Proceso de eliminación de nutrientes de aguas residuales mediante fotobiotratamiento con microorganismos fotosintéticos.
Proceso de eliminación de nutrientes de aguas residuales mediante fotobiotratamiento con microorganismos fotosintéticos.
Consiste en un proceso en el que se emplean dos reactores; uno de contacto, que incluye la separación de la biomasa del agua mediante procesos de filtración por membrana sumergida y un segundo reactor de crecimiento (fotobiorreactor) donde se favorece el crecimiento de la biomasa a expensas solamente de las reservas acumuladas en el reactor de contacto. El proceso permite el tratamiento de forma continuada de día y noche gracias a sus dos modos de operación: Diurno en el que la corriente concentrada saliente del reactor de contacto es enviada al fotobiorreactor y la recirculación al reactor de contacto se realiza desde el fotobiorreactor y Nocturno en el que la corriente concentrada saliente del reactor de contacto es purgada y la recirculación se realiza desde el depósito de purga diurna del fotobiorreactor.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201201138.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE CADIZ.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: PERALES VARGAS MACHUCA,Jose Antonio, GARRIDO PEREZ,Carmen, BARRAGAN SANCHEZ,Jesus, RUIZ GONZALEZ,Jesus, ARBIB,Zouhayr.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- C02F3/32 QUIMICA; METALURGIA. › C02 TRATAMIENTO DEL AGUA, AGUA RESIDUAL, DE ALCANTARILLA O FANGOS. › C02F TRATAMIENTO DEL AGUA, AGUA RESIDUAL, DE ALCANTARILLA O FANGOS (procedimientos para transformar las sustancias químicas nocivas en inocuas o menos perjudiciales, efectuando un cambio químico en las sustancias A62D 3/00; separación, tanques de sedimentación o dispositivos de filtro B01D; disposiciones relativas a las instalaciones para el tratamiento del agua, agua residual o de alcantarilla en los buques, p. ej. para producir agua dulce, B63J; adición al agua de sustancias para impedir la corrosión C23F; tratamiento de líquidos contaminados por radiactividad G21F 9/04). › C02F 3/00 Tratamiento biológico del agua, agua residual o de alcantarilla. › caracterizado por los animales o vegetales utilizados, p. ej. algas.
- C12M1/00 C […] › C12 BIOQUIMICA; CERVEZA; BEBIDAS ALCOHOLICAS; VINO; VINAGRE; MICROBIOLOGIA; ENZIMOLOGIA; TECNICAS DE MUTACION O DE GENETICA. › C12M EQUIPOS PARA ENZIMOLOGIA O MICROBIOLOGIA (instalaciones para la fermentación de estiércoles A01C 3/02; conservación de partes vivas de cuerpos humanos o animales A01N 1/02; aparatos de cervecería C12C; equipos para la fermentación del vino C12G; aparatos para preparar el vinagre C12J 1/10). › Equipos para enzimología o microbiología.
- C12N1/12 C12 […] › C12N MICROORGANISMOS O ENZIMAS; COMPOSICIONES QUE LOS CONTIENEN; PROPAGACION, CULTIVO O CONSERVACION DE MICROORGANISMOS; TECNICAS DE MUTACION O DE INGENIERIA GENETICA; MEDIOS DE CULTIVO (medios para ensayos microbiológicos C12Q 1/00). › C12N 1/00 Microorganismos, p.ej. protozoos; Composiciones que los contienen (preparaciones de uso médico que contienen material de protozoos, bacterias o virus A61K 35/66, de algas A61K 36/02, de hongos A61K 36/06; preparación de composiciones de uso médico que contienen antígenos o anticuerpos bacterianos, p. ej. vacunas bacterianas, A61K 39/00 ); Procesos de cultivo o conservación de microorganismos, o de composiciones que los contienen; Procesos de preparación o aislamiento de una composición que contiene un microorganismo; Sus medios de cultivo. › Algas unicelulares; Sus medios de cultivo (como novedades vegetales A01H 13/00).
Fragmento de la descripción:
PROCESO DE ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE FOTOBIOTRAT AMIENTO CON
MICROORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS.
SECTOR DE LA TÉCNICA.
De acuerdo con la Nomenclatura Internacional de la UNESCO para los campos de Ciencia y Tecnología, las áreas científicas a las que corresponde la invención serían:
3308 Ingeniería y tecnología del medio ambiente
330810 Tecnología de aguas residuales
339001 Biotecnología de microalgas
De acuerdo con La Nomenclatura estadística de actividades económicas de la Comunidad Europea (NACE), el sector de actividad industrial al que se puede aplicar
sería:
Sección E - Suministro de agua, actividades de saneamiento, gestión de residuos y descontaminación
37 Recogida y tratamiento de aguas residuales
ESTADO DE LA TÉCNICA.
Las elevadas concentraciones de nitrógeno y fósforo habitualmente presentes en las aguas residuales han de ser eliminadas antes de ser vertidas debido a que pueden provocar procesos de eutroficación en los cauces receptores, lo que conllevaría un empeoramiento de su calidad ambiental. Estos nutrientes pueden ser eliminados de las aguas residuales mediante una amplia variedad de procesos biológicos y físico- químicos. Los cuales suelen ser bastante costosos de implantar y operar, además de generar importantes cantidades de lodos. Asimismo muchos de los procesos biológicos más habituales para la eliminación biológica de nutrientes son bastante complejos (Jeyanayagam, 2005).
Los procesos de eliminación de nutrientes de las aguas residuales suelen ser grandes consumidores de energía, suponiendo alrededor del 60 al 80% del consumo energético de todo el proceso de depuración de las aguas residuales (Maurer et al., 2003).
El cultivo de microorganismos fotosintéticos en aguas residuales ofrece la combinación de tres ventajas, la eliminación del exceso de nutrientes con la producción simultánea de biomasa algal y el consumo de C02 (Ruiz et al., 2011; Arbib et al., 2012). En el campo de la biotecnología de microorganismos fotosintéticos se ha demostrado que a través de este proceso no solo se pueden eliminar de forma eficiente los nutrientes del agua residual sino que también puede tener un efecto positivo en el balance energético de todo el proceso de depuración de microorganismos fotosintéticos dado que la biomasa algal puede ser utilizada como materia prima para la producción de biocombustibles (Sturm and Lamer, 2011).
Existen muchos y muy diversos tipos de fotobioreactores patentados para el cultivo de microorganismos fotosintéticos (US 2012/0088278 Al, US 2012/0107918 Al. CN101280271 A, CN102674529A, KR20120073432A) una de las principales desventajas de todos ellos consiste en que operan bajo los mismos tiempos de retención hidráulica y celular, lo que hace que su volumen esté condicionado por la velocidad de crecimiento de los microorganismos fotosintéticos. Una solución a este problema se consigue separando y recirculando parte de la biomasa generada en el proceso para mantener una elevada concentración de biomasa en el fotobiorreactor pudiéndose disminuir su volumen manteniendo la productividad.
En el campo de los microorganismos fotosintéticos, una opción tecnológica para la separación de la biomasa del medio de cultivo son las tecnologías de membrana, si bien su uso está centrado en el proceso de cosechado y deshidratación del efluente del fotobiorreator (Ahmad et al. 2012; Bhave et al. 2012; Lee et al. 2012; Ríos et al. 2012). Sin embargo, algunos autores (Singh and Thomas 2012; Honda et al. 2012) han presentado resultados satisfactorios en depuración de aguas residuales mediante reactores de microorganismos fotosintéticos con tecnología de membrana sumergida (US 2009/0305389 Al, US 2011/0275117 Al, CN101767893A).
Referencias mencionadas
Ahmad AL, Mat Yasin NH, Derek CJC, Lim JK. 2012. Crossflow microfiltration of microalgae biomass for biofuel production. Desalination. 302, 65-70
Arbib Z, Ruiz J, Alvarez P, Garrido C, Barragan J, Perales JA. 2012. Chlorella stigmatophora for Urban Wastewater Nutrient Removal and C02 Abatement. Int. J. Phytoremediat. 14(7):714-725.
Sturm, B.S.M.; Lamer, S.L..2011 An energy evaluation of coupling nutrient removal ffom wastewater with algal biomass production. Applied Energy, 88, 3499-506
Bhave R, Kuritz T, Powell L, Adcock D. 2012. Membrane-based energy efficient dewatering of microalgae in biofuels production and recovery of valué added co- products. Environ. Sci. Technol. 46(10):5599-5606.
Honda R, Boonnorat J, Chiemchaisri C, Chiemchaisri W, Yamamoto K. 2012. Carbón dioxide capture and nutrients removal utilizing treated sewage by concentrated microalgae cultivation in a membrane photobioreactor. Bioresour. Technol. 125,59-64.
Jeyanayagam S.. Trae Confessions of the Biological Nutrient Removal Process. 2005 Florida Water Resources Journal, January, 37-46
Lee DJ, Liao GY, Chang YR, Chang JS. 2012. Chitosan coagulation-membrane fíltration of Chlorella vulgaris. International Journal of Hydrogen Energy. 37(20): 15643-15647.
Maurer, M. ; Schwegler, P.; Larsen, T.A.. 2003. Nutrients in uriñe: energetic aspects of removal and recovery. Water Science and Technology Vol 48 No 1 pp 3746
Menger-Krag, Eve; Niederste-Hollenberg, Jutta; Hillenbrand, Thomas; Hiessl, Harald. (2012). Integration of Microalgae Systems at Municipal Wastewater Treatment Plants (WTPs): Implications for Energy and Emission Balances. Environmental Science & Technology; D01:10.1021/es301967y
Powell, N., Shilton, A.N., Pratt, S., Chisti, Y. (2008). Factors Inlluencing Luxury Uptake of Phosphorus by Microalgae in Waste Stabilization Ponds. Environmental Science & Technology, 42, 5958-5962.
Ríos SD, Salvado J, Farriol X, Torras C. 2012. Antifouling microfiltration strategies 5 to harvest microalgae for biofuel. Bioresour Technol. 119,406-18..
Ruiz J, Álvarez P, Arbib Z, Garrido C, Barragán J, Perales JA. 2011. EfFect of nitrogen and phosphorus concentration on their removal kinetic in treated urban wastewater by Chlorella vulgaris. Int. J. Phytoremediat. 13(9):884-896.
Ruiz J, Arbib Z, Álvarez-Díaz PD, Garrido-Pérez C, Barragán J, Perales JA. 2012. 10 Photobiotreatment model (PhBT): a kinetic model for microalgae biomass growth and nutrient removal in wastewater. Environ. Technol. DOI: 10.1080/09593330.2012.724451.
Ruiz-Martinez A, Martin García N, Romero I, Seco A, Ferrer J. 2012. Microalgae cultivation in wastewater: Nutrient removal ffom anaerobio membrane bioreactor 15 effluent. Bioresour. Technol. 126, 247-253.
Singh G, Thomas PB. 2012. Nutrient removal ffom membrane bioreactor permeate using microalgae and in a microalgae membrane photoreactor. Bioresour. Technol. 117, 80-85.
US 2009/0305389 Al. Permeable membranes in film photobioreactors.
US 2011/0275117 Al. Photobioreactor system unit high specific growth rate and low dilution rate.
US 2012/0088278 Al. Utilization of wastewater for microalgal cultivation.
US 2012/0107918 Al. Methods for algal growth in photobioreactors.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.
La presente invención propone un proceso de tratamiento de aguas residuales mediante tecnología de microorganismos fotosintéticos, como por ejemplo los microorganismos fotosintéticos, con capacidad de eliminar nitrógeno y fósforo de manera eficiente.
El fundamento de esta invención se basa en una serie de evidencias experimentales halladas por los autores de la patente, como son:
Cultivadas en agua residual, las microalgas consumen nitrógeno y fósforo antes de comenzar a crecer (Figura 1)
Las microalgas acumulan nutrientes en su interior, por lo que este proceso de asimilación de nutrientes no solo comienza antes que el crecimiento sino a una velocidad mucho mayor que a la que utilizan estos nutrientes para generar nueva biomasa.(Figura 1)
Esta eliminación inicial de nutrientes previo al crecimiento ocurre en oscuridad a velocidades comparables a las que lo hacen bajo iluminación (Tabla 1).
Al separar ambas etapas en dos reactores; uno de eliminación de nutrientes del agua residual en oscuridad y otro para el crecimiento de la biomasa, no solo se consigue eliminar nutrientes del agua residual con volúmenes de reactor inferiores a los que se requerirían usando procesos en los que asimilación y crecimiento ocurren en el mismo fotobiorreactor, sino que además con un sencillo cambio del modo de operación del proceso se pueden eliminar nutrientes de noche con el exceso de biomasa generada durante el día.
Tabla 1: Tiempo requerido en alcanzarse 10 mg/L de N y 1 mg/L de P en un agua residual puesta en contacto con microalgas (Scenedesmus...
Reivindicaciones:
L- Proceso de eliminación de nutrientes de aguas residuales mediante fotobiotratamiento con microorganismos fotosintéticos, caracterizado porque comprende dos fases; una fase de eliminación de nutrientes en un reactor en oscuridad y una segunda etapa de crecimiento de la biomasa en un fotobiorreactor o reactor iluminado.
2.- Proceso de eliminación de nutrientes de aguas residuales mediante fotobiotratamiento con microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 1, caracterizado porque aprovecha la capacidad de los organismos fotosintéticos de asimilar nutrientes en la oscuridad a una velocidad superior a la que estos requieren para multiplicarse, separando la fase de almacenamiento rápido de nutrientes que se realiza en oscuridad, de la fase de crecimiento de la biomasa que se realiza bajo iluminación.
3.- Proceso de eliminación de nutrientes de aguas residuales mediante fotobiotratamiento con microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque comprende el uso de dos reactores, un reactor de contacto operado en oscuridad para la incorporación de nutrientes a la biomasa y un fotobiorreactor para el crecimiento de la biomasa algal sin aporte extemo de nutrientes, haciendo que para su crecimiento, la biomasa emplee las reservas acumuladas en el reactor de contacto.
4.- Proceso de eliminación de nutrientes de aguas residuales mediante fotobiotratamiento con microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 3, caracterizado porque en el reactor de contacto en oscuridad, además de realizarse la incorporación de nutrientes a la biomasa, se realiza la separación de la biomasa del agua residual tratada mediante procesos de filtración por membrana sumergida.
5.- Proceso de eliminación de nutrientes de aguas residuales mediante fotobiotratamiento con microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque comprende dos fases de operación, para su funcionamiento de forma continuada día y noche, según se describe a continuación:
Operación diurna: La corriente concentrada saliente del reactor de contacto es enviada al reactor de crecimiento y la recirculación al reactor de contacto se realiza desde el reactor de crecimiento.
Operación nocturna: La corriente concentrada saliente del reactor de contacto es enviada a un depósito de almacenamiento y la recirculación se realiza desde el 10 depósito de almacenamiento de la purga diurna del fotobiorreactor de crecimiento.
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