REACTOR BIOLOGICO ANOXICO-ANAEROBIO PARA LA ELIMINACION DE NUTRIENTES DE AGUAS RESIDUALES.

Reactor (1) biológico para eliminación de nutrientes de aguas residuales caracterizado por estar compartimentado verticalmente en tres zonas,

Anóxica (3), Anaerobia (2) y de Clarificación (4), que cumplen las funciones de eliminación biológica de materia orgánica y fósforo, desnitrificación y decantación. Flujo de agua residual ascendente al producirse la entrada (13) en la zona inferior Anaerobia, y salida (14) en la zona superior de Clarificación. Se ha de instalar precediendo a otro proceso aerobio para nitrificación y afino de materia orgánica cuyo efluente se recircula para producir las condiciones anóxicas. Dispone de sistemas de mezcla y agitación de las zonas Anaerobia y Anóxica, y recirculación de sólidos entre ambas. Se reducen y simplifican las instalaciones necesarias para tratamiento de aguas residuales con eliminación de nutrientes. No se produce consumo de reactivos. Se optimiza el aprovechamiento de la materia orgánica del agua residual. Se obtiene un efluente conbaja carga contaminante

Reactor biológico anóxico-anaerobio para la eliminación de nutrientes de aguas residuales.

La invención corresponde al sector técnico de procesos de depuración de aguas residuales, más concretamente en el relativo a los sistemas biológicos de eliminación de nutrientes (nitrógeno y fósforo) de aguas residuales.

El fenómeno conocido como eutrofización, designa el enriquecimiento en nutrientes de un ecosistema provocando una abundancia anormalmente alta En los ecosistemas acuáticos los nutrientes nitrógeno y fósforo constituyen los principales factores limitantes para el desarrollo de la biomasa. La abundancia de estos nutrientes origina un crecimiento desordenado y molesto de plantas acuáticas con importantes consecuencias sobre la composición, estructura y dinámica del ecosistema, lo que conduce de manera general a un aumento de la biomasa, un empobrecimiento de la diversidad, y en definitiva, el deterioro de la calidad del agua.

Las corrientes procedentes de las cuencas fluviales aportan continuamente nutrientes disueltos a ríos y lagos de forma natural, pero la actividad humana provoca la descarga continua de aguas residuales con un contenido importante de nutrientes, acelerando drásticamente el proceso de eutrofización de los ecosistemas acuáticos. Las principales aportaciones antropogénicas de nutrientes provienen de la descarga continua, directa o indirecta, de aguas residuales urbanas, agrícolas e industriales. Los vertidos de agua residual urbana, si no hay una depuración previa de nutrientes, aportan nitrógeno orgánico, fósforo orgánico, amonio y fosfato procedentes de las aguas fecales y los detergentes. La contaminación agropecuaria aporta nitratos, amonio y fosfatos procedentes de los fertilizantes y los excrementos animales. Los efluentes industriales, especialmente del procesado de productos alimenticios, también pueden aportar importantes cantidades de nutrientes.

Tanto a nivel Nacional como Europeo y mundial hay una preocupación importante y creciente en la Administración sobre el estado eutrófico de ríos embalses, etc. Por ello se prevé una progresiva definición de zonas declaradas como sensibles a la eutrofización que implicaría la remodelación de muchas Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDARs) existentes, con el fin de capacitarlas para la eliminación de nitrógeno y fósforo, además de las nuevas que restan por construir para el cumplimiento de la normativa vigente.

Eliminar el nitrógeno y/o el fósforo antes de la descarga del agua al medio receptor es necesario además de para evitar la eutrofización, para evitar la toxicidad directa de diversos compuestos nitrogenados, y para permitir la recarga de acuíferos y otras aplicaciones de reutilización.

La eliminación del nitrógeno en una EDAR puede ser parte integral del tratamiento biológico o un proceso añadido a los tratamientos existentes. Para ello se precisa la existencia de una zona anóxica en el proceso biológico de tratamiento del agua residual, además de la zona aerobia, en una variedad de posibles configuraciones. En la zona aerobia se produce la oxidación de los compuestos de nitrógeno hasta la forma de nitratos, empleando oxígeno como oxidante, mientras que en condiciones anóxicas se produce la oxidación de sustrato carbonoso utilizando los nitratos como agente oxidante. De esta manera se obtiene nitrógeno gas molecular.

La eliminación de fósforo del agua residual implica la incorporación de los fosfatos a los sólidos en suspensión, con la posterior retirada de dichos sólidos. El fósforo se puede incorporar a precipitados químicos mediante la adición de sales metálicas o cal en diversas localizaciones dentro del diagrama de flujo del proceso de depuración. Por otra parte, el fósforo se puede incorporar a sólidos biológicos, resultando un proceso con menores costes de operación y menor producción de fango. En los últimos 30 años se han utilizado varias configuraciones de procesos biológicos de fango activo para la eliminación del fósforo. Todas ellas incluyen una zona anaerobia, en la que las bacterias acumuladoras de fósforo (PAOs) liberan fósforo al agua, previa a la zona aerobia o anóxica en la que se produce la acumulación biológica del fósforo en las mismas bacterias PAOs. La mayoría de estas configuraciones incluyen la zona anaerobia en la propia línea principal de agua, mientras que otras lo hacen en la línea de recirculación de fango.

La eliminación biológica conjunta de nitrógeno y fósforo de las aguas residuales urbanas creció notablemente en la década de 1980-1990 y se implantó empleando procesos como A2/O, UCT, Johannesburgo y Bardenpho 5-etapas. Estos procesos incluyen zonas o etapas aerobias, anóxicas y anaerobias para desarrollar las actividades anteriormente descritas. También existen procesos SBR para la eliminación de nutrientes, que funcionan de manera discontinua utilizando un mismo volumen para las diferentes etapas.

La selección de un proceso específico para la eliminación biológica de nutrientes depende de las condiciones y características propias del lugar, de los procesos y equipos existentes y de las necesidades u objetivos del tratamiento. Cada configuración ofrece unas ventajas y limitaciones, pero a modo general, se puede resumir que los procesos biológicos convencionales para eliminación de nutrientes, basados en fangos activos en suspensión, presentan las siguientes desventajas:

• Amplias necesidades de espacio, ya que se requiere aproximadamente cuatro veces el volumen que precisaría el mismo tratamiento sin eliminación de nutrientes. En muchos casos, especialmente en ampliaciones de EDARs existentes, existe un problema de limitación de espacio si se mantiene el proceso convencional de fangos activos.

• Proceso propenso a la generación de bulking filamentoso, fenómeno de mala sedimentabilidad del fango que origina importantes problemas en la explotación de las EDARs.

• Elevado consumo energético, ya que los procesos de nitrificación y acumulación biológica de fósforo aumentan las necesidades de oxígeno del proceso.

Las nuevas tecnologías para la eliminación biológica de nutrientes pretenden mejorar los procesos convencionales aumentando los rendimientos de eliminación de nutrientes, reduciendo los requerimientos de espacio y energía y/o aumentando la fiabilidad del proceso. Algunas de estas nuevas tecnologías optan por el empleo de un único reactor desempeñando las funciones de reactor anaerobio y anóxico, consiguiendo una importante reducción de las necesidades de espacio. Además este tipo de reactores generalmente permite la ampliación de EDARs existentes de una manera más sencilla y viable que si se utilizaran procesos convencionales. Como ejemplo de esta alternativa se encuentras las siguientes investigaciones:

Kyu-Hong Ahn et al., según el artículo "Enhanced biological phosphorus and nitrogen removal using a sequencing anoxic/anaerobic membrane bioreactor (SAM) process" Desalination (2003), desarrollaron e investigaron el proceso SAM (Sequencing anoxic/anaerobic membrane bioreactor) para mejorar la eliminación de fósforo obtenida por otros procesos de eliminación de nutrientes. El proceso incluye una zona aerobia, continuamente aireada, para la nitrificación y la fijación de fósforo, con una membrana sumergida para la separación sólido-líquido. El licor mezcla de esta zona aerobia se recircula intermitentemente a la zona secuencial anóxica/anaerobia (a la cual llega el caudal afluente) para alternar las condiciones anóxica para desnitrificación y anaerobia para la liberación de fósforo. Se obtuvieron unos rendimientos de eliminación de fósforo y nitrógeno del 93% y 60% respectivamente.

Park et al., según el artículo "Small sewage treatment system with an anaerobic-anoxic-aerobic combined biofilter" Water Science and Technology (2003), emplearon un digestor anaerobio de flujo vertical con filtro anóxico alimentado con el agua residual bruta y con la recirculación del efluente de un posterior reactor aerobio. Se obtuvo una eliminación de DQO del 71% en el digestor anaerobio y del 20% en el filtro anóxico. La eliminación de nitrógeno total fue del 70% con una recirculación del efluente nitrificado del 300%. En cambio el trabajo no muestra resultados de eliminación de fósforo, ya que se empleó la zona anaerobia como digestor para reducir la producción de sólidos.

Kwon et al., según el artículo "Pilot study of nitrogen and phosphorus removal system in municipal wastewater using upfíow multi-layer bio reactor (KNR System®)" Journal Korean Society of...

1. Reactor biológico anóxico-anaerobio para la depuración y la eliminación de nutrientes de aguas residuales que comprende: un depósito (1) compartimentado verticalmente en orden ascendente en tres zonas: Anaerobia (2), Anóxica (3) y Clarificación (4), con entrada de agua residual afluente (13) en zona Anaerobia (2), salida de agua tratada (14) desde zona de Clarificación (4) y entrada de recirculación (15) del efluente nitrificado de una posterior etapa aerobia en la zona Anóxica (3), un sistema de mezcla de la zona Anaerobia (2), un sistema de mezcla de la zona Anóxica (3), un sistema de acumulación de fangos en la zona Anaerobia (2), un sistema de recirculación de biomasa mediante bombas desde la zona Anaerobia (2) a la zona Anóxica (3) y un sistema de purga de fangos.

2. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por la posibilidad de emplear tanto deflectores (6) como otros elementos tranquilizadores para favorecer la separación entre la zona Anaerobia (2) y la zona Anóxica (3).

3. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por disponer de un soporte fijo y separador sólido - líquido (7) para la formación de biopelícula, para favorecer la separación de los sólidos arrastrados por el flujo de agua y para tranquilización o reducción de la transmisión de turbulencia de la zona Anóxica (3) a la zona de Clarificación (4).

4. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sistema de mezcla de la zona Anaerobia (2) utiliza bombas externas de recirculación (9) o bien agitadores sumer- gidos.

5. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sistema de mezcla de la zona Anóxica (3) comprende agitadores mecánicos (8) de eje vertical de bajas revoluciones, o bien agitadores sumergidos de eje horizontal.

6. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la recirculación de biomasa desde la zona Anaerobia (2) a la zona Anóxica (3) se realiza mediante las bombas externas (9) del sistema de mezclado de la zona Anaerobia (2) y válvulas automáticas (10, 11), permitiendo el accionamiento intermitente temporizado o controlado tanto del mezclado como de la recirculación.

7. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el fondo (5) del reactor (1) está inclinado con cierta pendiente para favorecer la acumulación de sólidos.

8. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la acumulación de fangos se realiza mediante rasquetas radiales de fondo, bien de accionamiento central o periférico, o mediante rasquetas a lo ancho de accionamiento por puente o por cadenas.

9. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sistema de purga de fangos utiliza bombas propias o bien las bombas (9) del sistema de mezclado de la zona Anaerobia (2) y válvulas automáticas (12) temporizadas o controladas.

10. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sistema de purga de fangos se realiza mediante bombas o válvulas temporizadas o controladas que extraen el fango mediante tuberías que parten de concentradores de fangos colocados en la zona Anóxica (3).

11. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con las reivindicaciones 1, 4 y 5, caracterizado porque mediante la velocidad de giro de los agitadores (8) se establece la altura del lecho suspendido de fango de la zona Anaerobia (2).

12. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por disponer de un sistema de medida de la altura del lecho suspendido de fango de la zona Anaerobia (2) mediante un sensor (17) óptico o por ultrasonidos.

13. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por disponer de un sistema de medida de la concentración de sólidos en suspensión en la zona Anóxica (3) mediante una sonda (16) de sólidos suspendidos o de turbidez.

14. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con las reivindicaciones 1, 6 y 13, caracterizado porque mediante el sistema de recirculación de biomasa controla la concentración de sólidos en suspensión de la zona Anóxica (3), medida por la sonda de concentración (16).

15. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con las reivindicaciones 1, 9, 10 y 12, caracterizado porque mediante el sistema de purga de fango controla la altura del lecho suspendido de fango de la zona Anaerobia (2), medida por el sensor de altura (17).

16. Dispositivo para la eliminación de nutrientes de aguas residuales, de acuerdo con las reivindicaciones 1, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14 y 15, caracterizado por disponer de captación de los datos de los sensores, tratamiento de los mismos y automatización y control de las válvulas automáticas, bombas y agitadores.