WO2017120688A1

WO2017120688A1 - Módulo virtual para un reactor aeróbico discontinuo y secuencial

Info

Publication number: WO2017120688A1
Application number: PCT/CL2017/000001
Authority: WO
Inventors: Edmundo Ganter Parga
Original assignee: Edmundo Ganter Parga
Priority date: 2016-01-11
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Módulo virtual para un reactor (1) aeróbico discontinuo y secuencial utilizado en procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales, el cual permite producir granulación aeróbica a partir de lodo biológico floculento y sin grandes requerimientos de oxígeno, que consiste en un difusor de aire (2) ubicado en el fondo del reactor (1) el cual está en comunicación con un tubo de elevación (3) que consiste en un cilindro hueco y abierto en sus extremos y que posee al menos dos cortes (5) transversales que separan al tubo en tres secciones unidas por elementos de conexión.

Description

MÓDULO VIRTUAL PARA UN REACTOR AERÓB1CO DISCONTINUO Y SECUENCIAL.

MEMORIA DESCRIPTIVA CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención consiste en módulo virtual para un reactor aeróbico discontinuo y secuencia] uti lizado en procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales, donde dicho módulo es repetible según necesidad de tamaño del reactor y donde se cumple en cada uno de ellos las condiciones básicas para que la biología evolucione hacia la condición de granulación aeróbica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Alrededor del año 2000, se inició el estudio de la formación de granulos aeróbicos en los procesos biológicos de tratamientos de aguas residuales, tanto domésticas como industriales. El origen de esta investigación en el campo de los tratamientos aeróbicos, proviene del gran éxito que tuvieron los procesos de granulación anaeróbica, desarrollados principalmente por Lettinga en la década del 80.

También estimuló la investigación de la granulación en procesos aeróbicos, el estudio y consenso que hubo en la comunidad científica sobre los inconvenientes que tienen los procesos anaeróbicos. Tales como los largos períodos de puesta en marcha, la necesidad de operación a temperaturas relativamente altas, y su falta de adaptación para el tratamiento de efluentes de baja carga orgánica. Adicionalmente, se tiene que los procesos anaeróbicos no son aptos para la remoción de nutrientes, nitrógeno y fósforo. Con la finalidad de superar estas falencias, las investigaciones más recientes se han volcado al desarrollo de los procesos de granulación aeróbica, llegando a ser de acuerdo a estadísticas de consultas llevadas por la IWA (International Water Association), el tema más estudiado en la actualidad.

El desarrollo de biogránulos requiere de agregación de microorganismos. Para que un cultivo de bacterias logre el fenómeno de la agregación, un proceso de múltiples etapas debe llevarse a cabo, lo que incluye estrategias físico químicas y biológicas.

Los años de estudio y desarrollo han cristalizado en versiones a escala real y comercial recién los últimos tres o cuatro años, dando como como resultado un proceso que sólo se obtiene dentro de los sistemas de tratamiento de tipo cíclicos (sistema SBR), y que es superior al proceso de lodo activado convencional, en términos de alta retención de biomasa en el reactor, alta capacidad de tratamiento de cargas polucionantes, menos producción de biomasa, excelente sedimentabilidad de la biología y especialmente alta resistencia a compuestos inhibidores y tóxicos presentes en los efluentes.

Así, el objetivo de la presente invención es proponer el diseño de un módulo virtual para un reactor aeróbico discontinuo y secuencial, que propende a producir granulación aeróbica a partir de lodo biológico floculento y con requerimientos de oxígeno que no difieren del convencional o incluso sea inferior al de cualquier sistema común de lodo activado. No obstante, que con la cantidad de aire insuflado, se requiere producir el efecto de fuerza de corte hidrodinámico requerido para la formación de los gránulos aeróbicos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCION

La presente invención consiste en un módulo virtual para un reactor aeróbico discontinuo y secuencial, donde dicho módulo es repetible según necesidad de tamaño del reactor y donde se cumple en cada uno de ellos las condiciones básicas para que la biología evolucione hacia la condición de granulación aeróbica. En el caso de que un sistema de tratamiento requiera de varios módulos virtuales operando en conjunto simultáneamente, los distintos módulos pueden compartir ciertos componentes del sistema tales como las unidades de sopladores, bombas de carga, sistema de descarga, sistemas de control y sistemas de adición de nutrientes y m icroelementos.

Para obtener una adecuada granulación aeróbica y en el menor tiempo posible se necesita de las . siguientes estrategias operacionales:

Composición del sustrato: Dependiendo de la composición del sustrato, serán las características del gránulo obtenido. No obstante, los gránulos aeróbicos han sido cultivados con una gran variedad de sustratos.

Carga de materia orgánica: Los gránulos aeróbicos pueden ser cultivados dentro de un rango bastante amplio de cargas de materia orgánica, entre 2,5 a 15 kg de demanda química de oxígeno (DQO)/día*m³.

Fuerza de corte hidrodinámica: Se ha demostrado que este parámetro influye directamente tanto en la formación de los gránulos aeróbicos, como en su estabilidad. Para ello, se ha establecido el umbral de velocidad superficial del aire ascendente en 1,2 cm/seg. Gránulos más regulares, redondeados, y compactos, se obtienen a mayor velocidad superficial del aire ascendente. La fuerza de corte hidrodinám ica es un parámetro de diseño inherente al módulo virtual y dice directa relación con el caudal de aire insuflado y las dimensiones del tubo de elevación.

Tiempo de sedimentación: Este es quizás uno de los parámetros más decisivos para la producción de gránulos aeróbicos. En términos generales, se estima que bajo un tiempo de sedimentación de 1 5 minutos se obtienen gránulos aeróbicos y sobre 20 minutos, sólo se obtienen flóculos irregulares. Tanto la producción de polisacáridos extracelulares como la hidrofobicidad superficial, son estimulados por tiempos de sedimentación cortos. Este parámetro debe ser considerado en el momento de la programación del sistema de control, por lo que forma parte del software.

Tiempo de retención hidráulica: El tiempo de retención hidráulica está estrechamente relacionado con la duración del ciclo de un sistema SBR. Para la formación de gránulos es ideal que ocurran ciclos cortos, para que la presión de selección se repita más frecuentemente. No obstante, ciclos de operación demasiado cortos impiden el desarrollo biológico que compense las pérdidas naturales de biomasa, por lo tanto no es posible el establecimiento de la biología. Ciclos de 4 a 6 horas, suelen ser muy adecuados en procesos de granulación aeróbica, formando este parámetro también parte de la programación del sistema de control.

Inanición aeróbica: Esta importante estrategia consiste en asignar un buen tiempo de aireación sin la adición de nuevo sustrato. De esta forma se producen las condiciones de inanición aeróbica, con lo que las bacterias se tornan más hidrofóbicas facilitando los procesos de adhesión microbiana, que es el elemento base para la granulación.

Presencia de ion calcio en la alimentación: Se ha demostrado que la presencia de ion calcio favorece la granulación. Esto se debe a que el ion calcio se une a los grupos cargados negativamente, presentes en la superficie de las bacterias y moléculas de polisacáridos extracelulares, y de esta manera actúa como un puente para la agregación biológica. Este parámetro está asociado al sistema de dosificación automática.

Oxígeno disuelto: Como regla general, es preferible conducir los procesos aeróbicos a concentraciones de oxígeno iguales o mayores que 2 mg/1 pese a que hay reportes de formación de gránulos a bajas concentraciones de oxígeno, sin embargo^', es importante que durante el período de inanición la concentración de oxígeno sea alta, para generar la gradiente de oxígeno que impida que al interior del gránulo se formen condiciones anaeróbicas con la consiguiente destrucción del gránulo. Configuración del reactor: Las mejores experiencias de granulación se han obtenido en reactores de tipo columnas. La configuración del reactor tiene un importante impacto en el patrón de flujo del líquido y de los agregados microbiológicos. Los reactores de tipo columna y los de estanque completamente mezclados, tienen comportamientos hidrodinámicos completamente diferentes, en términos de la interacción entre el flujo y de los agregados microbiológicos. El flujo de aire o líquido ascendente en reactores del tipo columnas, pueden crear un flujo circular relativamente homogéneo y vórtices localizados a lo largo del eje del reactor, con lo que los agregados microbianos se encuentran constantemente sujetos a un efecto de desgaste. El flujo circular fuerza a los agregados microbiológicos a adaptar una forma regular con un mínimo de energía libre de superficie. En un reactor de tipo columna de flujo ascendente, una relación alta entre altura (H) y diámetro (D), puede asegurar una trayectoria de flujo circular más larga, lo que trae como consecuencia un mayor efecto de desgaste sobre los agregados microbiológicos. En cambio, en los estanques del tipo mezcla completa, los agregados microbianos son movidos con flujos dispersos en todas direcciones. Por lo tanto, los agregados microbianos están sujetos a fuerzas hidrodinámicas de corte en permanente cambio, trayectorias ascendentes y choques al azar. Lo que en estas circunstancias, produce solo flóculos de forma y tamaño irregular.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

- La Figura 1 ilustra el esquema de un módulo virtual, objeto de la presente invención.

- La Figura 2 ¡ lustra un detalle de los flujos al interior de un reactor que comprende el módulo virtual, objeto de la presente invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LAS FIGURAS

De acuerdo a las Figuras 1 y 2, se tiene un módulo virtual ubicado al interior de un reactor (1 ) aeróbico discontinuo y secuencial con forma cilindrica. En el fondo del reactor (1 ) se dispone un difusor de aire (2) el cual puede ser por ejemplo un aireador Kuh Kai comercializado por el fabricante japonés Solace Co., Ltd. Dicho difusor de aire (2) opera basado en el principio de la air lift pump, usando como tubo conductor de aire y agua un tubo de sección pentagonal que en su interior dispone de un sistema de deflectores pentagonales que induce un movimiento rotacional ascendente y que, por una parte, logra una mayor transferencia de oxígeno que un difusor convencional y, por otra, logra un muy buen efecto de barrido del fondo del reactor (1 ) debido a la capacidad de succión que genera el difusor. El uso del difusor de aire (2), permite entregar puntualmente al licor mezcla un caudal de aire entre 24 m³/h y 90 m³/h de aire por difusor. Con una capacidad de barrido de fondo del reactor entre 6 y 12 metros cuadrados. Por cada módulo virtual se configura un difusor de aire (2).

Sobre el difusor de aire (2) y al interior del reactor ( 1 ) se configura un tubo de elevación (3), el cual consiste en un ci lindro hueco y abierto en sus extremos el cual se apoya en el fondo del reactor ( 1 ) preferentemente sobre tres apoyos (4). Dicho tubo de elevación (3) posee preferentemente dos cortes (5) transversales que separan al tubo en tres secciones unidas por elementos de conexión tales como tubos de PVC. La finalidad de dichos cortes es en primer lugar, permitir la salida del agua y aire que sube por el tubo de elevación (3) durante el período de aireación, si es que el nivel del agua al interior del reactor (1) no ha sobrepasado la altura máxima del tubo de elevación y, en segundo lugar, para la etapa de evacuación del licor clarificado, evitar que por efecto de vasos comunicantes el licor al interior del tubo de elevación (3) sólo salga por la parte inferior de éste, lo cual generaría una turbulencia y re suspensión del lodo sedimentado en esta etapa.

Por cada módulo virtual se configura un tubo de elevación (3) el cual es construido preferentemente en fibra de vidrio, con dimensiones de 0,8 m de diámetro y 5 metros de altura. El tubo de elevación (3) inicia su sección circular preferentemente 10 centímetros sobre la parte superior del difusor de aire (2), esto es, a 75 cm del fondo del estanque. De acuerdo con la Figura 2, el módulo virtual opera con un sistema de evacuación de clarificado

(100), el cual según la modalidad ilustrada consiste en una bomba sumergida (6) posicionada a nivel mínimo de operación y preferentemente sobre un soporte lateral (7) dispuesto en la pared interna del reactor ( 1 ).

De acuerdo a una modalidad alternativa de la invención, el sistema de evacuación de clarificado (1 00) puede operar por un sistema de rebalse, que consiste en que llegado el momento del final de la sedimentación, se carga el reactor por el fondo. A su vez, la carga del ril ocasiona que en la parte superior del reactor (1) se desplace el clarificado (100) por un vertedero superior (no ilustrado), en un volumen igual al volumen cargado por el fondo. En ambas modalidades descritas, el sistema de evacuación puede ser común a varias unidades de módulos virtuales.

El módulo virtual opera junto a un sistema de aireación en simultáneo con la totalidad de los módulos en operación. Dicho sistema de aireación consiste en uno o más sopladores de aire ubicados fuera del reactor, los cuales inyectan aire (200) a una red de tuberías que lo conduce hasta cada difusor de aire (2). El sistema de aireación es por tanto responsable de la generación del aire (200) que aportará el oxígeno necesario para la degradación de la materia orgánica, la cual deberá también ser suficiente para lograr el efecto de corte requerido al interior del tubo de elevación (3).

Preferentemente, los sopladores de aire utilizados son del tipo sopladores con lóbulos rotativos e idealmente, la capacidad total de soplado debe estar constituida preferentemente por dos unidades sopladores, pudiendo funcionar sólo uno o los dos simultáneamente. Esta estrategia permite un importante ahorro de energía, ya que está comprobado que se puede reducir la aireación una vez que el proceso ha llegado a la fase de inanición aeróbica, sin perjudicar los granulos. Preferentemente, el módulo virtual opera además junto con un sistema de carga de afluente que consiste en una o más bombas sumergibles compatibles con el pH, tamaño de sólidos, viscosidad y temperatura del ril (300), las cuales lo bombean hacia el interior del reactor (] ) por medio de una red de tuberías. La red de tuberías incluye perforaciones en su parte inferior, preferentemente una perforación por metro cuadrado, de manera que el ril (300) cargado impacta contra el fondo del reactor y se reparte radialmente. De acuerdo a una modalidad alternativa de la invención, dicho sistema de carga de afluente puede corresponder al mismo que induce la evacuación del clarificado. El sistema de carga también puede ser común a varias unidades de módulos virtuales.

De acuerdo a la Figura 2, el módulo virtual opera con un sistema de evacuación de lodo que consiste en una bomba de lodo (8) sumergida ubicada al fondo del reactor y cuya finalidad es retirar el lodo (400) residual (lodo biológico producido diariamente) que se genera como consecuencia de la actividad biológica. La cantidad de lodo (400) producida diariamente es estimada en relación a la carga orgánica introducida al reactor, por lo tanto es posible regular el tiempo de funcionamiento de la bomba de lodo (8) para que retire lo más exactamente posible la cantidad de lodo biológico producido.

El módulo virtual opera con un sistema de dosificación automática, que aporte los nutrientes necesarios para el adecuado crecimiento biológico, así como los micro elementos necesarios para la buena calidad y estructura de los polímeros extracelulares, responsables de una eficiente granulación. Este sistema consiste en una bomba dosificadora que se activa cuando el sistema de carga de afluente está en funcionamiento, procediendo a inyectar los productos necesarios en una cierta cantidad de l itros por minuto proporcional al caudal de la bomba de alimentación. De esta forma, se dosifican los productos en una cantidad proporcional al caudal. El sistema de dosificación automática también puede ser común a varias unidades de módulos virtuales. Finalmente, el módulo virtual opera además con un sistema de control automático general del sistema, el que necesariamente debe ser común a la totalidad del sistema. EJEMPLO DE APLICACIÓN

Se construyó un reactor con una altura máxima de 7 metros y altura útil máxima de 6 metros. Dependiendo de la evolución del IVL (reducción desde sobre 100 ml/g hasta bajo 50 ml/g), la altura mínima de trabajo es de 3 metros para la condición final de 1VL= 50 ml/g.

Se consideró una superficie del módulo virtual entre 7 y 9 metros cuadrados por cada difusor Kuh Kai y su respectivo tubo de elevación, en donde las medidas de dicho tubo de elevación fueron de 0,8 metros de diámetro, altura total 5 metros, altura sobre el fondo 0,75 metros y cortes laterales de 0, 1 metros.

La capacidad total del soplador por cada unidad de difusor Kuh Kai, fue de 85 m³/h de aire. Al interior del tubo de elevación, con una alimentación de aire de 85 m³/h, la velocidad superficial del aire alcanzada fue de 4,5 cm/s, lo cual es muy adecuado para el efecto de corte.

La capacidad de la bomba de alimentación para una unidad de módulo virtual fue del orden de 28 m3/h. La alimentación se realiza por el fondo del reactor, homogéneamente distribuida y descargada contra el fondo.

En las condiciones antes descritas, un módulo virtual de acuerdo a la presente invención está capacitado para tratar hasta aproximadamente 70 kilos de DB05 diarios, pudiendo operar hasta con 6 ciclos/día.

Claims

REIVINDICACIONES

1 . Módulo virtual para un reactor (1 ) aeróbico discontinuo y secuencial utilizado en procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales, el cual permite producir granulación aeróbica a partir de lodo biológico floculento y sin grandes requerimientos de oxígeno, CARACTERIZADO porque consiste en un difusor de aire (2) ubicado en el fondo del reactor ( 1 ) el cual está en comunicación con un tubo de elevación (3) que consiste en un cilindro hueco y abierto en sus extremos y que posee al menos dos cortes (5) transversales que separan al tubo en tres secciones unidas por elementos de conexión.

2. El módulo virtual de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el difusor de aire (2) es un aireador Kuh Kai.

3. El módulo virtual de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, CARACTERIZADO porque el difusor de aire (2) entrega un caudal de aire entre 24 m³/h y 90 m³/h.

4. El módulo virtual de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, CARACTERIZADO porque el tubo de elevación (3) pose apoyos (4) en su zona inferior.

5. El módulo virtual de acuerdo con la reivindicación 4, CARACTERIZADO porque posee tres apoyos (4).

6. El módulo virtual de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, CARACTERIZADO porque el tubo de elevación (3) está construido en fibra de vidrio.

7. El módulo virtual de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes,

CARACTERIZADO porque el tubo de elevación (3) posee 0,8 m de diámetro.

8. El módulo virtual de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, CARACTERIZADO porque el tubo de elevación (3) posee una altura de 5 metros.

9. El módulo virtual de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, CARACTERIZADO porque el tubo de elevación (3) inicia su sección circular a 10 cm sobre la parte superior del difusor de aire (2) o a 75 cm de la base en la cual se dispone.

10. El módulo virtual de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, CARACTERIZADO porque los elementos de conexión consisten en tubos de PVC.

1 1 . Reactor ( 1 ) aeróbico discontinuo y secuencial utilizado en procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales, el cual permite producir granulación aeróbica a partir de lodo biológico floculento y sin grandes requerimientos de oxígeno, que incluye al menos un módulo virtual de acuerdo a las reivindicaciones 1 a 10, CARACTERIZADO porque dicho al menos un módulo virtual consiste en un difusor de aire (2) ubicado en el fondo del reactor (1 ) el cual está en comunicación con un tubo de elevación (3) que consiste en un cilindro hueco y abierto en sus extremos y que posee al menos dos cortes (5) transversales que separan al tubo en tres secciones unidas por elementos de conexión.

12. El reactor (1 ) de acuerdo con la reivindicación 1 1, CARACTERIZADO porque comprende un sistema de evacuación de clarificado (100).

1 3. El reactor (1 ) de acuerdo con la reivindicación 1 1 , CARACTERIZADO porque dicho un sistema de evacuación de clarificado (100) consiste en una bomba sumergida (6) y posicionada al nivel mínimo de operación del reactor.

14. El reactor (1 ) de acuerdo con la reivindicación 12, CARACTERIZADO porque dicha bomba sumergida (6) está ubicada sobre un soporte lateral (7) dispuesto en la pared interna del reactor (1 ).

1 5. El reactor ( 1 ) de acuerdo con la reivindicación 1 1 , CARACTERIZADO porque de acuerdo a una modalidad alternativa de la invención, el sistema de evacuación de clarificado ( 100) consiste en un sistema de rebalse que incluye un vertedero superior.

16. El reactor (1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 14, CARACTERIZADO porque el sistema de evacuación de clarificado (100) es común a todas las unidades de módulo virtual.

17. El reactor (1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, CARACTERIZADO porque comprende un sistema de aireación.

1 8. El reactor (1 ) de acuerdo con la reivindicación 16, CARACTERIZADO porque dicho sistema de aireación consiste en al menos un soplador de aire ubicado fuera del reactor ( 1 ), el cual está en conexión con el difusor de aire (2) por medio de una red de tuberías.

1 9. Ei reactor ( 1 ) de acuerdo con la reivindicación 18, CARACTERIZADO porque el al menos un soplador es un soplador del tipo lóbulos rotativos.

20. El reactor ( 1 ) de acuerdo con la reivindicación 1 8 o 19, CARACTERIZADO porque la capacidad total del al menos un soplador es de 85 m³/h de aire.

21 . El reactor (1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 8 a 20, CARACTERIZADO porque comprende dos sopladores.

22. El reactor (1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 21 , CARACTERIZADO porque el sistema de aireación es común a todas las unidades de módulo virtual.

23. El reactor ( 1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 22, CARACTERIZADO porque comprende un sistema de carga de afluente.

24. El reactor ( 1 ) de acuerdo con la reivindicación 23, CARACTERIZADO porque dicho sistema de carga de afluente consiste en al menos una bomba sumergible en conexión con una red de tuberías.

25. reactor (1 ) de acuerdo con la reivindicación 24, CARACTERIZADO porque la red de tuberías incluye perforaciones en su parte inferior.

26. El reactor (1 ) de acuerdo con la reivindicación 23, CARACTERIZADO porque dicho sistema de carga de afluente corresponde al sistema de evacuación de clarificado (100).

27. El reactor (1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 23 a 26, CARACTERIZADO porque el sistema de carga de afluente es común a todas las unidades de módulo virtual.

28. El reactor (1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 27, CARACTERIZADO porque comprende un sistema de dosificación automática.

29. El reactor (1 ) de acuerdo con la reivindicación 28, CARACTERIZADO porque el sistema de dosificación automática consiste en una bomba dosificadora.

30. reactor ( I ) de acuerdo con la reivindicación 29, CARACTERIZADO porque la bomba dosificadora es activable con el sistema de carga de afluente.

3 1 . El reactor (1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30, CARACTERIZADO porque el sistema de dosificación automática es común a todas las unidades de módulo virtual.

32. El reactor (1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 31 , CARACTERIZADO porque comprende un sistema de control automático general común a la totalidad del sistema.

33. El reactor (1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 32, CARACTERIZADO porque el difusor de aire (2) proporciona una capacidad de barrido de fondo del reactor entre 6 y 12 m2.

34. El reactor ( 1 ) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 33, CARACTERIZADO porque posee una altura máxima de 7 metros y altura útil máxima de 6 metros.