de energía, el sistema comprende: un tanque de pre-tratamiento que recibe agua residual entrante de planta y que comprende microorganismos anaeróbicos que reaccionan con el agua residual entrante de planta para producir, al menos, biogás que comprende metano, lodo excedente, y una corriente pre-tratada, la corriente pre-tratada teniendo al menos 45% menos de carbono que el agua residual entrante de planta; un tanque anóxico que recibe la corriente pre-tratada y lodo activado de retorno, en donde el tanque anóxico opera bajo condiciones anóxicas para promover desnitrificación, liberación de fósforo y fermentación de materia orgánica en partículas y materia orgánica disuelta; un tanque aireado que recibe un licor mezclado del tanque anóxico, en donde una concentración de oxígeno disuelto en el tanque aireado es menor que 1.0 mg/l para promover efectivamente el desarrollo de bacterias de liberación de fósforo que está presente en el lodo activado de retorno recibido en el tanque anóxico, y en donde la bacteria de liberación de fósforo en el lodo activado de retorno permite la liberación de fósforo y la fermentación de materia orgánica en partículas en el tanque anóxico; y un tanque de membrana que separa agua residual de efluente de planta de lodo activado, una porción de la cual se recicla al tanque anóxico como el lodo activado de retorno.

16.- El sistema de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el tanque aireado comprende uno o más tanques aireados.

17. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 15, en donde tanque airado opera bajo condiciones microaerófilas.

18. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 17, en donde la nitrificación, desnitrificación, liberación de fósforo, y captación de fósforo ocurren simultáneamente en el tanque aireado.

19. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el agua residual entrante de planta.

20. - El sistema de acuerdo con la reivindicación 15, en donde la concentración de oxígeno disuelto en el segundo tanque es menor que 0.3 mg/l del licor mezclado.