WO2014118416A1 - Sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales - Google Patents

Sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales Download PDF

Info

Publication number
WO2014118416A1
WO2014118416A1 PCT/ES2014/070067 ES2014070067W WO2014118416A1 WO 2014118416 A1 WO2014118416 A1 WO 2014118416A1 ES 2014070067 W ES2014070067 W ES 2014070067W WO 2014118416 A1 WO2014118416 A1 WO 2014118416A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
chamber
anaerobic
integrated system
methanogenic
anoxic
Prior art date
Application number
PCT/ES2014/070067
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juan Manuel GARRIDO FERNÁNDEZ
Dagmara Buntner
Alberto SÁNCHEZ SÁNCHEZ
Juan Manuel Lema Rodicio
Original Assignee
Universidade De Santiago De Compostela
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universidade De Santiago De Compostela filed Critical Universidade De Santiago De Compostela
Priority to EP14745956.4A priority Critical patent/EP2952483A4/en
Priority to BR112015018299A priority patent/BR112015018299A2/pt
Priority to MX2015009836A priority patent/MX359689B/es
Priority to US14/765,055 priority patent/US9725345B2/en
Publication of WO2014118416A1 publication Critical patent/WO2014118416A1/es

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/30—Aerobic and anaerobic processes
    • C02F3/301—Aerobic and anaerobic treatment in the same reactor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/12—Activated sludge processes
    • C02F3/1236—Particular type of activated sludge installations
    • C02F3/1268—Membrane bioreactor systems
    • C02F3/1273—Submerged membrane bioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/30—Aerobic and anaerobic processes
    • C02F3/302—Nitrification and denitrification treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/30—Aerobic and anaerobic processes
    • C02F3/302—Nitrification and denitrification treatment
    • C02F3/305—Nitrification and denitrification treatment characterised by the denitrification
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/38—Caps; Covers; Plugs; Pouring means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/02—Stirrer or mobile mixing elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/04—Filters; Permeable or porous membranes or plates, e.g. dialysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/18—External loop; Means for reintroduction of fermented biomass or liquid percolate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/10—Inorganic compounds
    • C02F2101/16—Nitrogen compounds, e.g. ammonia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2203/00—Apparatus and plants for the biological treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2203/006—Apparatus and plants for the biological treatment of water, waste water or sewage details of construction, e.g. specially adapted seals, modules, connections
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/08—Chemical Oxygen Demand [COD]; Biological Oxygen Demand [BOD]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/16—Total nitrogen (tkN-N)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/08—Aerobic processes using moving contact bodies
    • C02F3/085—Fluidized beds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/10—Packings; Fillings; Grids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C02F3/2806—Anaerobic processes using solid supports for microorganisms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C02F3/2846—Anaerobic digestion processes using upflow anaerobic sludge blanket [UASB] reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C02F3/286—Anaerobic digestion processes including two or more steps
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention proposes an Integrated System formed by a methanogenic Anaerobic reactor and a Membrane bioreactor (SIAM), specially designed for the elimination of organic matter and nitrogen in urban or industrial wastewater through the use of an integrated bioreactor system that generates a lower sludge production, lower energy consumption, and in which a final effluent free of suspended solids and low concentration of total nitrogen and organic matter is obtained.
  • MIAM Membrane bioreactor
  • the present invention combines the advantages of anaerobic biological systems, low sludge production and generation of a usable biogas, and aerobic, low Chemical Oxygen Demand (COD) of the purified effluent, at room temperature, and membrane filtration systems , high effluent quality with very low concentrations of suspended solids or microorganisms.
  • the system and the procedure allow the removal of nitrogen from the wastewater using as a source of dissolved methane carbon present in the effluent of the methanogenic reactor, thereby reducing emissions into the atmosphere of a greenhouse gas, methane, present in the effluent of methanogenic bioreactors.
  • the integrated system is especially suitable for the purification of urban or industrial wastewater with low or moderate concentrations of organic matter (between 150 and 5,000 mg / L of COD), allowing a reduction of total nitrogen in the purified water, usually between 15 and 50 mg / L that would facilitate either the direct discharge of water or its reuse in irrigation or industrial processes.
  • the biological purification of nitrogen compounds in wastewater is carried out through a sequence of series stages, in the first stage of hydrolysis the organic nitrogen present in the wastewater is hydrolyzed releasing ammonium ion, in the second stage of nitrification the ammonium is oxidized at nitrite or nitrate and in the third stage of denitrification, the reduction of nitrogen anions to nitrogen gas occurs, normally using a carbon source as an electron donor.
  • the reactor is divided into two or more chambers, some without aeration (anoxic chambers) and others aerated (aerobic chambers).
  • anoxic chambers anoxic chambers
  • others aerated (aerobic chambers).
  • nitrite and nitrate are reduced to nitrogen gas, using the organic matter present in the wastewater as carbon source and in the aerobic chambers the oxidation of ammonium to nitrite and nitrate takes place and the oxidation of the remains of matter organic that had not degraded in anoxic chambers.
  • the denitrification reaction allows savings to recover oxygen of the oxygen and alkalinity consumed in the oxidation of ammonia to nitrate (Metcalf & Eddy Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4 th Edition, McGraw Hill 2003 Ed.).
  • technologies used it is common to use the activated sludge system and its multiple configurations or biofilm systems as would be submerged biofilters (Metcalf & Eddy 2003 Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4 th Edition, Ed McGraw Hill 2003.) .
  • the amount of organic matter that usually required to denitrify the nitrite and nitrate ions usually between 4 and 8 g - COD / gN removed.
  • Anaerobic methanogenic processes have been widely used for the treatment of urban or industrial wastewater; These systems have a series of advantages such as the lower consumption of electric energy, the possible recovery of methane energy that is generated and the lower sludge production compared to aerobic biological treatment technologies.
  • Anaerobic processes are widely used in countries with warm or temperate climates for the treatment of urban wastewater, at room temperature, or for the treatment of industrial wastewater with a high concentration of organic matter although normally operating the bioreactor at temperatures of about 35- 37 ° C in anaerobic mesophilic systems or 55-60 ° C in anaerobic thermophilic systems.
  • the UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactor developed in the 1970s in the Netherlands, is formed by an anaerobic sludge mantle, which is located at the bottom of the system, and a Gas-Liquid-Solid (GLS) separator , located at the top of the reactor.
  • the mantle of mud at the bottom of the reactor is formed by both the accumulation of suspended solids and aggregated microorganisms both in the form of flocs and granules.
  • the GLS separator allows to recover a large part of the solids that are carried by the upstream of water and biogas, collecting the biogas bubbles by means of a series of bells strategically located along the top of the system.
  • UASB technology offers a simple and effective way to reduce the presence of organic pollutants from urban wastewater, in warm or tropical regions of the planet where the wastewater has a temperature greater than 20 ° C, throughout the year. Its use has become popular in countries such as India, Pakistan, China, Colombia, Brazil, Indonesia or Egypt. Some of the plants installed use the biogas generated to meet the energy demands of the Wastewater Treatment Plant (WWTP). This technology is not viable for the treatment of urban wastewater in countries with cold or temperate climates due to the low cellular productivity, the low activity of microorganisms and the possible loss of biomass by dragging part of the biomass generated in the final effluent (washed).
  • WWTP Wastewater Treatment Plant
  • membrane filtration systems such as those indicated in the invention of a three-stage biological reactor, methanogenic, aerobic and filtration for the purification of urban wastewater (application ES2385002-A1) which also allows obtain a purified effluent with a very low concentration of organic matter (in terms of COD, DB0 5 or SST) by operating the membrane with higher yields than normally associated with anaerobic membrane bioreactor systems (Sánchez et al., Wat. Res., 47, 1227 (2013)).
  • methane dissolved in the effluent of an anaerobic stage can be between 21 and 25.5 mg / L, data calculated at temperatures of 17 to 25 ° C and partial pressures of methane in the gas phase of 0.75 to 0.8 atm.
  • methane represents an important environmental problem in terms of greenhouse gas emissions associated with wastewater treatment in methanogenic bioreactors.
  • Methane has a greenhouse effect 25 times higher than carbon dioxide.
  • methane dissolved in the effluent could account for up to 50% of the total methane generated in the anaerobic system, with the remainder present in the generated biogas.
  • Dissolved methane is easily desorbed from effluents, either those that are discharged directly into the environment, or especially those that are post-treated in an aerobic bioreactor, significantly increasing the emission of greenhouse gases associated with wastewater purification .
  • Aerobic methane oxidation coupled to denitrification It is carried out by a microbial consortium in which aerobic methanotrophic bacteria that oxidize methane to various oxidation products and denitrifying heterotrophic bacteria that use said partial oxidation products as electron donors in the denitrification reaction coexist.
  • the theoretical stoichiometry of the process would be defined by the reaction (1).
  • Anoxic oxidation of methane coupled to denitrification The anoxic oxidation of methane would be carried out thanks to an association of methanogenic archaea and sulfate-reducing bacteria that use nitrate instead of sulfate as an electron acceptor.
  • the dissolved methane present in the effluent will be used as a carbon source to denitrify in the anoxic stage.
  • the present invention of Integrated System of Methanogen Reactor and Membrane Bioreactor is an improvement on the state of the art, in particular on the three stage biological reactor, methanogenic, aerobic and filtration of patent application ES2385002-A1 for the Biological treatment of urban or industrial wastewater with low or moderate concentrations of COD organic matter (between 150 and 5000 mg COD / L) and nitrogen, in which the organic pollutants must be removed from the wastewater at moderate temperatures, allowing the removal of 15 to 50 mg / L of total nitrogen.
  • One of the main characteristics of the proposed biological reactor is to adequately combine the three treatment stages: methanogenic anaerobic stage, anoxic stage and aerobic filtration stage with submerged microfiltration or ultrafiltration membranes.
  • the anoxic and aerobic filtration stages combine the presence of suspended and adhered biomass in biofilms on a material composed of suspended plastic particles.
  • the membrane In the case of the aerobic filtration stage, the membrane will be located in an area where there will be no plastic supports.
  • anaerobic, anoxic and aerobic membrane filtration treatment technologies allows us to take advantage of the advantages and strengths of each of the technologies in the same biological reactor, such as the lower energy consumption and sludge production associated with the processes Biological anaerobes, the greater stability and lower COD of the purified water associated with aerobic processes, and higher effluent quality with absence of microorganisms and suspended solids, associated with membrane filtration treatments and the possibility of removing nitrogen in anoxic conditions, avoiding the problems that are associated, separately, to each of these technologies.
  • One of the main problems of anaerobic pre-treatments is the release of methane dissolved in the treated effluent, especially at low temperatures.
  • the wastewater is introduced into the methanogenic anaerobic chamber, where an important part of the COD is removed from the wastewater, generating a biogas rich in methane.
  • the residual COD fraction and dissolved methane as carbon sources are removed to denitrify the nitrate generated in stage 3.
  • oxidation of ammonium to nitrite and / or nitrate is promoted, which it is recirculated to the anoxic chamber, where nitrogen removal takes place.
  • the water is filtered through submerged membranes that are confined in an area free of plastic supports thanks to a perforated partition, producing a permeate with a COD less than 40 mg / L, a DB0 5 less than 5 mg / L, a total nitrogen less than 15 mg / L and free of suspended solids and microorganisms.
  • a filtration membrane prevents the escape of both anaerobic biomass that is washed from the first chamber, and aerobic biomass that can be released from the biofilm.
  • Said biomass can be recirculated to the anaerobic chamber, thereby avoiding the washing of anaerobic biomass and the loss of the purification capacity of the chamber, observed in conventional methanogenic anaerobic systems for the treatment of low-load wastewater, urban or industrial , at low or temperate temperatures.
  • the recirculation of the aerobic biomass formed, towards the methanogenic anaerobic chamber, implies that in this stage there is also a stage of digestion and stabilization of the sludge generated in the aerobic chamber, slightly improving the production of biogas in the system and reducing the amount of sludge generated in the biological process of water purification.
  • sludge from the anaerobic chamber can be purged and conducted, together with excess biomass generated in the anaerobic stage, to a sludge management unit.
  • the anoxic and aerobic filtration stages in which the development of adhered biomass as a biofilm in plastic support particles is promoted, the elimination of soluble or colloidal organic matter is substantially improved, so that these compounds are prevented they can reach the area with filtration membranes and get in touch with the membrane modules, thereby reducing the fouling of the submerged membranes, which gives more stability to the operation of the filtration units (Sánchez et al., Wat Res., 47, 1227 (2013)).
  • the present invention describes an integrated anaerobic methanogenic reactor and membrane bioreactor system for the elimination of organic matter and total nitrogen in wastewater.
  • the system is especially useful for the biological treatment of urban or industrial wastewater with low or moderate concentrations of organic matter, preferably between 150 and 5000 mg / L of organic matter, measured as COD, and especially allows the removal of 15 to 50 mg / L of total nitrogen present in wastewater.
  • the system can operate at room temperature and preferably at temperatures above 15 ° C.
  • the invention relates to an integrated system of anaerobic methanogenic reactor and membrane bioreactor for the elimination of organic matter and nitrogen in wastewater, hereinafter, "the system of the invention", characterized by being composed of three chambers: an anaerobic methanogenic chamber (1), an anoxic chamber (2) comprising a filler of suspended plastic particles (14a), and an aerobic filtration chamber (3) comprising a filler of suspended plastic particles ( 14b) and filtration membranes (20).
  • the methanogenic anaerobic chamber (1) comprises: cast boxes (4) with plastic hoses (5), an anaerobic sludge mantle (6), bells (7) and pipes (12) for biogas collection , baffles (8), overflows (9), pump (10) for purging excess sludge and a cover (24).
  • the anaerobic sludge mantle (6) is located at the bottom of the methanogenic anaerobic chamber (1).
  • the bells (7) and pipes (12) for biogas collection are located in the upper part of the anaerobic methanogenic chamber (1).
  • the baffles (8) are located in the lower part of the anaerobic methanogenic chamber (1).
  • the anaerobic methanogenic chamber (1) both the homogeneous distribution of the wastewater introduced in the lower part of the sludge layer should be promoted, as well as the correct separation of the treated water from the biogas bubbles or suspended solids that it could carry.
  • a series of elements are arranged in said chamber: distribution boxes (4) with plastic hoses (5), anaerobic sludge mantle (6), preferably at the bottom of the reactor, bells (7) and pipes (12) for the collection of biogas, preferably in the upper part of the chamber, baffles (8), preferably installed in the lower part of the chamber, perimeter overflows (9), pump (10) for purging excess anaerobic sludge and a cover (24) to keep confined odors that could be generated or emitted from the anaerobic methanogenic chamber (1).
  • the raw wastewater is fed to the first methanogenic anaerobic chamber (1) by gravity, or if the water level does not allow it through the use of a pumping system (1 1), using the distribution boxes (4) located at the top of the camera. Therefore, in a more preferred embodiment, the methanogenic anaerobic chamber (1) further comprises a feed pump (1 1). From these distribution boxes, a series of plastic hoses (5) start, which have the task of introducing the wastewater into the lower part of the anaerobic sludge mantle (6). Wastewater flows upwards through the anaerobic sludge mantle.
  • the anaerobic sludge mantle consists of anaerobic microorganisms that degrade the organic pollutants present in the incoming wastewater, forming a biogas with a high content of methane and carbon dioxide.
  • the biogas is collected, using a series of bells (7), to which pipes (12) have been connected that will transport the biogas to the storage, incineration or energy use system, which is installed for the proper management of the biogas produced.
  • the baffle plates (8) used in the lower part of the anaerobic methanogenic chamber (1) are used to vehiculate part of the biogas formed in areas near the plates, towards the collection bells (7), thus preventing bubbles of generated biogas can leave this chamber freely, together with the treated water.
  • the treated wastewater is expelled from the anaerobic chamber through a series of overflows (9), preferably located at the top of the methanogenic anaerobic chamber (1) along the water sheet, and which are going to mark the maximum water level in the chamber.
  • the function of these overflows is to promote the homogeneous rise of water in the upper part of the chamber, avoiding the appearance of preferential flows, so as to promote the decantation of a large part of the mud particles that have risen with the water towards the upper part of the chamber.
  • the anaerobic methanogenic chamber (1) will be provided with a cover (24) that prevents the dispersion of odors in the environment, as well as a conduit and pump that is used to purge the excess sludge (10) and keep the level of the mantle of sludge (6) in said chamber.
  • the anoxic chamber (2) in addition to the filling of suspended plastic particles (14a), comprises the following elements: a distribution system (13) formed by perforated tubes, a tubular mesh (15a), a mechanical stirrer (22) and a pump (17).
  • the tubular-shaped mesh (15a) has a passing light less than the size of the particles that make up the filler of suspended plastic particles (14a) of the anoxic chamber (2).
  • the pump (17) is located between the anoxic chamber (2) and the anaerobic methanogenic chamber (1).
  • the pump (17) is associated with any of the elements selected from the list comprising: recirculation valve (25a) and purge valve (25b).
  • the bottom or floor of the anoxic chamber has a slight slope, preferably a slope between 1/20 and 1/5 m / m.
  • the filling of suspended plastic particles (14a) of the anoxic chamber (2) consists of particles occupying between 10% and 60% of the apparent volume of the anoxic chamber (2).
  • the filling of suspended plastic particles (14a) of the anoxic chamber (2) consists of an element selected from the list comprising: rough-looking plastic granular particles, plastic Raschig rings, polymeric foam particles or analogous commercial products that promote the formation of microorganism biofilms.
  • the particles that make up the filler of suspended plastic particles (14a) of the anoxic chamber (2) have a size between 1 and 50 mm .
  • the anoxic chamber (2) is formed by the following elements: filling of suspended plastic particles (14a), distribution system (13), tubular mesh (15a) for water extraction, agitator mechanical (22) and recirculation pump (17) between the anoxic chambers (2) and methanogenic anaerobic (1).
  • Water from the methanogenic anaerobic chamber (1) is taken to the anoxic chamber (2) using a distribution system (13) shown in Figures 1 and 2 and detailed in Figure 3.
  • Said system The distribution consists of a series of parallel arms or tubes with a row of holes in the lower part of them, through which the wastewater will be distributed homogeneously in the lower section of the anoxic chamber (2).
  • the distribution system is preferably arranged in the lower part of the anoxic chamber (2), so that the net flow of wastewater occurs in an upward direction towards the upper part of the anoxic chamber (2), through the filling of particles plastic (14a) and coming out of a tubular mesh (15a) for the extraction of water arranged, preferably, in the upper part of the system.
  • the filling is formed by plastic particles (14a), of similar density to that of water, which can move freely within said chamber.
  • plastic particles 14a
  • the use of a support of mobile plastic particles also limits the clogging or clogging of the filler bed by biomass accumulation, since in them the balance between the processes of microbial growth in the biofilm and release of biomass from it is promoted.
  • both granular, rough-looking plastic particles, Raschig plastic rings, commercial products such as the Kaldnes K1, K2 or K3 rings from the AnoxKaldnes house (AnoxKaldnes global AB, Sweden), plastic foam particles, Linpor type, can be used. or any other analog plastic particle product that promotes the formation of a biofilm.
  • the particle size of said filler is preferably between 1 and 50 mm.
  • the growth of heterotrophic bacteria in general and methanotrophs in particular is promoted, being present in suspension in the mixed liquor or adhered to the plastic particles (14a) in the form of biofilms, which oxidize both those biodegradable compounds and
  • Ammonia from the methanogenic anaerobic stage is practically not removed during this anoxic stage (2). In this way, a high elimination of nitrogen and biodegradable, soluble or colloidal organic matter is guaranteed, as well as the reduction of greenhouse gas emissions associated with the degradation of dissolved methane in the invention.
  • the bottom or floor of the anoxic chamber (2) has a slight or moderate slope, preferably a slope between 1/20 and 1/5 m / m, and from the bottom part a conduit equipped with a pump (17) to be used to bring to the anaerobic methanogenic chamber (1) both the anaerobic sludge that could have left it as well as the sludge generated in the anoxic chamber (2) or in the aerobic filtration chamber (3), vehicularizing the sludge recirculated through a conduit equipped with a recirculation valve (25a).
  • said sludge can be purged through a conduit provided with a purge valve (25b) that has been arranged to vehicle excessively generated sludge into the sludge management system of the purifier.
  • the mixture of wastewater treated with suspended biomass particles leaves the anoxic chamber (2) through a tubular mesh (15a) for the extraction of the water arranged in the upper part of the system and passes by gravity to the lower part of the chamber aerobic filtration (3).
  • the mesh with a light of step smaller than the size of support particles (and in any case always smaller than 5 mm) prevents the exit of filler particles from the anoxic chamber (2).
  • the aerobic filtration chamber (3) is divided into two zones: an area comprising a filling of suspended plastic particles (14b) and another area comprising filtration membranes (20), separated by a partition perforated (23) with holes of smaller diameter than the filling of suspended plastic particles (14b).
  • the area comprising a filler of suspended plastic particles (14b) of the aerobic filtration chamber (3) further comprises: a grid air diffuser system (18a), an air blower ( 19a), a tubular mesh (15b) and a pump (16a), where the air blower (19a) blows air into the grill air diffuser system (18a).
  • the tubular-shaped mesh (15b) has a passing light smaller than the size of the particles that make up the filler of suspended plastic particles (14b) of the aerobic filtration chamber (3).
  • the filling of plastic particles in suspension (14b) of the aerobic filtration chamber (3) consists of particles occupying between 10% and 60% of apparent volume of the aerobic filtration chamber (3) .
  • the filling of suspended plastic particles (14b) of the aerobic filtration chamber (3) consists of an element selected from the list comprising: rough-looking plastic granular particles, plastic Raschig rings, particles of polymer foam or similar commercial products that promote the formation of biofilms of microorganisms.
  • the particles that make up the filler of suspended plastic particles (14b) of the aerobic filtration chamber (3) have a size between 1 and 50 mm.
  • the tubular shaped mesh (15b) is located in the upper part of the area with the filling of plastic particles in suspension (14b) of the aerobic filtration chamber (3).
  • the area comprising filtration membranes (20) of the aerobic filtration chamber (3) comprises: submerged microfiltration or ultrafiltration membrane modules (20), pumps (21) for permeate extraction, system of blowers (19b), and diffuser grill (18b).
  • the aerobic filtration chamber further comprises a pump (16b) between the area filled with suspended plastic particles (14b) and the area with filtration membranes (20).
  • the aerobic filtration chamber (3) is formed by the following elements: filling of plastic particles (14b), perforated partition (23), tubular mesh (15b) provided with a pump (16a) for recirculate the mixing liquor with nitrates into the anoxic chamber (2), internal recirculation pump (16b) between the areas with filtration membranes and the area filled with plastic particles (14b) of the aerobic filtration chamber (3), membrane modules (20) submerged in microfiltration or ultrafiltration and their corresponding permeate pumps (21).
  • a grill air diffuser system (18a) and an air blower (19a) at the bottom of the area filled with plastic particles (14b) there is a grill air diffuser system (18a) and an air blower (19a).
  • the area with filtration membranes is provided with an aeration system (18b) of the submerged membranes (20), using an additional blower (19b).
  • the filler of the aerobic filtration chamber is formed by plastic particles (14b), of the same characteristics as those indicated above for the filling of plastic particles (14a) of the anoxic chamber.
  • the apparent volume occupied by the plastic filler will be between 10 and 60% of the volume of the area filled with plastic particles (14b) of the aerobic filtration chamber (3).
  • an air diffuser grill (18a) is installed, which distributes the air supplied by the blower ( 19a) in order to transfer the oxygen that is required for the biological degradation reactions and promote the movement of the bed of plastic particles, reserving some diffuser units to avoid, also, the clogging of the metal tubular mesh (15b) with solids in suspension (figure 4).
  • the growth of heterotrophic and autotrophic aerobic bacteria is promoted, both in suspension in the mixed liquor and adhered to the filling of plastic particles (14b), forming biofilms, which degrade those biodegradable compounds present in the effluent of the anoxic chamber (2) and oxidizes the ammonium to nitrite and / or nitrate by aerobic nitrifying bacteria.
  • plastic particles (14b) plastic particles
  • biofilms which degrade those biodegradable compounds present in the effluent of the anoxic chamber (2) and oxidizes the ammonium to nitrite and / or nitrate by aerobic nitrifying bacteria.
  • the mixing liquor passes from the area filled with plastic particles to the area with filtration membranes by means of a perforated partition (23) with a passing light smaller than the size of the plastic filling particles (14b) used.
  • the mixture of wastewater treated with suspended biomass (mixing liquor) is internally recirculated from the bottom of the area with filtration membranes to the bottom of the area filled with plastic particles (14b) of the aerobic filtration chamber (3) by means of a pump (16b).
  • microfiltration or ultrafiltration membrane modules (20) are installed in the area with filtration membranes, which can be both hollow fiber and flat plate. From said membrane modules, the purified waste water, free of suspended solids and microorganisms, is evacuated through the pipes and permeate pump (s) (21).
  • thick or fine bubble diffusers (18b) associated with blowers (19b), installed below the membrane modules, are installed to prevent or limit fouling thereof, in accordance with the specifications of the supplier of the membrane
  • Part of the purified water will be filtered and free of suspended solids, as permeate, through the membrane modules (20), while another part with the concentrated suspended solids will return to the area filled with plastic particles by means of a pump ( 16b) to favor homogenization between the two areas of the aerobic filtration chamber (3) and avoid the accumulation of suspended solids in the area with filtration membranes.
  • Part of the water purified with the suspended solids is recirculated from the area filled with plastic particles in the aerobic filtration chamber (3) to the anoxic chamber (2), by means of a tubular mesh (15b) for the extraction of water provided with a pump (16a), providing the nitrate and / or nitrite necessary for the removal of nitrogen, by means of the biological denitrification reaction, using mainly as a carbon source the dissolved methane present in the effluent of the methanogenic anaerobic chamber (1) and avoiding the accumulation of suspended solids in the aerobic filtration chamber (3).
  • the system of the invention is especially recommended for the treatment of wastewater with low concentrations of organic matter, preferably between 150 and 5000 mg / L of COD. Between 60 and 85% of the organic matter that contains the wastewater will be eliminated in the anaerobic methanogenic stage, producing a biogas with a 50-80% content in methane and 20-50% in carbon dioxide, which is collected by the bells (7) and the conduction system (12). The rest of the organic matter will be eliminated in the anoxic and aerobic stages of filtration.
  • the system of the invention is also especially recommended for the removal of total nitrogen in wastewater, allowing a removal of between 15 and 50 mg / L of the total nitrogen.
  • the invention relates to a process, hereinafter, "the process of the invention", for the removal of organic matter and nitrogen in wastewater with COD concentrations comprised between 150 and 5000 mg / L by means of a integrated system of anaerobic methanogenic reactor and membrane bioreactor comprising three treatment stages: anaerobic methanogenic stage, anoxic stage with biofilms and suspended biomass and aerobic stage of filtration with biofilms and suspended biomass, where the total nitrogen elimination is comprised 15 and 50 mg / L.
  • the methanogenic anaerobic treatment stage is produced thanks to an anaerobic sludge mantle (6) arranged in a methanogenic anaerobic chamber (1), which degrades between 60 and 85% of the organic matter that contains the wastewater, in terms of Chemical Oxygen Demand (COD), producing a biogas with a content of 50-80% in methane and 20-50% in carbon dioxide, which is collected by bells (7).
  • COD Chemical Oxygen Demand
  • the residual water is homogeneously introduced through the lower part of the sludge mantle thanks to a pump (1 1), using distribution casings (4) and plastic hoses ( 5).
  • the wastewater treated in the methanogenic anaerobic chamber (1) leaves it through overflows (9) placed along the surface of the water sheet, and the level of the sludge mantle is controlled by purging sludge from said mantle through a conduit and sludge purge pump (10).
  • the anoxic treatment step is based on the use of heterotrophic anoxic microorganisms that grow in suspension in the mixed liquor and adhered, forming biofilms, to a filler of plastic particles (14a) that are in an anoxic chamber ( 2) and that move thanks to a mechanical stirrer (22).
  • said microorganisms eliminate those biodegradable compounds that have not been eliminated during the anaerobic methanogenic treatment stage together with the methane dissolved in the effluent of said stage, using them as a carbon source to denitrify the nitrogen in the form of nitrate or nitrite, which is recirculated from the stage of aerobic filtration treatment.
  • the step of aerobic filtration treatment is based on the use of aerobic heterotrophic and nitrifying microorganisms that grow in suspension in the mixed liquor and adhered, forming biofilms, to the filling of plastic particles (14b) found in the area filled with plastic particles of an aerobic filtration chamber.
  • said microorganisms eliminate those biodegradable compounds that have not been eliminated during the anaerobic methanogenic or anoxic treatment stages and oxidize the ammonium from the anoxic treatment stage, transforming it into nitrate and / or nitrite.
  • microorganisms are generated by biological degradation of the organic pollutants and nitrogen ions within the biofilms or in the sludge in suspension.
  • the use of mobile plastic particles limits the clogging of the landfill because in them the release of aerobic biomass generated in excess is promoted.
  • the sludge with generated suspended solids returns from the area filled with plastic particles (14b) of the aerobic filtration chamber to the anoxic chamber through a tubular mesh (15a) for water extraction located at the top of the anoxic chamber and a pump (16a).
  • filtration is achieved by using submerged membrane modules (20) in an area with filtration membranes, which is separated from the area filled with plastic particles ( 14b) thanks to a perforated partition (23), forming part of an aerobic filtration chamber.
  • the sludge with suspended solids returns internally from the zone with filtration membranes to the area filled with plastic particles (14b) in the aerobic filtration treatment stage by means of a pump (16b).
  • the method further comprises the use of a recirculation system with a pump (17) and a recirculation valve (25a) installed in the anoxic chamber (2); so that the sludge from the anaerobic sludge mantle (6) of the methanogenic anaerobic treatment stage that had migrated to the anoxic and aerobic filtration stages is returned and at the same time, anaerobic digestion of the excess sludge generated during the Treatment stages in the anoxic chamber (2) and aerobic filtration chamber (3).
  • the pump (17) is further used to purge excess sludge by a purge valve (25b).
  • the invention relates to the use of the system and the process of the invention, as described above, for the purification of organic matter and nitrogen in urban and / or industrial wastewater.
  • said wastewater has concentrations of organic matter measured as COD, preferably between 150 and 5000 mg / L, and the total nitrogen removal that occurs is between 15 and 50 mg / L.
  • said use is preferably produced at temperatures above 15 ° C.
  • An overall organic loading rate of 1.0 kg COD / m 3 d is set, which is between 0.5 and 3 kg COD / m 3 d, under which the invention of the SIAM system could operate.
  • the total volume of the biological reactor is 1250 m 3 .
  • the volume of the chambers is as follows: anaerobic chamber 812.5 m 3 , anoxic chamber 250 m 3 and aerobic chamber and filtration chamber 187.5 m 3 of joint volume, considering that the volume is distributed in 65% for the anaerobic chamber, 20% for the anoxic chamber and 15% for the aerobic filtration chamber.
  • the apparent volume of support, used in the anoxic chamber is about 125 m 3 if a rigid plastic support is used or 50 m 3 if polymeric foam is used.
  • Between 60 and 85% of the biodegradable COD present in the wastewater inlet is degraded in the methanogenic anaerobic chamber, the remaining 15-40% being eliminated in the aerobic chamber or even in the membrane chamber.
  • the sludge production is 150 kg SST / d
  • the filtered or permeated effluent has a COD less than 40 mg / L, BOD 5 less than 5 mg / L, removing between 15 and 50 mg / L NT of waste water purified that is practically free of suspended solids and microorganisms, even facilitating a potential reuse of purified wastewater, while the membrane modules operate with flows equal to or greater than 15-20 L / m 2 h.
  • FIGURES Figure 1 Three-dimensional perspective of the Integrated Anaerobic Methanogen reactor and Membrane bioreactor (SIAM) system.
  • the aerobic filtration chamber (3) is divided into two zones, an area where the filling of suspended plastic particles (14b) is located and an area where the filtration membranes (20) are located separated by a perforated partition (23) .
  • FIG. 3 Detail of the wastewater distribution system (13) used in the lower part of the anoxic chamber (2) and detail AA 'of the cross section of one of the arms of the distribution system in which the section of the holes of which each arm consists is observed.
  • FIG. 4 Detail of the duct formed by a tubular mesh (15a, 15b) that is used to extract the treated water in the anoxic chamber (2) to the aerobic filtration chamber (3) or to recirculate part of the treated water in the aerobic filtration chamber (3) to the anoxic chamber (2).

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Biological Treatment Of Waste Water (AREA)

Abstract

Sistema Integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas, y procedimiento para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales urbanas o industriales, preferiblemente con concentraciones de DQO comprendidas entre 150 y 5000 mg/L y donde las eliminaciones de nitrógeno total que se producen están comprendidas entre 15 y 50 mg/L, a temperaturas superiores a 15 ºC. La depuración del agua residual tiene lugar gracias a tres etapas de tratamiento: etapa anaerobia metanogénica, etapa anóxica con biopelículas y biomasa en suspensión y etapa aerobia de filtración con biopelículas y biomasa en suspensión.

Description

Sistema Integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales.
SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención plantea un Sistema Integrado formado por un reactor Anaerobio metanogénico y un biorreactor de Membranas (SIAM), especialmente diseñado para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales urbanas o industriales mediante el uso de un sistema integrado de biorreactores que genere una menor producción de lodos, menor consumo de energía, y en el que se obtiene un efluente final libre de sólidos en suspensión y baja concentración de nitrógeno total y materia orgánica.
La presente invención combina las ventajas de sistemas biológicos anaerobios, baja producción de fango y generación de un biogás aprovechable, y los aerobios, baja Demanda Química de Oxígeno (DQO) del efluente depurado, a temperatura ambiente, y de los sistemas de filtración de membranas, alta calidad del efluente con concentraciones muy bajas de sólidos en suspensión o microorganismos. El sistema y el procedimiento permiten la eliminación de nitrógeno del agua residual utilizando como fuente de carbono metano disuelto presente en el efluente del reactor metanogénico, reduciendo de este modo las emisiones a la atmósfera de un gas de efecto invernadero, metano, presente en el efluente de biorreactores metanogénicos. El sistema integrado está especialmente indicado para la depuración de aguas residuales urbanas o industriales con concentraciones bajas o moderadas de materia orgánica (entre 150 y 5.000 mg/L de DQO), permitiendo una reducción de nitrógeno total en el agua depurada comprendida, normalmente, entre 15 y 50 mg/L que facilitaría ora sea el vertido directo del agua ora su reuso en riegos o procesos industriales.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Se plantea un Sistema Integrado formado por un reactor Anaerobio metanogénico y un biorreactor de Membranas (SIAM) que es resultado de la mejora de la solicitud de patente ES2385002-A1 de reactor biológico de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración recomendado para la eliminación de materia orgánica, sólidos en suspensión y microrganismos en aguas residuales depuradas, pero que no alcanzaba una eliminación apreciable de nitrógeno total en el agua residual , y otras limitaciones del estado de la técnica. Con la presente invención se pretende aprovechar el metano disuelto de forma natural, en el efluente de la etapa anaerobia metanogénica, para eliminar parte del nitrógeno total presente en el agua residual depurada. De esta forma se logran dos objetivos ambientales positivos, eliminar compuestos de nitrógeno del agua residual reduciendo de paso las emisiones de metano, gas con un elevado poder de efecto invernadero, mejorando notablemente el comportamiento ambiental de la instalación.
Por ello, a continuación se realiza una revisión del estado del arte en cuanto a los procesos de eliminación de nitrógeno de aguas residuales en general y en particular al uso de sistemas metanogénicos para la depuración de aguas residuales y el potencial uso de metano como fuente de carbono en la reacción de desnitrificación biológica.
Procesos de eliminación de nitrógeno
La depuración biológica de compuestos de nitrógeno en aguas residuales se efectúa mediante una secuencia de etapas en serie, en la primera etapa de hidrólisis el nitrógeno orgánico presente en el agua residual se hidroliza liberando ión amonio, en la segunda etapa de nitrificación el amonio se oxida a nitrito o nitrato y en la tercera etapa de desnitrificación, se produce la reducción de los aniones de nitrógeno a nitrógeno gas, usando normalmente una fuente de carbono como dador de electrones.
De las diversas configuraciones para el tratamiento integral de nitrógeno y materia orgánica, las más atractivas son aquellas en que la oxidación de materia orgánica y nitrificación-desnitrificación se combinan en un proceso de tratamiento conjunto. En estos procesos el reactor está dividido en dos o más cámaras, unas sin airear (cámaras anóxicas) y otras aireadas (cámaras aerobias). En las cámaras anóxicas se reduce el nitrito y nitrato a nitrógeno gas, empleando como fuente de carbono la materia orgánica presente en el agua residual y en las cámaras aerobias tiene lugar la oxidación de amonio a nitrito y nitrato y la oxidación de los restos de materia orgánica que no se hubiesen degradado en las cámaras anóxicas. La reacción de desnitrificación permite un ahorro de oxígeno al recuperar parte del oxígeno y la alcalinidad consumida en la oxidación de amoniaco a nitrato (Metcalf & Eddy Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4a Edición, Ed. McGraw Hill 2003). En cuanto a tecnologías utilizadas es habitual emplear el sistema de lodos activos y sus múltiples configuraciones o sistemas de biopelícula como serían los biofiltros sumergidos (Metcalf & Eddy 2003 Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4a Edición, Ed. McGraw Hill 2003). La cantidad de materia orgánica que suele precisarse para desnitrificar los iones nitrito y nitrato, suele rondar entre 4 y 8 g- DQO/g-N eliminado.
A bajas relaciones de DQO/N el proceso de desnitrificación suele estar limitado por la presencia de materia orgánica, siendo práctica habitual el añadir una fuente externa de materia orgánica (por ejemplo metanol o ácido acético), lo que aumenta los costes de operación del sistema (Isaacs S.H. y Henze M., Wat.Res. 29(1), 77 (1995)). En estos casos, aguas residuales con baja relación DQO/N, se puede contemplar el uso de biorreactores en los que se promueva la eliminación autotrófica de nitrógeno, fomentando el crecimiento conjunto de bacterias nitritooxidantes, que oxidarían parte del amonio a nitrito y bacterias anammox que realizan la desnitrificación utilizando el ión amonio como dador de electrones y el nitrito como aceptor de electrones; de esta forma se produce nitrógeno gas en ausencia de cualquier fuente orgánica de carbono. Un ejemplo de sistemas de eliminación autotrófica de nitrógeno son los sistemas Sharon-Anammox CANON y OLAND (Li A. et al. Recent Patents on Engineering 2008, 2, 189-194), sin embargo, el uso de los sistemas basados en bacterias autotróficas nitritooxidantes y anammox está limitado a tratar corrientes de aguas residuales con concentraciones moderadas o altas de compuestos de nitrógeno a temperaturas próximas a 35-37 °C, siendo muy difícil y compleja la operación a temperaturas menores de 20 °C (Strous et al., Appl. Environ. Microbiol, 65, 3248 (1999)) Tratamiento anaerobio metanogénico de aguas residuales
Los procesos anaerobios metanogénicos han sido utilizados ampliamente para el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales; estos sistemas poseen una serie de ventajas como son el menor consumo de energía eléctrica, la posible recuperación de energía del metano que se genera y la menor producción de lodos en comparación con las tecnologías de tratamiento biológico aerobio. Los procesos anaerobios se utilizan ampliamente en países con climas templados o cálidos para el tratamiento de aguas residuales urbanas, a temperatura ambiente, o para el tratamiento de aguas residuales industriales con alta concentración de materia orgánica aunque operando normalmente el biorreactor a temperaturas de unos 35-37 °C en sistemas anaerobios mesófilos o 55-60 °C en sistemas anaerobios termófilos.
Entre las tecnologías de tratamiento anaerobio desarrolladas en las últimas décadas se pueden destacar la del filtro anaerobio (AF), reactores de mantos de lodos (UASB), reactores de lecho expandido (EGSB) (Speece, R.E., Anaerobio Biotechnology for Industrial Wastewater, Archae Press, Nashville, Tennessee (1996)). De entre todas estas tecnologías solamente la de reactores UASB ha tenido cierto éxito para el tratamiento de aguas residuales urbanas debido a su simplicidad y a las facilidades que presenta su operación.
El reactor UASB (Upflow Anaerobio Sludge Blanket), desarrollado en los años 70 en los Países Bajos, está formado por un manto de lodo anaerobio, que se localiza en la parte inferior del sistema, y un separador Gas-Líquido-Sólido (GLS), situado en parte superior del reactor. El manto de lodo en el fondo del reactor está formado tanto por la acumulación de sólidos en suspensión como de microorganismos agregados tanto en forma de flóculos como de gránulos. El separador GLS permite recuperar gran parte de los sólidos que son arrastrados por la corriente ascendente de agua y biogás, recogiendo las burbujas de biogás mediante una serie de campanas ubicadas estratégicamente a lo largo de la parte superior del sistema.
La tecnología UASB ofrece una manera simple y eficaz de reducir la presencia de contaminantes orgánicos de aguas residuales urbanas, en regiones cálidas o tropicales del planeta en los que el agua residual presenta una temperatura mayor de 20 °C, a lo largo del año. Su uso se ha popularizado en países como la India, Pakistán, China, Colombia, Brasil, Indonesia o Egipto. Algunas de las plantas instaladas utilizan el biogás generado para cubrir las demandas energéticas de la Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR). Esta tecnología no es viable para el tratamiento de aguas residuales urbanas en países con climas fríos o templados debido a la baja productividad celular, la baja actividad de los microorganismos y la posible pérdida de biomasa por arrastre de parte de la biomasa generada en el efluente final (lavado). Además el tratamiento anaerobio de aguas residuales urbanas con sistemas UASB no suelen estar recomendados en países con estándares ambientales elevados, no alcanzando los límites de vertido marcados en la Unión Europea en términos de DQO, DB05, SST o NT (Directiva 91/271/CEE de depuración de aguas residuales urbanas).
Gran parte de estos problemas se evitan utilizando sistemas de filtración de membranas como los señalados en la invención de reactor biológico de membranas de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración para la depuración de aguas residuales urbanas (solicitud ES2385002-A1) que además permite obtener un efluente depurado con muy baja concentración de materia orgánica (en términos de DQO, DB05 o SST) operando la membrana con unos rendimientos más elevados que los normalmente asociados a sistemas de biorreactores anaerobios de membrana (Sánchez et al., Wat. Res., 47, 1227 (2013)).
Uno de los principales problemas de los pretratamientos anaerobios es la salida de metano disuelto en el efluente tratado, estos efluentes tienen una concentración elevada de metano disuelto que se encuentra en equilibrio con la fase gas según la ley de Henry o incluso ligeramente sobresaturadas respecto a dicha fase gas. La solubilidad de metano en agua depende de su presión parcial y la temperatura. A modo de ejemplo se puede estimar que el metano disuelto en el efluente de una etapa anaerobia puede estar comprendido entre 21 y 25,5 mg/L, datos calculados a temperaturas de 17 a 25 °C y presiones parciales de metano en fase gas de 0,75 a 0,8 atm.
La presencia de metano disuelto representa un problema ambiental importante en términos de emisiones de gases invernaderos asociados al tratamiento de aguas residuales en biorreactores metanogénicos. El metano tiene un potencial de efecto invernadero 25 veces más alto que el dióxido de carbono. Para el tratamiento de aguas residuales urbanas, el metano disuelto en el efluente podría suponer hasta el 50 % del metano total generado en el sistema anaerobio, hallándose presente el restante en el biogás generado. El metano disuelto se desorbe fácilmente de los efluentes, ya sean aquellos que se descargan directamente en el ambiente, o especialmente aquellos que se post-traten en un biorreactor aerobio, incrementando notablemente la emisión de gases de efecto invernadero asociados a la depuración de aguas residuales. Estos problemas se podrían evitar usando tecnologías de post-tratamiento como son los biofiltros o las columnas de desorción asociadas a incineradores térmicos de gases, pero presentan problemas asociados a su baja eficacia o elevados costes de operación (Scheutz C. et al., Waste Manag. Res., 27, 409, (2009)).
Uso de metano como fuente de carbono en la reacción de desnitrificación biológica.
La desnitrificación biológica de aguas residuales con pobre contenido de materia orgánica requiere a un donante externo de electrones. El metano es un donante de electrones disponible y barato para la desnitrificación de un agua residual tras un tratamiento metanogénico. Está reacción en condiciones estándar es posible desde el punto de vista termodinámico (ΔΘ0 = -767 kJ-mol" ) Desde el punto de vista cinético, la desnitrificación biológica usando metano como dador de electrones puede tener lugar mediante tres vías:
1) Oxidación aeróbica de metano acoplada a desnitrificación. Se lleva a cabo por un consorcio microbiano en el que coexisten bacterias metanótrofas aeróbicas que oxidan el metano a diversos productos de oxidación y bacterias heterótrofas desnitrificantes que utilizan dichos productos de oxidación parcial como donantes de electrones en la reacción de desnitrificación. La estequiometria teórica del proceso estaría definida por la reacción (1).
5CH4 + 502 + 4N03 " +4H+→ 2N2 + 12H20 + 5C02 (1)
2) Oxidación anóxica de metano acoplada a desnitrificación. La oxidación anóxica de metano sería llevada a cabo gracias a una asociación de arqueas metanógenas y bacterias sulfatorreductoras que utilizan nitrato en lugar de sulfato como aceptor de electrones.
3) Desnitrificación metanótrofa directa. La oxidación anaerobia de metano es llevada a cabo gracias a unas bacterias pertenecientes al tipo NC10 que metabolizan nitrito vía óxido nítrico hasta nitrógeno gas sin la necesidad de una asociación con arqueas. Estas bacterias han sido enriquecidas en reactores secuenciales (Kampman et al., J. Hazard. Mat., 227-228, 164 (2012)). La estequiometria para este proceso vendría dada por la reacción (2):
5 CH4 + 8N03 " + 8H+→ 5C02 + 4N2 + 14H20 (2)
ΔΘ0 = - 767 kJ mol"
En la presente invención de Sistema Integrado de reactor Anaerobio metanogénico y biorreactor de Membranas, se utilizará el metano disuelto presente en el efluente como fuente de carbono para desnitrificar en la etapa anóxica.
Mejoras obtenidas con la presente invención
La presente invención de Sistema Integrado de reactor metanogénico y biorreactor de membranas, supone una mejora sobre el estado de la técnica, en particular sobre el reactor biológico de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración de la solicitud de patente ES2385002-A1 para el tratamiento biológico de aguas residuales urbanas o industriales con concentraciones bajas o moderadas de DQO materia orgánica (entre 150 y 5000 mgDQO/L) y nitrógeno, en los que se deba eliminar los contaminantes orgánicos del agua residual a temperaturas moderadas, permitiendo la eliminación de 15 a 50 mg/L de nitrógeno total .
Una de las principales características del reactor biológico propuesto estriba en combinar de forma adecuada las tres etapas de tratamiento: etapa anaerobia metanogénica, etapa anóxica y etapa aerobia de filtración con membranas de microfiltración o ultrafiltración sumergidas. Las etapas anóxica y aerobia de filtración combinan la presencia de biomasa en suspensión y adherida en biopelículas sobre un material compuesto de partículas plásticas en suspensión. En el caso de la etapa aerobia de filtración, la membrana se ubicará en una zona donde no habrá soportes plásticos. La combinación adecuada de las tecnologías de tratamiento anaerobia, anóxica y aerobia de filtración de membranas permite aprovechar en el mismo reactor biológico, las ventajas y fortalezas de cada una de las tecnologías como son el menor consumo de energía y producción de lodos asociados a los procesos biológicos anaerobios, la mayor estabilidad y menor DQO del agua depurada asociada a los procesos aerobios, y mayor calidad del efluente con ausencia de microorganismos y sólidos en suspensión, asociados a los tratamientos de filtración con membranas y la posibilidad de eliminar nitrógeno en condiciones anóxicas, evitando los problemas que se asocian, por separado, a cada una de estas tecnologías. Uno de los principales problemas de los pre-tratamientos anaerobios es la salida de metano disuelto en el efluente tratado, especialmente a bajas temperaturas.
El agua residual se introduce en la cámara anaerobia metanogénica, donde se elimina una parte importante de la DQO del agua residual, generándose un biogás rico en metano. El agua que sale de esta etapa, con menor concentración de DQO, pero saturada de metano, llega a la cámara anóxica, donde se promueve el crecimiento de microorganismos en suspensión con el licor de mezcla o adheridos a partículas de soporte plástico en forma de biopelícula, en las que se elimina la fracción de DQO residual y el metano disuelto como fuentes de carbono para desnitrificar el nitrato generado en la etapa 3. En la etapa aerobia de filtración se promueve la oxidación del amonio a nitrito y/o nitrato, el cual se recircula a la cámara anóxica, donde tiene lugar la eliminación de nitrógeno. También en la etapa aerobia de filtración el agua es filtrada mediante membranas sumergidas que se encuentran confinadas en una zona libre de soportes plásticos gracias a un tabique perforado, produciendo un permeado con una DQO menor de 40 mg/L, una DB05 menor de 5 mg/L, un nitrógeno total menor de 15 mg/L y libre de sólidos en suspensión y microorganismos. Mediante el uso de una membrana de filtración se evita la salida tanto de la biomasa anaerobia que se lava de la primera cámara, como de la biomasa aerobia que se pueda desprender de la biopelícula. Dicha biomasa se puede recircular a la cámara anaerobia, evitando con ello el lavado de biomasa anaerobia y la pérdida de la capacidad de depuración de la cámara, observado en los sistemas anaerobios metanogénicos convencionales para el tratamiento de aguas residuales de baja carga, urbanas o industriales, a temperaturas bajas o templadas. La recirculación de la biomasa aerobia formada, hacia la cámara anaerobia metanogénica, implica que en dicha etapa se produzca, asimismo, una etapa de digestión y estabilización del lodo generado en la cámara aerobia, mejorando ligeramente la producción de biogás en el sistema y reduciéndose la cantidad de fango generado en el proceso biológico de depuración de aguas. Opcionalmente se puede purgar y conducir el fango procedente de la cámara anaerobia, junto con biomasa en exceso generada en la etapa anaerobia, a una unidad de gestión de fangos. Gracias al uso de las etapas anóxica y aerobia de filtración, en las que se promueve el desarrollo de biomasa adherida como biopelícula en partículas de soporte plástico, se mejora sustancialmente la eliminación de materia orgánica soluble o coloidal, de forma que se evita que estos compuestos puedan llegar a la zona con membranas de filtración y se pongan en contacto con los módulos de membrana, disminuyendo con ello el ensuciamiento de las membranas sumergidas, lo que da más estabilidad a la operación de las unidades de filtración (Sánchez et al., Wat. Res., 47, 1227 (2013)). De esta forma se evitan los problemas asociados al uso de biorreactores de membrana anaerobios, en los que el ensuciamiento de los módulos de membrana impide lograr flujos (caudal tratado por metro cuadrado de membrana) altos y se logra un reactor biológico de alta estabilidad en los que se pueden operar los módulos de filtración de membranas con los flujos observados en biorreactores de membranas aerobios, pero sin generar tanto fango ni consumir tanta energía como se observa en estos procesos.
Se señala como ventaja adicional de la presente invención, que el biogás generado permitiría para ciertas aplicaciones cubrir una parte importante de la energía que se requiere para la aireación de la cámara aerobia de filtración con biopelículas y la operación de las membranas de filtración DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y de nitrógeno total en aguas residuales. El sistema es especialmente útil para el tratamiento biológico de aguas residuales urbanas o industriales con concentraciones bajas o moderadas de materia orgánica, preferiblemente entre 150 y 5000 mg/L de materia orgánica, medida como DQO, y en especial permite la eliminación de 15 a 50 mg/L de nitrógeno total presente en las aguas residuales. El sistema puede operar a temperatura ambiente y preferentemente a temperaturas superiores a 15 °C. En un primer aspecto, la invención se refiere a un sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales, de aquí en adelante, "el sistema de la invención", caracterizado por estar compuesto de tres cámaras: una cámara anaerobia metanogénica (1), una cámara anóxica (2) que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14a), y una cámara aerobia de filtración (3) que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y membranas de filtración (20).
En las figuras 1 y 2 se representan las características esenciales del sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas, mientras que en las figuras 3 y 4 se señalan algunos detalles esenciales de diseño de la invención.
En una realización preferida, la cámara anaerobia metanogénica (1) comprende: arquetas de reparto (4) con mangueras plásticas (5), un manto de fango anaerobio (6), campanas (7) y conducciones (12) para la recogida de biogás, deflectores (8), rebosaderos (9), bomba (10) para la purga de fango en exceso y una cubierta (24). En una realización más preferida, el manto de fango anaerobio (6) está situado en la parte inferior de la cámara anaerobia metanogénica (1). En otra realización más preferida, las campanas (7) y conducciones (12) para la recogida de biogás están situadas en la parte superior de la cámara anaerobia metanogénica (1). En otra realización más preferida, los deflectores (8) están situados en la parte inferior de la cámara anaerobia metanogénica (1). En la cámara anaerobia metanogénica (1) se deben promover tanto el reparto homogéneo del agua residual introducida en la parte inferior del manto de fangos, como la correcta separación del agua tratada de las burbujas de biogás o de los sólidos en suspensión que pudiese arrastrar. Para ello se disponen una serie de elementos en dicha cámara: arquetas de reparto (4) con mangueras plásticas (5), manto de fango anaerobio (6), preferiblemente en la parte inferior del reactor, campanas (7) y conducciones (12) para la recogida de biogás, preferiblemente en la parte superior de la cámara, deflectores (8), preferiblemente instalados en la parte inferior de la cámara, rebosaderos perimetrales (9), bomba (10) para la purga de fango anaerobio en exceso y una cubierta (24) para mantener confinados los olores que se pudiesen generar o emitir desde la cámara anaerobia metanogénica (1).
El agua residual bruta se alimenta a la primera cámara anaerobia metanogénica (1) mediante gravedad, o si la cota del agua no lo permitiese mediante el uso de un sistema de bombeo (1 1), utilizando para ello las arquetas de reparto (4) ubicadas en la parte superior de la cámara. Por ello, en una realización más preferida, la cámara anaerobia metanogénica (1) además comprende una bomba (1 1) de alimentación. De dichas arquetas de reparto parten una serie de mangueras plásticas (5) que tienen como cometido el introducir el agua residual de entrada a la parte inferior del manto de fango anaerobio (6). El agua residual fluye en sentido ascendente a través del manto de fango anaerobio. El manto de fango anaerobio está constituido por microorganismos anaerobios que degradan los contaminantes orgánicos presentes en el agua residual de entrada, formando un biogás con alto contenido en metano y dióxido de carbono. El biogás se recoge, utilizando una serie de campanas (7), a las cuales se han conectado conducciones (12) que transportarán el biogás hacia el sistema de almacenamiento, incineración o aprovechamiento energético, que se instale para la correcta gestión del biogás producido. Las placas deflectoras (8) utilizadas en la parte inferior de la cámara anaerobia metanogénica (1) se utilizan para vehiculizar parte del biogás formado en zonas próximas a las placas, hacia las campanas (7) de recogida, evitando de esta forma que las burbujas de biogás generadas puedan salir libremente de dicha cámara, junto con el agua tratada.
La salida del agua residual tratada de la cámara anaerobia se realiza a través de una serie de rebosaderos (9), preferiblemente ubicados en la parte superior de la cámara anaerobia metanogénica (1) a lo largo de la lámina de agua, y que van a marcar el nivel máximo del agua en la cámara. La función de dichos rebosaderos es promover el ascenso homogéneo del agua en la parte superior de la cámara, evitando la aparición de flujos preferentes, de forma que se promueva la decantación de gran parte de las partículas de lodo que hayan ascendido con el agua hacia la parte superior de la cámara. La cámara anaerobia metanogénica (1) estará dotada de una cubierta (24) que evite la dispersión de olores en el ambiente, así como de una conducción y bomba que se utiliza para purgar el fango en exceso (10) y mantener estable el nivel del manto de fangos (6) en dicha cámara.
En otra realización preferida, la cámara anóxica (2), además del relleno de partículas plásticas en suspensión (14a), comprende los siguientes elementos: un sistema de distribución (13) formado por tubos perforados, una malla de forma tubular (15a), un agitador mecánico (22) y una bomba (17). En una realización más preferida, la malla de forma tubular (15a) tiene una luz de paso menor que el tamaño de las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) de la cámara anóxica (2). En otra realización más preferida, la bomba (17) está situada entre la cámara anóxica (2) y la cámara anaerobia metanogénica (1). En otra realización más preferida, la bomba (17) está asociada a cualquiera de los elementos seleccionados de la lista que comprende: válvula de recirculación (25a) y válvula de purga (25b). En otra realización más preferida, el fondo o solera de la cámara anóxica tiene una pendiente ligera, preferiblemente una pendiente comprendida entre 1/20 y 1/5 m/m. En otra realización más preferida, el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) de la cámara anóxica (2) consiste en partículas que ocupan entre el 10% y el 60% de volumen aparente de la cámara anóxica (2). En otra realización más preferida, el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) de la cámara anóxica (2) consiste en un elemento seleccionado de la lista que comprende: partículas granulares plásticas de aspecto rugoso, anillos Raschig de plástico, partículas de espuma polimérica o productos comerciales análogos que promuevan la formación de biopelículas de microorganimos.. En otra realización más preferida, las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) de la cámara anóxica (2) tienen un tamaño comprendido entre 1 y 50 mm.
Por tanto, en una realización preferida, la cámara anóxica (2) está formada por los siguientes elementos: relleno de partículas plásticas en suspensión (14a), sistema de distribución (13), malla tubular (15a) para la extracción del agua, agitador mecánico (22) y bomba de recirculación (17) entre las cámaras anóxica (2) y anaerobia metanogénica (1). El agua procedente de la cámara anaerobia metanogénica (1) se lleva hacia la cámara anóxica (2) utilizando para ello un sistema de distribución (13) que se muestra en las figuras 1 y 2 y se detalla en la figura 3. Dicho sistema de distribución está formado por una serie de brazos o tubos paralelos dotados de una hilera de orificios en la zona inferior de los mismos, por los que se distribuirá homogéneamente el agua residual en la sección inferior de la cámara anóxica (2). El sistema de distribución se dispone preferiblemente en la parte inferior de la cámara anóxica (2), de modo que el flujo neto de agua residual se produce en dirección ascendente hacia la parte superior de la cámara anóxica (2), atravesando el relleno de partículas plásticas (14a) y saliendo por una malla tubular (15a) para la extracción del agua dispuesta, preferiblemente, en la parte superior del sistema.
El relleno está formado por partículas plásticas (14a), de densidad similar a la del agua, que pueden moverse libremente en el seno de dicha cámara. El uso de un soporte de partículas plásticas móviles limita además la colmatación o atascamiento del lecho de relleno por acumulación de biomasa, ya que en los mismos se promueve el equilibrio entre los procesos de crecimiento microbiano en la biopelícula y desprendimiento de biomasa desde la misma. Como relleno puede utilizarse tanto partículas granulares plásticas, de aspecto rugoso, anillos Raschig de plástico, productos comerciales como son los anillos Kaldnes K1 , K2 o K3 de la casa AnoxKaldnes (AnoxKaldnes global AB, Suecia), partículas de espuma plástica, tipo Linpor, o cualquier otro producto de partículas plásticas análogo que promueva la formación de una biopelícula. El tamaño de partícula de dicho relleno está comprendido preferentemente entre 1 y 50 mm.
En la cámara anóxica (2) se promueve el crecimiento de bacterias heterótrofas en general y metanotrofas en particular, estando presentes en suspensión en el licor mezcla o adheridas a las partículas plásticas (14a) en forma de biopelículas, que oxidan tanto aquellos compuestos biodegradables como el metano disuelto presentes en el efluente de la cámara anaerobia metanogénica (1), reduciendo a nitrógeno gas el nitrato o nitrito formado en la cámara aerobia de filtración (3) que se recircula a la cámara anóxica (2). El amonio procedente de la etapa anaeróbica metanogénica prácticamente no se elimina durante esta etapa anóxica (2). De esta forma, se garantiza tanto una alta eliminación de nitrógeno y materia orgánica biodegradable, soluble o coloidal como la disminución de emisiones de gases de efecto invernadero asociada a la degradación del metano disuelto, en la invención.
En una realización preferida, el fondo o solera de la cámara anóxica (2) tiene una pendiente ligera o moderada, preferiblemente una pendiente comprendida entre 1/20 y 1/5 m/m, y desde el fondo parte una conducción dotada con una bomba (17) que se utiliza para llevar a la cámara anaerobia metanogénica (1) tanto el lodo anaerobio que pudiese haber salido de la misma así como el lodo en suspensión generado en la cámara anóxica (2) o en la cámara aerobia de filtración (3), vehiculizando el lodo recirculado a través de una conducción dotada de una válvula de recirculación (25a). Con esta acción se evita el lavado de biomasa anaerobia de la cámara anaerobia metanogénica (1), así como se promueve la digestión anaerobia del fango formado en exceso en la cámara anóxica (2) y en la cámara aerobia de filtración (3). Alternativamente, si fuese preciso, dicho fango se puede purgar a través de una conducción dotada de una válvula de purga (25b) que se ha dispuesto para vehiculizar el fango generado en exceso hacia el sistema de gestión de fangos de la depuradora.
La mezcla de agua residual tratada con partículas de biomasa en suspensión sale de la cámara anóxica (2) por una malla tubular (15a) para la extracción del agua dispuesta en la parte superior del sistema y pasa por gravedad a la parte inferior de la cámara aerobia de filtración (3). La malla, con una luz de paso inferior a la del tamaño de partículas de soporte (y en todo caso menor siempre de 5 mm) evita la salida de partículas de relleno de la cámara anóxica (2).
En otra realización preferida, la cámara aerobia de filtración (3) se encuentra dividida en dos zonas: una zona que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y otra zona que comprende membranas de filtración (20), separadas mediante un tabique perforado (23) con agujeros de diámetro inferior al del relleno de partículas plásticas en suspensión (14b). En una realización más preferida, la zona que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) comprende, además: un sistema de difusores de aire en parrilla (18a), una soplante de aire (19a), una malla de forma tubular (15b) y una bomba (16a), donde la soplante de aire (19a) insufla aire hacia el sistema de difusores de aire en parrilla (18a). En otra realización más preferida, la malla de forma tubular (15b) tiene una luz de paso menor que el tamaño de las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3). En otra realización más preferida, el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) consiste en partículas que ocupan entre el 10% y el 60% de volumen aparente de la cámara aerobia de filtración (3). En otra realización más preferida, el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) consiste en un elemento seleccionado de la lista que comprende: partículas granulares plásticas de aspecto rugoso, anillos Raschig de plástico, partículas de espuma polimérica o productos comerciales análogos que promuevan la formación de biopelículas de microorganimos. En otra realización más preferida, las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) tienen un tamaño comprendido entre 1 y 50 mm. En otra realización más preferida, la malla de forma tubular (15b) está ubicada en la parte superior de la zona con el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3). En otra realización más preferida, la zona que comprende membranas de filtración (20) de la cámara aerobia de filtración (3) comprende: módulos de membrana (20) sumergidos de microfiltración o ultrafiltración, bombas (21) para la extracción de permeado, sistema de soplantes (19b), y parrilla de difusores (18b). En otra realización más preferida, la cámara aerobia de filtración comprende además una bomba (16b) entre la zona con relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y la zona con membranas de filtración (20).
Por tanto, en una realización preferida, la cámara aerobia de filtración (3) está formada por los siguientes elementos: relleno de partículas plásticas (14b), tabique perforado (23), malla tubular (15b) dotada de una bomba (16a) para recircular el licor de mezcla con nitratos hacia la cámara anóxica (2), bomba de recirculación interna (16b) entre la zonas con membranas de filtración y la zona con relleno de partículas plásticas (14b) de la cámara aerobia de filtración (3), módulos de membrana (20) sumergida de microfiltración o ultrafiltración y sus correspondientes bombas (21) de permeado. Además, en el fondo de la zona con relleno de partículas plásticas (14b) se dispone un sistema de difusores de aire en parrilla (18a) y una soplante de aire (19a). La zona con membranas de filtración está dotada de un sistema de aireación (18b) de las membranas sumergidas (20), usando una soplante adicional (19b).
El relleno de la cámara aerobia de filtración está formado por partículas plásticas (14b), de características iguales a las que se han señalado anteriormente para el relleno de partículas plásticas (14a) de la cámara anóxica. En una realización preferida, el volumen aparente ocupado por el relleno plástico estará comprendido entre un 10 y un 60% del volumen de la zona con relleno de partículas plásticas (14b) de la cámara aerobia de filtración (3). En otra realización preferida, en la parte inferior de la zona con relleno de partículas plásticas (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) se instala una parrilla de difusores de aire (18a), que distribuye el aire suministrado por la soplante (19a) con el fin de transferir el oxígeno que se precise para las reacciones de degradación biológica y promover el movimiento del lecho de partículas plásticas, reservando algunas unidades de difusores para evitar, asimismo, la colmatación de la malla tubular (15b) metálica con sólidos en suspensión (figura 4). En la cámara aerobia de filtración (3) se promueve el crecimiento de bacterias aerobias heterotrofas y autotrofas, tanto en suspensión en el licor mezcla como adheridas al relleno de partículas plásticas (14b), formando biopelículas, que degradan aquellos compuestos biodegradables presentes en el efluente de la cámara anóxica (2) y oxida el amonio a nitrito y/o nitrato mediante bacterias aerobias nitrificantes. De esta forma, se garantiza una alta eliminación de materia orgánica biodegradable, soluble o coloidal, y amoníaco.
El licor de mezcla pasa de la zona con relleno de partículas plásticas a la zona con membranas de filtración mediante un tabique perforado (23) con una luz de paso menor que el tamaño de las partículas plásticas de relleno (14b) utilizadas. La mezcla de agua residual tratada con biomasa en suspensión (licor de mezcla) se recircula internamente desde la parte inferior de la zona con membranas de filtración hacia la parte inferior de la zona con relleno de partículas plásticas (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) mediante una bomba (16b). En una realización preferida, en la zona con membranas de filtración se instalan módulos de membrana de microfiltración o ultrafiltración (20), que pueden ser tanto de fibra hueca como de placa plana. Desde dichos módulos de membrana se evacúa el agua residual depurada, libre de sólidos en suspensión y microorganismos, a través de las conducciones y bomba(s) de permeado (21). Dichos módulos operarán bajo las condiciones que especifique el fabricante de los mismos y estarán dotados de los elementos auxiliares que especifique o recomiende éste. En otra realización preferida, se instalan difusores de burbuja gruesa o fina (18b) asociados a soplantes (19b), instalados por debajo de los módulos de membranas, para evitar o limitar el ensuciamiento de las mismas, de acuerdo con las especificaciones del suministrador de la membrana. Parte del agua depurada saldrá filtrada y libre de sólidos en suspensión, como permeado, a través de los módulos de membrana (20), mientras que otra parte con los sólidos en suspensión concentrados retornará a la zona con relleno de partículas plásticas mediante una bomba (16b) para favorecer la homogeneización entre las dos zonas de la cámara aerobia de filtración (3) y evitar la acumulación de sólidos en suspensión en la zona con membranas de filtración. Parte del agua depurada con los sólidos en suspensión es recirculada desde la zona con relleno de partículas plásticas en la cámara aerobia de filtración (3) hacia la cámara anóxica (2), mediante una malla tubular (15b) para la extracción del agua dotada de una bomba (16a), aportando el nitrato y/o nitrito necesario para la eliminación de nitrógeno, mediante la reacción de desnitrificación biológica, empleando mayoritariamente como fuente de carbono el metano disuelto presente en el efluente de la cámara anaerobia metanogénica (1) y evitando la acumulación de sólidos en suspensión en la cámara aerobia de filtración (3).
El sistema de la invención está especialmente recomendado para el tratamiento de aguas residuales con bajas concentraciones de materia orgánica, comprendida preferentemente entre 150 y 5000 mg/L de DQO. Entre el 60 y el 85% de la materia orgánica que contiene el agua residual será eliminada en la etapa anaerobia metanogénica, produciéndose un biogás con un contenido un 50-80% en metano y un 20-50% en dióxido de carbono, que es recogido por las campanas (7) y el sistema de conducciones (12). El resto de la materia orgánica será eliminada en las etapas anóxica y aerobia de filtración.
El sistema de la invención está también especialmente recomendado para la eliminación de nitrógeno total en aguas residuales, permitiendo una eliminación de entre 15 y 50 mg/L del nitrógeno total. En otro aspecto, la invención se refiere a un procedimiento, de aquí en adelante, "el procedimiento de la invención", para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales con concentraciones de DQO comprendidas entre 150 y 5000 mg/L mediante un sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas que comprende tres etapas de tratamiento: etapa anaerobia metanogénica, etapa anóxica con biopelículas y biomasa en suspensión y etapa aerobia de filtración con biopelículas y biomasa en suspensión, donde la eliminación de nitrógeno total está comprendida entre 15 y 50 mg/L.
En una realización preferida, la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica se produce gracias a un manto de fango anaerobio (6) dispuesto en una cámara anaerobia metanogénica (1), el cual degrada entre el 60 y el 85% de la materia orgánica que contiene el agua residual, en términos de Demanda Química de Oxígeno (DQO), produciéndose un biogás con un contenido de 50-80% en metano y de 20-50% en dióxido de carbono, que es recogido por campanas (7). En otra realización preferida, en la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica se introduce de forma homogénea el agua residual a través de la parte inferior del manto de fangos gracias a una bomba (1 1), usando arquetas de reparto (4) y mangueras plásticas (5). En otra realización preferida, el agua residual tratada en la cámara anaerobia metanogénica (1) abandona la misma a través de rebosaderos (9) colocados a lo largo de la superficie de la lámina de agua, y el nivel del manto de fangos se controla purgando lodo de dicho manto a través de una conducción y bomba (10) de purga de fangos.
En otra realización preferida, la etapa de tratamiento anóxica se basa en la utilización de microorganismos anóxicos heterotrofos que crecen en suspensión en el licor mezcla y adheridos, formando biopelículas, a un relleno de partículas plásticas (14a) que se encuentran en una cámara anóxica (2) y que se mueven gracias a un agitador mecánico (22). En una realización más preferida, dichos microorganismos eliminan aquellos compuestos biodegradables que no hayan sido eliminados durante la etapa de tratamiento anaerobio metanogénica junto con el metano disuelto en el efluente de dicha etapa, empleándolos como fuente de carbono para desnitrificar el nitrógeno en forma de nitrato o nitrito, que es recirculado desde la etapa de tratamiento aerobia de filtración. El uso de las partículas plásticas móviles limita la colmatación del relleno ya que en los mismos se promueve el desprendimiento de la biomasa anóxica generada en exceso. En otra realización preferida, la etapa de tratamiento aerobia de filtración se basa en la utilización de microorganismos aeróbicos heterotrofos y nitrificantes que crecen en suspensión en el licor mezcla y adheridos, formando biopelículas, al relleno de partículas plásticas (14b) que se encuentran en la zona con relleno de partículas plásticas de una cámara aerobia de filtración. En una realización más preferida, dichos microorganismos eliminan aquellos compuestos biodegradables que no hayan sido eliminados durante las etapas de tratamiento anaerobio metanogénica o anóxica y oxidan el amonio proveniente de la etapa de tratamiento anóxica, transformándolo en nitrato y/o nitrito. Tanto en la cámara anóxica (2) como en la cámara aerobia de filtración (3) se generan microorganismos por degradación biológica de los contaminantes orgánicos y iones de nitrógeno en el seno de las biopelículas o en el lodo en suspensión. El uso de las partículas plásticas móviles limita la colmatación del relleno ya que en los mismos se promueve el desprendimiento de la biomasa aerobia generada en exceso. En otra realización preferida, el lodo con sólidos en suspensión generado retorna desde la zona con relleno de partículas plásticas (14b) de la cámara aerobia de filtración hacia la cámara anóxica a través de una malla de forma tubular (15a) para la extracción del agua situada en la parte superior de la cámara anóxica y una bomba (16a). En otra realización preferida, en la etapa de tratamiento aerobia de filtración, la filtración se logra mediante el uso de módulos de membranas sumergidos (20) en una zona con membranas de filtración, que se encuentra separada de la zona con relleno de partículas plásticas (14b) gracias a un tabique perforado (23), formando parte de una cámara aerobia de filtración. Con dichos módulos se logra obtener un agua depurada libre de sólidos en suspensión y microorganismos, evitando la salida con el agua depurada tanto del lodo generado en exceso durante las etapas anóxica y aerobia de filtración como de aquel lodo anaerobio que hubiese abandonado la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica. En otra realización preferida, el lodo con sólidos en suspensión retorna internamente desde la zona con membranas de filtración hacia la zona con relleno de partículas plásticas (14b) en la etapa de tratamiento aerobia de filtración mediante una bomba (16b). En otra realización preferida, el procedimiento comprende además el uso de un sistema de recirculación con una bomba (17) y una válvula de recirculación (25a) instaladas en la cámara anóxica (2); de forma que se devuelve el lodo del manto de fango anaerobio (6) de la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica que hubiese migrado hacia las etapas anóxica y aerobia de filtración y se promueva a la vez, la digestión anaerobia del lodo generado en exceso durante las etapas de tratamiento en la cámara anóxica (2) y cámara aerobia de filtración (3). Mediante el uso de esta bomba y válvula, se logra mantener la capacidad de tratamiento de la etapa anaerobia metanogénica. En una realización más preferida, la bomba (17) es usada además para purgar lodo en exceso mediante una válvula de purga (25b).
En otro aspecto, la invención se refiere al uso del sistema y del procedimiento de la invención, según se han descrito anteriormente, para la depuración de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales urbanas y/o industriales. En una realización preferida, dichas aguas residuales poseen concentraciones de materia orgánica medida como DQO, comprendidas, preferentemente entre 150 y 5000 mg/L, y la eliminación de nitrógeno total que se produce está comprendida entre 15 y 50 mg/L. En una realización preferida, dicho uso se produce preferiblemente a temperaturas superiores a 15 °C.
EJEMPLO DE UNA REALIZACIÓN
Tratamiento de un agua residual urbana producida en una población de 10.000 habitantes equivalentes, con una generación de DQO de 125 g DQO por habitante equivalente y día (o 60 g DB05 por habitante equivalente y día), 10 g de Nitrógeno Total (NT) por habitante equivalente y día y una generación de agua residual de 200 L por habitante equivalente y día, que tratará 1250 kg DQO/d, 100 kg NT/d y 2500 m3/d de media en tiempo seco. Se fija una velocidad de carga orgánica global de 1 ,0 kg DQO/m3 d, que está comprendido entre 0,5 y 3 kg DQO/m3 d, bajo las cuales podría operar la invención del sistema SIAM. El volumen total del reactor biológico es de 1250 m3. El volumen de las cámaras es como sigue: cámara anaerobia 812,5 m3, cámara anóxica 250 m3 y cámara aerobia y cámara de filtración 187,5 m3 de volumen conjunto, considerando que el volumen se reparte en un 65% para la cámara anaerobia, 20% para la cámara anóxica y un 15% para la cámara aerobia de filtración. El volumen aparente de soporte, utilizado en la cámara anóxica, es de unos 125 m3 si se utiliza un soporte plástico rígido o de 50 m3 si se utiliza espuma polimérica. Entre un 60 y un 85 % de la DQO biodegradable presente en el agua residual de entrada, se degrada en la cámara anaerobia metanogénica, siendo la restante 15-40 % eliminada en la cámara aerobia o incluso en la cámara de membranas. La producción de lodo, es de 150 kg SST/d, el efluente filtrado o permeado tiene una DQO menor de 40 mg/L, DB05 menor de 5 mg/L, eliminándose entre 15 y 50 mg/L de NT del agua residual depurada que está prácticamente libre de sólidos en suspensión y microorganismos, facilitando incluso una potencial reutilización de las aguas residuales depuradas, mientras que los módulos de membrana operan con flujos iguales o mayores de 15-20 L/m2 h.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1. Perspectiva en tres dimensiones del Sistema Integrado de reactor Anaerobio metanogénico y biorreactor de Membranas (SIAM). Las tres cámaras de las que consta el sistema: cámara anaerobia metanogénica (1), cámara anóxica (2) con relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) y cámara aerobia de filtración (3) con relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y módulos de membrana sumergidos (20). La cámara aerobia de filtración (3) está dividida en dos zonas, una zona donde se ubica el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y una zona donde se ubican las membranas de filtración (20) separadas mediante un tabique perforado (23).
Figura 2. Esquema del sistema integrado en la que se pueden apreciar las tres cámaras: anaerobia metanogénica (1), anóxica (2) y aerobia de filtración (3).
Figura 3. Detalle del sistema de distribución de agua residual (13) utilizado en la parte inferior de la cámara anóxica (2) y detalle AA' de la sección transversal de uno de los brazos del sistema de distribución en la que se observa la sección de los orificios de los que consta cada brazo.
Figura 4. Detalle del conducto formado por una malla de forma tubular (15a, 15b) que se utiliza para extraer el agua tratada en la cámara anóxica (2) hacia la cámara aerobia de filtración (3) o para recircular parte del agua tratada en la cámara aerobia de filtración (3) a la cámara anóxica (2).

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Un sistema Integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales, caracterizado por estar compuesto de tres cámaras: cámara anaerobia metanogénica (1); cámara anóxica (2) que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14a); y cámara aerobia de filtración (3) que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y membranas de filtración (20).
2.- El sistema integrado, según la reivindicación 1 , caracterizado porque la cámara anaerobia metanogénica (1) comprende: arquetas de reparto (4) con mangueras plásticas (5), un manto de fango anaerobio (6), campanas (7) y conducciones (12) para la recogida de biogás, deflectores (8), rebosaderos (9), bomba (10) para la purga de fango en exceso y una cubierta (24).
3.- El sistema integrado según la reivindicación 2 donde el manto de fango anaerobio (6) está situado en la parte inferior de la cámara anaerobia metanogénica (1).
4.- El sistema integrado según la reivindicación 2 donde las campanas (7) y conducciones (12) para la recogida de biogás están situadas en la parte superior de la cámara anaerobia metanogénica (1).
5.- El sistema integrado según la reivindicación 2 donde los deflectores (8) están situados en la parte inferior de la cámara anaerobia metanogénica (1).
6.- El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, donde la cámara anaerobia metanogénica (1) además comprende una bomba (1 1) de alimentación.
7.- El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la cámara anóxica (2), además del relleno de partículas plásticas en suspensión (14a), comprende: un sistema de distribución (13) formado por tubos perforados, una malla de forma tubular (15a), un agitador mecánico (22) y una bomba (17).
8. - El sistema integrado, según la reivindicación 7, donde la malla de forma tubular (15a) tiene una luz de paso menor que el tamaño de las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a).
9. - El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, donde la bomba (17) está situada entre la cámara anóxica (2) y la cámara anaerobia metanogénica (1).
10. - El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, donde la bomba (17) está asociada a cualquiera de los elementos seleccionados de la lista que comprende: válvula de recirculación (25a) y válvula de purga (25b).
11.- El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, donde el fondo o solera de la cámara anóxica tiene una pendiente comprendida entre 1/5 y 1/20 m/m.
12. - El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11 , caracterizado porque el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) de la cámara anóxica (2) consiste en partículas que ocupan entre el 10% y el 60% de volumen aparente de la cámara anóxica (2).
13. - El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, donde el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) de la cámara anóxica (2) consiste en un elemento seleccionado de la lista que comprende: partículas granulares plásticas de aspecto rugoso, anillos Raschig de plástico, partículas de espuma polimérica o productos comerciales análogos que promuevan la formación de biopelículas de microorganimos.
14. - El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 13, donde las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) de la cámara anóxica (2) tienen un tamaño comprendido entre 1 y 5 mm.
15. - El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la cámara aerobia de filtración (3) se encuentra dividida en dos zonas: una zona que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y otra zona que comprende membranas de filtración (20), separadas mediante un tabique perforado (23) con agujeros de diámetro inferior al del relleno de partículas plásticas en suspensión (14b).
16. - El sistema integrado, según la reivindicación 15, caracterizado porque la zona que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) comprende, además: un sistema de difusores de aire en parrilla (18a), una soplante de aire (19a), una malla de forma tubular (15b) y una bomba (16a), donde la soplante de aire (19a) insufla aire hacia el sistema de difusores de aire en parrilla (18a).
17. - El sistema integrado, según la reivindicación 16, donde la malla de forma tubular (15b) tiene una luz de paso menor que el tamaño de las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3).
18. - El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, donde el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) consiste en partículas que ocupan entre el 10% y el 60% de volumen aparente de la cámara aerobia de filtración (3).
19.- El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18, donde el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) consiste en un elemento seleccionado de la lista que comprende: partículas granulares plásticas de aspecto rugoso, anillos Raschig de plástico, partículas de espuma polimérica o productos comerciales análogos que promuevan la formación de biopelículas de microorganismos.
20. - El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 19, donde las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) tienen un tamaño comprendido entre 1 y 50 mm.
21. - El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, donde la malla de forma tubular (15b) está ubicada en la parte superior de la zona con el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3).
22. - El sistema integrado, según la reivindicación 15, caracterizado porque la zona que comprende membranas de filtración (20) de la cámara aerobia de filtración (3) comprende: módulos de membrana (20) sumergidos de microfiltración o ultrafiltración, bombas (21) para la extracción de permeado, sistema de soplantes (19b), y parrilla de difusores (18b).
23.- El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 22, que además comprende una bomba (16b) entre la zona que comprende el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y la zona que comprende membranas de filtración (20) de la cámara aerobia de filtración (3).
24.- Procedimiento para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales con concentraciones de DQO comprendidas entre 150 y 5000 mg/L mediante un sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas que comprende tres etapas de tratamiento: etapa anaerobia metanogénica, etapa anóxica con biopelículas y biomasa en suspensión y etapa aerobia de filtración con biopelículas y biomasa en suspensión, donde la eliminación de nitrógeno total está comprendida entre 15 y 50 mg/L.
25. - Procedimiento, según la reivindicación 24, caracterizado porque la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica se produce gracias a un manto de fango anaerobio (6) dispuesto en una cámara anaerobia metanogénica (1), el cual degrada entre el 60 y el 85% de la materia orgánica que contiene el agua residual, en términos de Demanda Química de Oxígeno (DQO), produciéndose un biogás con un contenido de 50-80% en metano y de 20-50% en dióxido de carbono, que es recogido por campanas (7).
26. - Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 25, caracterizado porque en la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica se introduce de forma homogénea el agua residual a través de la parte inferior del manto de fangos gracias a una bomba (11), usando arquetas de reparto (4) y mangueras plásticas (5).
27. - Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 26, donde el agua residual tratada en la cámara anaerobia metanogénica (1) abandona la misma a través de rebosaderos (9) colocados a lo largo de la superficie de la lámina de agua, y donde el nivel del manto de fangos se controla purgando lodo de dicho manto a través de una conducción y bomba (10) de purga de fangos.
28. - Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 27, caracterizado porque la etapa de tratamiento anóxica se basa en la utilización de microorganismos anóxicos heterótrofos que crecen en suspensión en el licor mezcla y adheridos, formando biopelículas, a un relleno de partículas plásticas (14a) que se encuentran en una cámara anóxica (2) y que se mueven gracias a un agitador mecánico (22).
29. - Procedimiento, según la reivindicación 28, donde dichos microorganismos que crecen en suspensión y en biopelículas eliminan aquellos compuestos biodegradables que no hayan sido eliminados durante la etapa de tratamiento anaerobio metanogénica junto con el metano disuelto en el efluente de dicha etapa, empleándolos como fuente de carbono para desnitrificar el nitrógeno en forma de nitrato o nitrito, que es recirculado desde la etapa de tratamiento aerobia de filtración.
30. - Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 29, caracterizado porque la etapa de tratamiento aerobia de filtración se basa en la utilización de microorganismos aeróbicos heterótrofos y nitrificantes que crecen en suspensión en el licor mezcla y adheridos, formando biopelículas, al relleno de partículas plásticas (14b) que se encuentran en la zona con relleno de partículas plásticas de una cámara aerobia de filtración (3).
31. - Procedimiento, según la reivindicación 30, donde dichos microorganismos que crecen en suspensión y en biopelículas eliminan aquellos compuestos biodegradables que no hayan sido eliminados durante las etapas de tratamiento anaerobio metanogénica o anóxica y oxidan el amonio proveniente de la etapa de tratamiento anóxica, transformándolo en nitrato y/o nitrito.
32. - Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 31 , donde el lodo con sólidos en suspensión generado retorna desde la zona con relleno de partículas plásticas (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) hacia la cámara anóxica (2) a través de una malla de forma tubular (15a) para la extracción del agua situada en la parte superior de la cámara anóxica y una bomba (16a).
33. - Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 32, caracterizado porque en la etapa de tratamiento aerobia de filtración, la filtración se logra mediante el uso de módulos de membranas sumergidos (20) en una zona con membranas de filtración, que se encuentra separada de la zona con relleno de partículas plásticas (14b) gracias a un tabique perforado (23), formando parte de una cámara aerobia de filtración (3).
34. - Procedimiento según la reivindicación 33, donde el lodo con sólidos en suspensión generado retorna internamente desde la zona con membranas de filtración hacia la zona con relleno de partículas plásticas (14b) en la etapa de tratamiento aerobia de filtración mediante una bomba (16b).
35. - Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 34, caracterizado porque comprende además el uso de un sistema de recirculación con una bomba (17) y una válvula de recirculación (25a) instaladas en la cámara anóxica (2); de forma que se devuelve el lodo del manto de fango anaerobio (6) de la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica que hubiese migrado hacia las etapas anóxica y aerobia de filtración y se promueve a la vez, la digestión anaerobia del lodo generado en exceso durante las etapas de tratamiento en la cámara anóxica (2) y cámara aerobia de filtración (3).
36. - Procedimiento, según la reivindicación 35, caracterizado porque la bomba (17) es usada además para purgar lodo en exceso mediante una válvula de purga (25b).
37. - Uso de un sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas según las reivindicaciones 1 a 23, y de un procedimiento, según las reivindicaciones 24 a 36, para la depuración de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales urbanas y/o industriales.
38.- Uso de un sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas y de un procedimiento, según la reivindicación anterior, para el tratamiento de aguas residuales con concentraciones de materia orgánica medida como DQO, comprendida entre 150 y 5000 mg/L, y para la eliminación de entre 15 y 50 mg/L de nitrógeno total a temperaturas superiores a 15 °C.
PCT/ES2014/070067 2013-02-01 2014-01-30 Sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales WO2014118416A1 (es)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14745956.4A EP2952483A4 (en) 2013-02-01 2014-01-30 INTEGRATED SYSTEM COMPRISING A METHANOGENIC ANAEROBIC REACTOR AND A MEMBRANE BIOREACTOR FOR THE REMOVAL OF ORGANIC MATTER AND NITROGEN FROM WASTE WATER
BR112015018299A BR112015018299A2 (pt) 2013-02-01 2014-01-30 sistema integrado de reator anaeróbio metanogênico e biorreator de membranas para a eliminação de matéria orgânica e nitrogênio em águas residuais
MX2015009836A MX359689B (es) 2013-02-01 2014-01-30 Sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales.
US14/765,055 US9725345B2 (en) 2013-02-01 2014-01-30 Integrated system of a methanogenic anaerobic reactor and membrane bioreactor for the elimination of organic material and nitrogen from wastewater

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES201330118 2013-02-01
ES201330118A ES2401445B2 (es) 2013-02-01 2013-02-01 Sistema Integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014118416A1 true WO2014118416A1 (es) 2014-08-07

Family

ID=48014484

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/ES2014/070067 WO2014118416A1 (es) 2013-02-01 2014-01-30 Sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9725345B2 (es)
EP (1) EP2952483A4 (es)
BR (1) BR112015018299A2 (es)
CL (1) CL2015002128A1 (es)
ES (1) ES2401445B2 (es)
MX (1) MX359689B (es)
PE (1) PE20151550A1 (es)
WO (1) WO2014118416A1 (es)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015034338A1 (es) * 2013-09-06 2015-03-12 Castellanos Roldán Marco Antonio Sistema y proceso multifuncional de tratamiento de aguas residuales
WO2018025189A3 (es) * 2016-08-02 2018-03-29 Grupo Rotoplas, S.A.B. De C.V. Biorreactor anaerobio

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017113723A (ja) * 2015-12-25 2017-06-29 株式会社クボタ 有機性排水処理設備の運転方法及び有機性排水処理システム
WO2018164720A1 (en) * 2017-03-06 2018-09-13 Tangent Company Llc Home sewage treatment system
US11124437B2 (en) * 2017-07-10 2021-09-21 Tailwater Systems, Llc System and apparatus for a mobile, modular agricultural bioreactor, and methods related thereto
KR102057374B1 (ko) * 2017-09-26 2020-02-11 한국과학기술연구원 그래뉼을 이용한 하수처리 시스템
CN107629947B (zh) * 2017-11-08 2023-09-15 中国农业大学 一种生物产甲烷与同步脱硫的方法及装置
US20200331784A1 (en) * 2017-11-16 2020-10-22 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Plant and method for treating urban waste water
CN107973408B (zh) * 2017-12-26 2024-02-02 长沙理工大学 一种生物膜强化脱氮装置
CN109266534B (zh) * 2018-08-28 2022-04-22 暨南大学 一种用于测定生物膜呼吸速率的呼吸瓶、测定装置及测定方法
AU2019351725A1 (en) * 2018-10-01 2021-05-20 The Regents Of The University Of Michigan Bioreactor insert and biofilm support, related apparatus and related methods
CN111056696A (zh) * 2018-10-16 2020-04-24 湖南易净环保科技有限公司 一种多级回转式厌氧反应器的一体化组合技术
CN109607955B (zh) * 2018-12-29 2021-10-29 厦门溢盛环保科技有限公司 一种水量调控同步自养脱氮方法
CN110156146B (zh) * 2019-04-25 2021-09-07 青岛理工大学 一种同时去除水中硝酸氮和微量有机物的生物膜电化学反应器
US11220449B2 (en) * 2019-04-29 2022-01-11 Nanyang Technological University Integrated deammonification process for wastewater reclamation
CN110577325B (zh) * 2019-08-09 2021-07-27 重庆大学 一种高盐高有机物废水资源化与零排放的处理系统
CN110746035B (zh) * 2019-09-27 2022-07-05 中车环境科技有限公司 污水脱氮反应器及其控制方法
CN111807616B (zh) * 2020-07-07 2022-03-25 云锦华彰(北京)生物科技有限公司 一种可操控生物技术的污水净化装置
CN112279453B (zh) * 2020-07-27 2024-02-13 南京久盈膜科技有限公司 一种高cod废水处理工艺及装置
CN111908734A (zh) * 2020-08-28 2020-11-10 桂林理工大学 一种基于厌氧氨氧化的ab工艺运行方法
CN111908742B (zh) * 2020-09-14 2022-06-03 湖南绿楷节能环保科技有限公司 一种一体化污水处理设备
CN112707503B (zh) 2020-11-20 2022-01-14 江苏大学 折流式厌氧生物巢一体化脱氮除碳装置及脱氮除碳工艺
EP4289796A1 (en) 2021-02-02 2023-12-13 Biologia Y Filtración, S.L. Industrial and municipal wastewater treatment plant
US20220289606A1 (en) * 2021-03-12 2022-09-15 Hampton Roads Sanitation District Method and apparatus for nutrient removal using anoxic biofilms
CN113493251A (zh) * 2021-07-29 2021-10-12 潍坊工商职业学院 太阳能厌氧好氧膜反应器
CN113603218A (zh) * 2021-08-26 2021-11-05 同济大学 一种用于强化厌氧消化的填料反应系统
CN114409202A (zh) * 2022-02-14 2022-04-29 浙江工业大学 一种市政污水处理净化系统
CN115745288A (zh) * 2022-11-25 2023-03-07 浙江清华长三角研究院 一种高效脱氮型农村生活污水改良户用设备及农村生活污水处理方法
CN116925889B (zh) * 2023-09-18 2024-02-02 中国市政工程西南设计研究总院有限公司 一种污水处理装置、方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2167055A (en) * 1984-11-13 1986-05-21 Biosystem E Ab Method and apparatus for the treatment of wastewater and organic waste material
WO2004011377A2 (en) * 2002-07-26 2004-02-05 The Regents Of The University Of California Treatment of wastewater by biological and membrane separation technologies
US20050109694A1 (en) * 2003-11-21 2005-05-26 Industrial Technology Research Institute Method and system for treating wastewater containing organic compounds
JP2009148714A (ja) * 2007-12-21 2009-07-09 Kurita Water Ind Ltd 有機物含有水の生物処理方法および装置
ES2385002A1 (es) 2009-07-21 2012-07-17 Universidade De Santiago De Compostela Reactor biológico de membranas de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración, para la depuración de aguas residuales.

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2707183B1 (fr) * 1993-07-06 1995-09-01 Dumez Lyonnaise Eaux Procédé de mise en mouvement de particules supports de microorganismes dans un liquide à traiter par voie biologique, et installation de mise en Óoeuvre du procédé.
ES2190895B2 (es) * 2002-02-01 2004-05-16 Universida De Santiago De Compostela Reactor biologico hibrido de membranas para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas.
US6692642B2 (en) * 2002-04-30 2004-02-17 International Waste Management Systems Organic slurry treatment process
US6926830B2 (en) * 2002-06-28 2005-08-09 Kingsford Environmental (H.K.) Ltd. Combined activated sludge-biofilm sequencing batch reactor and process
US6758965B2 (en) * 2002-08-19 2004-07-06 Great Vision Bioenvironmental Engineering Limited Apparatus for treating wastewater from catering industry
US6946073B2 (en) * 2003-09-02 2005-09-20 Ch2M Hill, Inc. Method for treating wastewater in a membrane bioreactor to produce a low phosphorus effluent
TWI316923B (en) * 2006-02-17 2009-11-11 Ind Tech Res Inst System and method for treating carbon, nitrogen, phosphorous containing wastewater
BRPI0907095B1 (pt) * 2008-01-28 2019-04-16 Biowater Technology AS Tanque de reator, método para tratamento biológico de água de alimentação em um tanque de reator, e, uso de um reator
KR101142326B1 (ko) * 2011-08-29 2012-05-17 (주) 한영이엔씨 하수고도처리 장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2167055A (en) * 1984-11-13 1986-05-21 Biosystem E Ab Method and apparatus for the treatment of wastewater and organic waste material
WO2004011377A2 (en) * 2002-07-26 2004-02-05 The Regents Of The University Of California Treatment of wastewater by biological and membrane separation technologies
US20050109694A1 (en) * 2003-11-21 2005-05-26 Industrial Technology Research Institute Method and system for treating wastewater containing organic compounds
JP2009148714A (ja) * 2007-12-21 2009-07-09 Kurita Water Ind Ltd 有機物含有水の生物処理方法および装置
ES2385002A1 (es) 2009-07-21 2012-07-17 Universidade De Santiago De Compostela Reactor biológico de membranas de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración, para la depuración de aguas residuales.

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Wastewater Engineering: Treatment and Reuse", 2003
ISAACS S.H.; M. HENZE, WAT. RES., vol. 29, no. 1, 1995, pages 77
KAMPMAN; J. HAZARD. ET AL., MAT., 2012, pages 227 - 228,164
LI A ET AL., RECENT PATENTS ON ENGINEERING, vol. 2, 2008, pages 189 - 194
SANCHEZ ET AL., WAT. RES., vol. 47, 2013, pages 1227
SCHEUTZ C. ET AL., WASTE MANAG. RES., vol. 27, 2009, pages 409
See also references of EP2952483A4
SPEECE, RE: "Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewater", 1996, ARCHAE PRESS
STROUS ET AL., APPL. ENVIRON. MICROBIOL, vol. 65, 1999, pages 3248

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015034338A1 (es) * 2013-09-06 2015-03-12 Castellanos Roldán Marco Antonio Sistema y proceso multifuncional de tratamiento de aguas residuales
WO2018025189A3 (es) * 2016-08-02 2018-03-29 Grupo Rotoplas, S.A.B. De C.V. Biorreactor anaerobio

Also Published As

Publication number Publication date
US9725345B2 (en) 2017-08-08
CL2015002128A1 (es) 2016-04-01
ES2401445B2 (es) 2014-01-20
MX359689B (es) 2018-10-05
MX2015009836A (es) 2016-02-22
ES2401445A1 (es) 2013-04-19
PE20151550A1 (es) 2015-11-10
US20150368131A1 (en) 2015-12-24
EP2952483A1 (en) 2015-12-09
BR112015018299A2 (pt) 2017-07-18
EP2952483A4 (en) 2016-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2401445B2 (es) Sistema Integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales
US11850554B2 (en) Wastewater treatment with primary treatment and MBR or MABR-IFAS reactor
CN208617622U (zh) 一种流域性稀土矿区尾水渗滤处理耦合系统
CN101643269A (zh) 一种曝气生物滤池及工艺
CN101973667B (zh) 受污染地表水深度净化组合工艺方法及装置
CN109942156B (zh) 基于生物滤池的海水养殖尾水处理系统及其应用方法
CN110127953B (zh) 一种人工湿地短程硝化/反硝化生物脱氮系统及方法
CN210103554U (zh) 一种化工尾水强化脱氮装置
CN103936154B (zh) 曝气生物滤池系统及其污水处理方法
CN102557258A (zh) 一种改良型一体化污水处理装置
CN110980947B (zh) 一种基于多级厌氧-mabr的反硝化除磷污水处理装置
ES2385002B2 (es) Reactor biológico de membranas de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración, para la depuración de aguas residuales.
Li et al. Integrating membrane aerated biofilm reactors with biological nitrogen removal processes: A new paradigm for achieving sustainable wastewater treatment plants
CN103641241A (zh) 一种前置反硝化曝气生物滤池及其处理污水的方法
CN210620529U (zh) 一种基于mbbr的主流自养脱氮改造系统
CN209668893U (zh) 用于污水处理的嵌入式旁路增氧人工湿地系统
CN216737997U (zh) 一种高效回流一体式地埋污水处理设备
CN100586879C (zh) 采用交替式曝气的生物滤池生物除磷工艺
CN215712063U (zh) 一种污水脱氮处理系统及污水处理系统
CN210528583U (zh) 一种高氨氮污水处理装置
US20180327293A1 (en) Apparatus and process for the removal of nitrogen from wastewater
CN110498509B (zh) 一种高氨氮污水处理装置及利用其进行污水处理的方法
CN203625123U (zh) 具有储碳反硝化的两端交替进出水污水处理装置
CN212476474U (zh) 一种降解火电厂循环水排污水生化指标的装置
CN212451048U (zh) 氨氮污水集成处理装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14745956

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 001575-2015

Country of ref document: PE

Ref document number: MX/A/2015/009836

Country of ref document: MX

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14765055

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

REG Reference to national code

Ref country code: BR

Ref legal event code: B01A

Ref document number: 112015018299

Country of ref document: BR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014745956

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15200283

Country of ref document: CO

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 112015018299

Country of ref document: BR

Kind code of ref document: A2

Effective date: 20150730