WO2022167702A1 - Instalación para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas - Google Patents

Instalación para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas Download PDF

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WO2022167702A1
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water
installation
membranes
biomass
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PCT/ES2021/070079
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JOSEP Mª GARCIA COLOMA
Martin CRESPI ROSSEL
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Biologia Y Filtracion, S.L.
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    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention falls within the field of wastewater purification and treatment.
  • This facility operates through anoxic and aerobic biological processes with part of the suspended biomass and part of the biomass attached to plastic carriers, combining the system with ultrafiltration membranes, adding two existing technologies that are separately called MBBR (fluidized bed) and MBR (bioreactor of membranes) and that are already recognized as highly efficient, although in the sum of them a multiplier performance has been observed that each of them separately offer.
  • MBBR fluidized bed
  • MBR biologicalreactor of membranes
  • This system finds application in facilities dedicated to the treatment of wastewater heavily laden with materials that are difficult to degrade (meat industry, pharmaceutical industry, chemical industry, textile industry, municipal waters with a strong component of water from agriculture and livestock, or existing facilities that have become obsolete). and that do not have the capacity to absorb increases in loads that have occurred over time since their initial design, it is also aimed at the design of new plants where the available space is reduced, at plants with a high load of some pollutants such as nitrogen in its various chemical forms and also in the treatment of wastewater with emerging contaminants (disruptive switches), in addition to offering a significant reduction in energy consumption due to the influence that occurs on the "ALPHA" factor (which affects the same percentage in the reduction of CO2 that is sent to the at mósfera and reduction of surface and volume used.
  • MBBR moving bed
  • An installation of this type is completed with an air flotation system dissolved where the liquid (purified water) and solid (discarded active sludge) phases are separated, a classic clarifier is also often used.
  • wastewater treatment facilities which usually include an initial anoxic system and an aerobic reactor with ultrafiltration membranes, eliminating biodegradable matter and converting all forms of nitrogen (N) into nitrates.
  • the references MBBR and MBR are the abbreviations of the English denominations of the corresponding systems.
  • the MBBR system does not clog if the ratio between the volume of carriers and the total useful volume of the biological reactor does not exceed 65%, because when the thickness of the biofilm reaches the point where oxygen does not reach the internal layers of the biomass, this self-detaches due to the effect of the creation of methane gas inside, which causes a micro explosion expelling the biomass from the carrier wall.
  • Emerging contaminants are those that are discharged into domestic or industrial water and that until now are not regulated in current legislation, such as drug residues, contained in human excrement and animal farms, pesticides, drugs, food supplements, fuels, surfactants (personal hygiene products, products for clothes washers and dishwashers), and other polluting substances that are being found in wastewater, rivers and other surface currents.
  • These contaminants in most of the purification facilities in which conventional treatment systems are applied, until now, are not eliminated from the wastewater and therefore become part of the natural environment to which it arrives, causing serious imbalances in nature especially in fish that assimilate these contaminants and that when they reach our tables they are ingested by us.
  • ES-2190895 describes a hybrid biological membrane reactor for the treatment of industrial and urban wastewater, which is made up of three chambers: an anoxic chamber (1), an aerobic chamber (2) and a membrane filtration chamber (3) in which the microbial sludge is kept in suspension.
  • an influent wastewater is discharged over the anoxic chamber (1) through a conduit located in the upper part of the chamber and in said anoxic chamber the influent wastewater is put in contact with the mixed liquor and a recirculated sludge stream from the membrane filtration chamber (3), which incorporates hollow fiber ultrafiltration membrane modules that are used to separate the treated water from the biological sludge, recirculating the sludge to the anoxic chamber in order to maintain an adequate microbial concentration.
  • ES-2401445 describes an integrated system of anaerobic methanogenic reactor and membrane bioreactor for the removal of organic matter and nitrogen in wastewater, which is also composed of three chambers: an anaerobic methanogenic chamber (1); an anoxic chamber (2) comprising a filler of plastic particles in suspension (14a); and an aerobic filtration chamber (3) comprising a filling of suspended plastic particles (14b) and filtration membranes (20).
  • an objective of the present invention is to provide a wastewater treatment system, with the synergistic result of the two technologies described above, in such a way that it multiplies the benefits that both offer separately.
  • the invention proposes an installation, which has the characteristics of claim 1.
  • the aforementioned installation consists of two stages, a first anoxic biological one and a second totally aerobic biological one, which take place in two conveniently interconnected tanks, which constitute as many reactors, in which both contain plastic carriers of biomass, in which try to get as much biomass as possible adhered to the carriers, ultrafiltration/nanofiltration membranes are installed in this second tank, this is where it becomes important achieve the highest concentration of biomass in suspension and on the carriers.
  • the biomass in suspension will be the one that the ultrafiltration system allows to maintain the greatest amount of biomass possible without causing clogging problems.
  • the size of the tanks is at least 1/3 of the total volume for the anoxic tank and 2/3 for the aerobic tank, so the aerobic reactor will be at least double the anoxic reactor, these proportions are normal in domestic waters , but in industrial waters, which is also the objective of this invention, the aerobic reactor can be 3, 4 and up to 5 times the size of the anoxic reactor, depending on the organic, nitrogen or water load whose COD/BOD5 ratio is higher than 3/1
  • the membranes are not damaged by the impact of the biocarriers (25 mm 0), they are located in a kind of mesh bag made of polypropylene with a clearance of 5-10 mm. This mesh not only protects the fibers of the membranes, but also acts as another support element for the biomass.
  • the carriers used are called BIOFILL C-2 whose specific surface is 590 m 2 /m 3 .
  • a perforated membrane At the bottom of the aerobic tank, a perforated membrane has been installed that allows the passage of air bubbles and prevents carriers from being deposited at the bottom of the tank below the level of the air diffusers when the air stops for any reason. air.
  • the movement of the carriers is carried out by means of thick air bubbles if the height of the water layer does not exceed 4.5 m, if so, lateral wall agitators are installed.
  • Figure 1 shows a schematic elevation view of an installation made according to the invention.
  • the treatment process begins by receiving the raw water in the roughing system, subsequently passing to a pH correction system (4) in the water of industrial origin; In municipal waters, this system is not usually installed.
  • the pH value must be kept between 6.5 and 8, a range that must be respected for any biological process to be viable.
  • the tank (4) must be included within the object of the invention. Throughout the installation of the invention they pass through two tanks that make up as many reactors: a first tank (1), which constitutes an anoxic reactor and a second (2), which constitutes an aerobic biological reactor MBBR/MBR, mounted in series as shown, with ducting and installations described in greater detail below.
  • a by-pass is installed that, by means of pneumatic valves, will close the entrance of the water coming from the primary treatment and will divert it through an external conduit outside the treatment object of the invention in the event that the value of pH was not able to adapt to what was established.
  • the redox indicator relates this redox value to the degree of denitrification of the wastewater. This equipment provides us with a sign of values that will relate these to the necessary recirculation flow from the second tank.
  • the water from a roughing + pH correction primary treatment arrives at the first tank (1), in the tank (4) where a pumping unit sends the water through a conduit (9) located in the lower part of said tank (1). ) and also the conduit (10) that supplies recirculating water from the tank (2) and exits through a conduit (11) located in the upper part of the opposite wall.
  • This first tank (1) is equipped with a disordered plastic filling (BIOFILL C-2) (5) that configures biomass carriers.
  • the tank (1) there is also at least one agitator (8), with a speed of between 40-60 rpm that produces the movement of the residual water and the carriers (5) submerged in the anoxic tank (1) to achieve the effect of a fluidized bed, forming as a whole what is known by its English acronym as an MBBR installation.
  • the disordered fillings (5) allow the accommodation of a large amount of denitrifying biomass, which is responsible for the conversion of organic and nitrogenous matter into carbon dioxide and nitrogen (gas).
  • the volume of the filling inside the tank can be between 35 to 65% of the useful volume of the tank, always depending on the concentration of nitrates (NO 3 ) to be eliminated.
  • this first tank or reactor (1) not only the aforementioned primary treatment waters (9) are received, but also the recirculation waters (10) from the nitrification tank (1) and optionally the sludge purged in the MBR system. .
  • first tank (1) and the second tank (2) are connected through a conduit (11), so that the water overflows into this second tank (2).
  • This union between tanks (1, 2) can be physical, or simply by means of a pipe (11) that allows the transfer by overflow, as in the example of Fig. 1.
  • the tanks are civil works, joined together Yes, by a dividing wall, or by vertical cylindrical deposits of plastic materials, steel, etc.
  • this element is the one that will command the recirculation pumps of the mixed liquor saturated with nitrates from the tank (2) to the tank (1).
  • the second tank (2) is configured as an aerobic reactor (2), that is, it has an air supply to oxidize the organic matter and the nitrogenous compounds of the wastewater that arrives by overflow from the anoxic tank (1).
  • the movement of the carriers in this case, can be carried out by means of the air bubbles themselves, if they are coarse bubbles, or by means of mechanical agitation at low revolutions if the bubbles are fine.
  • This working system is also known as fluidized bed (MBBR).
  • a filling of biomass carriers (6) (BIOFILL C-2) is installed, with a volume of between 35 - 65% with respect to the useful volume of the deposit.
  • the useful volume of this tank (2) will be at least twice that of the tank (1), but it can be 3, 4 or 5 times higher, depending on the characteristics of the wastewater if it is difficult to degradation or by having a high concentration of nitrogenous materials that must be converted into nitrates (NO 3 ).
  • the movement of the carriers (6) is carried out by means of thick air bubbles produced by air diffusers (13), although occasionally, this movement could be produced by one or more slow mechanical agitators, or with both elements. combined (the one from at least one agitator and the one produced by the coarse or fine bubbles coming from said diffusers).
  • the air supplied by the diffusers (13), whether coarse or fine bubble, is supplied by a set of blowers located outside said tank (2).
  • This tank (2) also receives recirculated mixed liquor, in the form of a loop, from the sludge settled at the bottom of its tank through the aforementioned conduit or pipe (10).
  • recirculated mixed liquor in the form of a loop
  • the ratio that is considered most appropriate is between 60-80%.
  • a system of external carbonaceous matter foreign to the system has been foreseen, which is dosed through dosing or peristaltic pumps (20).
  • This tank The main function of this tank is to get as much biomass as possible on the walls of the carriers, for this reason it is extremely important to ensure that the agitation of the carriers is sufficient to move them uniformly, but without exceeding it, so as not to cause collisions between them. that could cause the detachment of biomass.
  • the concentration of biomass in suspension must be between 2 and 3 mg/l in the initial part of the deposit and up to 20 g/L at the end of the deposit, while the thickness of the biofilm on the walls of the carriers must be between 1- 1.5mm.
  • the increase in biomass in suspension throughout the tank (2) is due to the increase in diffusers in the final part.
  • the colonies of microorganisms that are generated in each of the reactors come from the waste itself in meat industries, cutting rooms, fish farms, animal farms, even hospitals, etc., and from human excrement in municipal waters. contain products that are difficult to degrade, it is possible to help maintain the concentration of bacterial colonies with the addition of specialized bacteria, also through pumps (19 and 20), intended to complement the nitrification-denitrification processes or to eliminate fats and oils, from the respective deposits.
  • Ultra/nanofiltration membranes (7) are installed in this tank (2), which are preferably of the so-called hollow fiber type. They are capillary-type elements, hollow inside, in which filtration is produced by a depression effect inside caused by a vacuum pump that forces the water to cross the walls of the membrane perpendicularly.
  • the membrane pore is 0.02 pm or less, so that the sludge in suspension is retained in the walls of the membrane.
  • a very high percentage of this sludge, equal to or greater than 95%, has a size much larger than the diameter of the pore and is repelled by the movement of the membranes produced by the large air bubbles. The rest of the percentage of the sludge can remain adhered to the surface of the membrane, this phenomenon is solved by backwashing with the purified water itself.
  • Each membrane (7) individually is attached to a collector (18) at both ends, forming a set that we will call a frame.
  • the set of frames is attached at both ends to a general collector and this to the installed vacuum system.
  • This process can be carried out with other types of membranes: flat membrane, pressure membrane, ceramic membrane or any other type of membrane that fits the purpose sought in this process.
  • the membranes are installed in 10 mm mesh bags.
  • the collectors that collect the filtered water are attached to stainless steel frames which in turn are attached to the walls of the tank, in this way the membranes can move frontally as if it were a curtain shaken by the wind, in a section of about 2 cm, this movement is produced by the large bubbles released by the diffusers from the base of the tank.
  • the concentration of dissolved O 2 varies throughout the tank (2) at the beginning it will be between 2.5 - 3 ppm while at the end it will be (4.5 - 6 ppm) which is necessary both to oxidize the total organic matter and to convert nitrogenous compounds (H 4 N and NO 2 ) in the medium.
  • the increase in aeration at the end of the tank (2) also serves to cause the necessary movement of the membranes in order to expel the sludge from their surface.
  • the expressed dissolved O 2 concentration will be maintained thanks to a control element for this parameter with two probes that will be immersed at both ends. of the deposit; the supplied air will serve both to promote the movement of the set of water and sludge and of the membranes.
  • a vacuum generator (21) causes a suction effect in the collectors (18) to which the membranes (7) are attached, in order to cause the passage of water through them.
  • This generator can be a vacuum pump, or a peristaltic pump.
  • the ultrafiltered water is stored in an attached tank, to be reused as a means of washing the membranes in countercurrent by means of a pressure pump.
  • the secondary clarifier is eliminated, in such a way that only the sludge that we want to purge is extracted when reaching the critical point, which would be the clogging of the membranes.
  • this tank it is possible to obtain concentrations of suspended matter of up to 20 g/l, by working with this large amount of sludge it is possible to attack high concentrations of nitrogenous components, organic matter and emerging contaminants, etc., allowing an extraordinarily high quality of water to be obtained.
  • the ultrafiltered water is free of pathogenic bacteria, which in municipal waters is an extraordinary guarantee of quality, also eliminating more than 50% of viruses, values that are complemented with a simple ultraviolet lamp or chlorination, obtaining water for any reuse, irrigation of gardens, soil cleaning, infiltrating underground or public channels upstream of the municipal water treatment plant.
  • a dissolved oxygen controller that, in addition to marking the punctual reading of this parameter, regulates the power of the blowers that drive air to the diffusers (13), so that it is not exceeding in its supply to the system, but that it is not below the necessary value (4.5 ppm) so that the function of convenient oxidation of organic matter and nitrification is carried out.

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Abstract

Instalación para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas, que consta de dos etapas, una primera anóxica y una segunda biológica y aerobia, que se desarrollan en dos depósitos (1, 2) intercomunicados entre sí convenientemente, que constituyen otros tantos reactores, que contienen portadores plásticos de biomasa (5, 6), en los se consigue la mayor cantidad posible de biomasa adherida a sus paredes; mientras que el segundo y depósito (2), conformado como un reactor aerobio, contiene unos módulos de membranas de ultra/nano filtración (7) y de unos difusores (14) que proporcionan el aire necesario conforma el bioreactor de membranas MBBR/MBR, en las que se trata de conseguir la mayor concentración de biomasa sobre los portadores y en suspensión posible para eliminar la materia orgánica restante, transformando las materias nitrogenadas en nitratos para eliminar la totalidad de las bacterias patógenas, más del 50 % de los virus y muchos de los contaminantes emergentes que quedan ocluidos en el fango que se separa del sistema.

Description

DESCRIPCIÓN
Instalación para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas.
Sector de la técnica
La presente invención se encuadra en el sector de la depuración y tratamiento de aguas residuales.
Esta instalación opera mediante procesos biológicos anóxicos y aerobios con parte de la biomasa suspendida y parte de la biomasa adherida a portadores plásticos combinando el sistema con membranas de ultrafiltración, sumando dos tecnologías ya existentes que separadamente se denominan MBBR (lecho fluidizado) y MBR (bioreactor de membranas) y que ya son reconocidas como altamente eficaces, si bien en la suma de las mismas se ha observado un rendimiento multiplicador que cada una de ellas por separado ofrecen.
Este sistema encuentra aplicación en instalaciones dedicadas a tratamiento de aguas residuales fuertemente cargadas de materias de difícil degradación (industria cárnica, industria farmacéutica, industria química industria textil, aguas municipales con fuerte componente de aguas de agricultura y ganadería o instalaciones ya existentes que han quedado obsoletas y que no tienen capacidad de absorber incrementos de cargas que se han producido a lo largo del tiempo desde su diseño inicial, también se dirige a diseño de nuevas plantas donde el espacio disponible es reducido, a plantas con una alta carga de algunos contaminantes como el nitrógeno en sus diversas formas químicas y también en el tratamiento de aguas residuales con contaminantes emergentes (interruptores disruptivos), además de ofrecer una importante reducción del consumo energético debido a la influencia que se produce sobre el factor “ALPHA” (lo cual repercute en el mismo porcentaje en la reducción de CO2 que se envía a la atmósfera y reducción de superficie y volumen utilizados..
Estado de la técnica
En la actualidad se conocen instalaciones denominadas MBBR (lecho móvil), que constan de un sistema anóxico y unos reactores biológicos óxicos que contienen portadores de biomasa donde se elimina toda la materia biodegradable y hasta el 85% de los compuestos nitrogenados. Una instalación de este tipo se completa con un sistema de flotación por aire disuelto donde se separan las fases líquidas (agua depurada) y sólidas (lodos activos desechados), también se suele utilizar un clarificador clásico.
Por otro lado, también se conocen instalaciones de tratamiento de aguas residuales, que suelen incluir un sistema anóxico inicial y un reactor aerobio con membranas de ultrafiltración, eliminando la materia biodegradable y convirtiendo todas las formas de nitrógeno (N) en nitratos.
Las referencias MBBR y MBR son las abreviaturas de las denominaciones en inglés de los correspondientes sistemas.
Está comprobado que el sistema MBBR no se colmata si la relación entre el volumen de portadores y el volumen útil total del reactor biológico no supera el 65%, debido a que cuando el grueso de la biopelícula llega al punto de que el oxígeno no llegue a las capas internas de la biomasa, esta se autodesprende por efecto de la creación de gas metano en su interior, lo que provoca una micro explosión expulsando la biomasa de la pared del portador. En los sistemas MBR, el lodo que por efecto de la filtración pueda colmatar los poros de la membrana, se desprende a causa del movimiento de las mismas. Es evidente que los sistemas anteriormente descritos son efectivos en la medida que no se produzca la colmatación de los portadores del sistema MBBR o el ensuciamiento irreversible de las membranas de filtración del sistema MBR.
Los contaminantes emergentes son aquellos que se vierten en el agua doméstica, o industrial y que hasta el momento no están regulados en las legislaciones actuales, como son restos de fármacos, contenidos en los excrementos humanos y granjas de animales, plaguicidas, drogas, complementos de carburantes, tensoactivos (productos de higiene personal, productos para lavadoras de ropa y lavaplatos), y otras sustancias contaminantes que se están encontrando en aguas residuales, ríos y otras corrientes superficiales. Estos contaminantes en la mayoría de las instalaciones de depuración en las que se aplican los sistemas de tratamiento convencionales, hasta el momento, no son eliminados de las aguas residuales y por tanto pasan a formar parte del medio natural al que esta llega causando graves desajustes en la naturaleza sobre todo en peces que asimilan estos contaminantes y que al llegar a nuestras mesas son igeridos por nosotros.
ES-2190895 describe un reactor biológico híbrido de membranas para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas, que está compuesto de tres cámaras: una cámara anóxica (1), una cámara aerobia (2) y una cámara de filtración de membranas (3) en las que se mantiene el lodo microbiano en suspensión. Mientras que en la cámara aerobia (2) se confina un soporte plástico granular y rugoso sobre el que crece una biopelícula con una fracción elevada de microorganismos nitrificantes y se mantiene fluidizado mediante la aplicación de una corriente de aire que se distribuye a través de difusores en la cámara; sobre la cámara anóxica (1) se descarga un agua residual influente a través de una conducción ubicada en la parte superior de la cámara y en dicha cámara anóxica se pone en contacto el agua residual influente con el licor de mezcla y una corriente de lodo recirculado desde la cámara de filtración de membranas (3), que incorpora módulos de membranas de ultrafiltración de fibras huecas que se utilizan para separar el agua tratada del lodo biológico recirculando el lodo a la cámara anóxica con objeto de mantener una concentración microbiana adecuada.
ES-2401445 describe un sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales, que está compuesto también 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).
Explicación de la invención
Basándose en la técnica anterior, un objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de tratamiento de aguas residuales, con el resultado sinérgico de las dos tecnologías anteriormente descritas, de forma que multiplica los beneficios que ambas ofrecen por separado.
Con el fin de alcanzar los objetivos propuestos, mencionados en el apartado anterior, la invención propone una instalación, que tiene las características de la reivindicación 1 .
La mencionada instalación consta de dos etapas, una primera biológica anóxica y una segunda totalmente biológica aerobia, que se desarrollan en dos depósitos intercomunicados entre sí convenientemente, que constituyen otros tantos reactores, en los que los ambos contienen portadores plásticos de biomasa, en ellos se trata de conseguir la mayor cantidad posible de biomasa adherida a los portadores, en este segundo depósito se instalan unas membranas de ultrafiltración/nano filtración, es donde cobra importancia conseguir la mayor concentración de biomasa en suspensión y sobre los portadores. La biomasa en suspensión será la que el sistema de ultrafiltración permita mantener la mayor cantidad de biomasa posible sin causar problemas de colmatación.
El tamaño de los depósitos es como mínimo 1/3 del volumen total para el depósito anóxico y 2/3 para el depósito aerobio, por lo que el reactor aerobio será como poco el doble del reactor anóxico, estas proporciones son las normales en aguas domésticas, pero en aguas industriales que también es el objetivo de esta invención, el reactor aerobio puede ser 3, 4 y hasta 5 veces el tamaño del reactor anóxico, dependiendo de la carga orgánica, nitrogenada o de aguas cuya relación DQO/DBO5 sea superior a 3/1
A efectos de que las membranas no sufran daños por impacto de los bioportadores (25 mm 0), están ubicadas en una especie de bolsa de malla fabricadas en polipropileno con una luz de paso de 5-10 mm. Esta malla no tan solo sirve de protección a las fibras de las membranas, sino que también actúa como un elemento más de soporte para la biomasa.
Los portadores utilizados son los denominados BIOFILL C-2 cuya superficie específicas es de 590 m2/m3. En el fondo del depósito aerobio se ha unstalado una membrana perforada que permite el paso de las burbujas de aire e impide que cuando por cualquier motivo el aire se pare, los portadores se depositen en el fondo del depósito por debajo del nivel de los difusores de aire.
El movimiento de los portadores se realiza mediante burbujas de aire gruesas si la altura de la lámina de agua no supera los 4,5 m, si así fuera se instalan agitadores laterales de pared.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra una vista esquemática y en alzado de una instalación realizadade acuerdo a la invención. Realización de la invención
El proceso de tratamiento comienza recibiendo las aguas crudas en el sistema de desbaste pasando posteriormente a un sistema de corrección de pH (4) en las aguas de origen industrial; en las aguas de origen municipal este sistema no se suele instalar. El valor de pH debe mantenerse entre 6,5 y 8 rango que debe respetarse para que cualquier proceso biológico sea viable. El depósito (4), debe incluirse dentro del objeto de la invención. A lo largo de la instalación de la invención pasan a través de dos depósitos que conforman otros tantos reactores: un primer depósito (1 ), que constituye un reactor anóxico y un segundo (2), que constituye un reactor biológico aerobio MBBR/MBR, montados en serie de la forma señalada, con conductos e instalaciones que se describen con mayor detalle a continuación.
Justo a la entrada del depósito (1 ) se instala un by-pass que mediante unas válvulas neumáticas cerrará la entrada del agua proveniente de tratamiento primario y la desviarán mediante una conducción externa fuera del tratamiento objeto de la invención en caso de que el valor de pH no se consiguiera adecuar a lo establecido. El indicador de redox relaciona este valor de redox con el grado de desnitrificación del agua residual. Este equipo nos proporciona una señe de valores que relacionarán éstos con el caudal de recirculación necesario desde el segundo depósito.
Al primer depósito (1) llegan las aguas provenientes de un tratamiento primario desbaste + corrección de pH, en el depósito (4) donde un equipo de bombeo envía el agua por un conducto (9) situado en la parte inferior de dicho depósito (1 ) y también el conducto (10) que aporta agua de recirculación procedente del depósito (2) y sale por un conducto (11 ) situado en la parte superior de la pared opuesta. Este primer depósito (1) está equipado con un relleno plástico desordenado (BIOFILL C-2) (5) que configura portadores de biomasa.
En el depósito (1) también se sitúa al menos un agitador (8), con una velocidad de entre 40- 60 r.p.m. que produce el movimiento del agua residual y de los portadores (5) sumergidos en el depósito anóxico (1 ) para conseguir el efecto de un lecho fluidizado, conformando en su conjunto lo que por sus siglas inglesas se conoce como una instalación MBBR. Los rellenos desordenados (5) permiten el alojamiento de una gran cantidad de biomasa desnitrificante, que es la responsable de la conversión de la materia orgánica y nitrogenada en anhídrido carbónico y nitrógeno (gas). El volumen del relleno dentro del depósito puede estar entre el 35 al 65 % del volumen útil del depósito siempre dependiendo de la concentración de nitratos (NO3) a eliminar. Con este diseño, cuando la carga orgánica es alta las bacterias toman oxígeno del agua de entrada eliminando así ya un porcentaje considerable (15-25 % de la DBO y una primera reducción del H4N cercana al 10%) con lo que se consigue ya una reducción del tamaño del depósito (2) y un ahorro energético considerable.
En este primer depósito o reactor (1 ), no solo se reciben las aguas de tratamiento primario (9) mencionado, sino también las aguas de recirculación (10) procedentes del depósito de nitrificación (1 ) y opcionalmente el lodo purgado en el sistema MBR.
Como hemos señalado anteriormente, el primer depósito (1) y el segundo depósito (2) están unidos a través de un conducto (11 ), de forma que el agua pasa por rebose a este segundo depósito (2). Esta unión entre depósitos (1 , 2) puede ser física, o simplemente mediante una tubería (11) que permita el traspase por rebose, como en el ejemplo de la Fig. 1. Dependiendo de si los depósitos son de obra civil, unidos entre sí por una pared medianera, o por depósitos cilindricos verticales de materiales plásticos, acero, etc.
En este deposito (1) se ha instalado un equipo controlador de Redox, este elemento es el que comandará las bombas de recirculación del licor mixto saturado de nitratos desde el depósito (2) al depósito (1).
El segundo depósito (2) está configurado como un reactor aerobio (2), es decir, tiene un aporte de aire para oxidar la materia orgánica y los compuestos nitrogenados del agua residual que llega por rebose del depósito anóxico (1 ). El movimiento de los portadores, en este caso, se puede realizar por medio de las propias burbujas de aire, si estas son de burbuja gruesa, o por medio de agitación mecánica a bajas revoluciones si las burbujas son finas. Este sistema de trabajo también se conoce como de lecho fl uidizado (MBBR).
Al igual que en el depósito anóxico (1 ) en este segundo depósito (2) se instala un relleno de portadores de biomasa (6) (BIOFILL C-2), con un volumen de entre el 35 - 65% con respecto al volumen útil del depósito. El volumen útil de este depósito (2), será como mínimo el doble del depósito (1), pero puede llegar a ser de, 3, 4 o 5 veces superior, en función de las características de las aguas residuales si estas son de difícil degradación o por tener una fuerte concentración de materias nitrogenadas que hay que convertir en nitratos (NO3). El movimiento de los portadores (6) se realiza mediante las burbujas de aire gruesas que producen unos difusores de aire (13), aunque ocasionalmente, este movimiento podría ser producido por uno o varios agitadores mecánicos lentos, o con ambos elementos combinados (el de al menos un agitador y el que producen las burbujas gruesas o finas provenientes de dichos difusores). El aire que suministran los difusores (13), sea de burbuja gruesa o fina, es suministrado por un conjunto de soplantes situados en el exterior de dicho depósito (2).
A este depósito (2) también llega licor mixto recirculado, en forma de bucle, del fango sedimentado en el fondo de su depósito a través del citado conducto o tubería (10). Dado que en el depósito de nitrificación se necesita materia orgánica para convertir los compuestos nitrogenados NH4 y NO2 en nitratos NO3, si la cantidad de ésta no fuera suficiente, el ratio que se estima más adecuado está comprendido entre 60-80 %, en función de la que se necesite para la nitrificación, se ha previsto un sistema de materia carbonada exterior ajena al sistema que se dosifica através de bombas dosificadoras o peristálticas (20). La función principal de este depósito es conseguir la mayor cantidad de biomasa posible sobre las paredes de los portadores, por este motivo es extremadamente importante conseguir que la agitación de los portadores sea suficiente para moverlos uniformemente, pero sin excederse, para no provocar choques entre ellos que pudieran ocasionar el desprendimiento de la biomasa. La concentración de biomasa en suspensión deberá estar entre 2 y 3 mg/l en la parte inicial del depósito y de hasta 20 g/L al final del depósito mientras que el grosor del biofilm sobre las paredes de los portadores debe ser de entre 1- 1 ,5 mm. El incremento de la biomasa en suspensión a lo largo del depósito (2) es debido al incremento de difusores en la parte final.
Las colonias de microorganismos que se generan en cada uno de los reactores, provienen de los propios residuos en industrias cárnicas, salas de despiece, piscifactorías, granjas de animales incluso de hospitales, etc y de los excrementos humanos en aguas municipales, Cuando las aguas residuales contienen productos difíciles de degradar se puede ayudar al mantenimiento de la concentración de las colonias bacterianas con la adición de bacterias especializadas también mediante las bombas (19 y 20), destinados a complementar los procesos de nitrificación-desnitrificación o para eliminar grasas y aceites, desde los respectivos depósitos.
En este depósito (2) se instalan unas membranas de ultra/nanofiltración (7), que preferentemente son del tipo denominado de fibra hueca. Son unos elementos de tipo capilar, huecas en su interior, en los que la filtración se produce por un efecto de depresión en su interior originada por una bomba de vacío que obliga al agua a atravesar las paredes de la membrana de forma perpendicular. El poro de la membrana es de 0,02 pm o inferior, de manera que el lodo en suspensión quede retenido en las paredes de la membrana. Este lodo en un porcentaje muy alto, igual o superior al 95 %, tiene un tamaño muy superior al diámetro del poro y es repelido por el propio movimiento de las membranas producido por las burbujas gruesas de aire. El resto del porcentaje del lodo puede quedar adherido en la superficie de la membrana, este fenómeno se solventa mediante un lavado en contracorriente con la propia agua ya depurada.
Cada membrana (7) a título individual queda unida a un colector (18) por ambos extremos formando un conjunto que denominaremos bastidor. El conjunto de bastidores está unido por ambos extremos a un colector general y este al sistema de vacío instalado.
Este proceso puede realizarse con otro tipo de membranas: membrana plana, membrana a presión, membrana cerámica o cualquier otro tipo de membrana que se ajuste al fin buscado en este proceso.
Las membranas van instaladas en bolsas de malla de 10 mm de luz. Los colectores que recogen el agua filtrada van sujetos a unos marcos de acero inoxidable que a su vez se sujetan a las paredes del depósito, de esta forma las membranas pueden moverse frontalmente como si fuera una cortina sacudida por el viento, en un tramo de unos 2 cm, este movimiento es producido por las burbujas gruesas que desprenden los difusores desde la base del depósito.
Casi en el fondo del depósito, por encima de los difusores, pero por debajo de las membranas, se instala una red del mismo material que proteje a las membranas (3), a fin de que cuando la aireación se pare por cualquier motivo los portadores no caigan en el fondo del depósito por debajo de los difusores. Las bolsas que protegen las membranas y la red son de hilo de polipropileno.
La concentración de O2 disuelto varía a lo largo del depósito (2) al principio estará entre 2,5 - 3 ppm mientras que al final estará (4.5 - 6 ppm) que es la necesaria tanto para oxidar la materia orgánica total como para convertir los compuestos nitrogenados (H4N y NO2) en el medio, El aumento de aireacón al final del depósito (2) también sirve para provocar el movimiento necesario de las membranas a fin de expulsar el lodo de la superficie de las mismas. La concentración de O2 disuelto expresado se mantendrá gracias a un elemento controlador de este parámetro con dos sondas que estarán sumergidas en los dos extremos del depósito; el aire aportado servirá tanto para promover el movimiento del conjunto de agua y lodo y de las membranas.
Un generador de vacío (21) provoca un efecto de succión en los colectores (18) a los que están unidas las membranas (7), a fin de provocar el paso del agua a través de las mismas. Este generador puede ser una bomba de vacío, o una bomba peristáltica.
Preferentemente, el agua ultrafiltrada se almacena en un depósito anexo, para ser reutilizada como medio de lavado de las membranas a contracorriente mediante una bomba de presión.
En nuestro sistema se elimina el decantador secundario, de tal manera que solo se extrae el fango que deseamos purgar al llegar al punto crítico, que sería la colmatación de las membranas. En este depósito se puede obtener concentraciones de materia en suspensión de hasta 20 g/l, al trabajar con esta gran cantidad de lodo permite atacar altas concentraciones de componentes nitrogenados, materia orgánica y contaminantes emergentes, etc., permitiendo obtener una calidad de agua extraordinariamente clarificada con una turbidez inferior a 5 NTU, sea la procedencia del agua de cualquier proceso industrial, incluso de procesos textiles, industria cárnica, o lixiviados. Además, el agua ultrafiltrada, está libre de bacterias patógenas, lo que en aguas municipales es una garantía extraordinaria de calidad, eliminando también más del 50% de virus, valores que se complementan con una simple lámpara de ultravioleta o una cloración, obtiéndose agua para cualquier reuso, riego de jardines, limpiezas de suelos, infiltrar en cauces subterráneos o públicos aguas arriba de la planta de potabilización municipal.
En el depósito biológico (2) se dispone de un controlador de oxígeno disuelto que además de marcar la lectura puntual de este parámetro regula la potencia de los soplantes que impulsan aire a los difusores (13), a fin de que no se esté excediendo en su suministro al sistema, pero que tampoco esté por debajo del valor necesario (4,5 ppm) para que se realice la función de oxidación conveniente de la materia orgánica y nitrificación .
El agua residual entrante en el depósito (1), se mezcla con agua de recirculación proveniente del depósito (2). Esta recirculación se produce mediante una bomba sumergida que impulsa el agua del depósito (2) a través de una tubería (10). Una vez descrita la naturaleza de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, resulta de manera evidente que la invención es susceptible de aplicación industrial, en los sectores indicados. Asimismo se hace constar a los efectos oportunos que los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos descritos podrán ser modificados, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las características esenciales de la invención que se reivindican a continuación:

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Instalación para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas, que comprende:
- un primer depósito (1 ) de tratamiento anóxico que contiene un material de relleno (5), con disposición desordenada, en el que se alojan las colonias de bacterias desnitrificantes a fin de eliminar los compuestos nitrogenados contenidos en las aguas crudas (9) que llegan al depósito conjuntamente con una parte de las aguas de recirculación (10) que provienen de un segundo depósito (2), disponiendo dicho depósito (1) de: o un conducto (11) acoplado en la parte superior de dicho depósito (1 ) por el que sale la mezcla de aguas por rebose de dicho depósito (1 ), sin que se suministre aire en el mismo, o al menos un medio de agitación mecánica (8), que se mueven a una velocidad comprendida entre 40-60 rpm; y o un conjunto de equipos (19) para el suministro de materia carbonada adicional, no contenida en las aguas residuales, así como la adición externa de microorganismos especializados desnitrificantes que ayudan a esta función; un segundo depósito (2) de tratamiento aerobio, que dispone de una entrada de agua desde el primer depósito (1 ) y de agua recirculada (10), que contiene un material de relleno (6), de configuración desordenada, en cuyas paredes se depositan colonias de bacterias oxidantes y nitrificantes, en los que la oxidación se produce gracias al aire aportado por unos difusores (13) de aire impulsado por unos soplantes; que contiene: o unos módulos de membranas de ultra/nanofiltración de fibra hueca (7) sumergidas en el licor mixto (mezcla de agua residual y lodo activo), que proviene del primer depósito (1 ); o unos soplantes que proporcionan aire que es distribuido por un conjunto de difusores (14) a fin de procurar la oxidación de la materia orgánica y la conversión de los compuestos nitrogenados en nitratos, a la vez que sacuden las membranas para que el lodo no se quede adherido a las mismas; o unas bombas centrífugas (16) de recirculación de parte del licor mixto a la entrada de su propio depósito (2) y al depósito anóxico (1); o una salida de agua filtrada (12) conectada a una bomba de vacío (21), que produce un efecto de succión del agua que la obliga a traspasar perpendicularmente la pared de las membranas conectadas individualmente a unos colectores principales (18) que extraen del sistema el agua filtrada a través del conducto (12) al exterior de la instalación.
2.- Instalación, según la reivindicación 1 , caracterizada por que el material de relleno (5, 6) que se instala en los depósitos (1 , 2) son elementos portadores de biomasa, de plástico, desordenados y con una densidad menor que 1 si es agua dulce y mayor que 1 si es agua salada, estando la concentración de los portadores en los depósitos comprendida entre el 35 - 65% con respecto al volumen útil del depósito correspondiente, dependiendo de la carga del agua a tratar, donde se fijan las bacterias desnitrificantes y oxidantes comportándose el contenido de dichos depósitos como sendos reactores de lechos fluidizados.
3.- Instalación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el movimiento de las masas de agua y del material de relleno (5) en el primer depósito
(1) se consigue gracias a una agitación mecánica (8) a bajas revoluciones.
4.- Instalación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el movimiento de las masas de agua y del material de relleno (6) en el segundo depósito
(2) se consigue gracias a las propias burbujas gruesas de aire aportado por los difusores (14), con la ayuda o no de agitación mecánica.
5.- Instalación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por qué las membranas y los colectores (18) que forman los bastidores de membranas de fibra hueca de ultra/nanofiltración instalados en el depósito (2) están embolsados en mallas de polipropileno con una luz de paso que permite separar el agua clara del lodo activo.
6.- Instalación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el depósito (1) tiene instalado un equipo medidor controlador de Redox cuyo valor puntual indica el grado de desnitrificación que se está produciendo regulando así el porcentaje de recirculación de licor mixto desde el depósito (2).
7.- Instalación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la inyección de aire en el depósito (2) se realiza desde la parte inferior del mismo.
8.- Instalación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el agua ultra/nano filtrada se obtiene por depresión mediante una bomba de vacio o peristáltica (21), exterior al depósito (2).
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ES2190895A1 (es) 2002-02-01 2003-08-16 Univ Santiago Compostela Reactores biologico hibrido de membranas para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas.
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.
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