Procedimiento para fraccionar substancias orgánicas en forma de partículas en suspensiones de microorganismos en un medio de soporte,

en particular en aguas residuales o lodos de instalaciones de clarificación biológicas, en el que las substancias orgánicas son sometidas en una cámara de operación (3) a fuerzas inerciales como resultado de una aceleración extrema breve seguida inmediatamente de una deceleración del medio de soporte que fluye en un canal de flujo cerrado, caracterizado porque a la entrada de la cámara de operación el medio de soporte es llevado a evaporarse y posteriormente a condensarse aumentando la energía cinética/volumen del flujo de agua hasta un valor máximo ρ w·u k 2 /2 a la entrada de la cámara de operación, de manera que puede formarse flujo de vapor en la cámara de operación debido a la caída de la presión estática por debajo de la presión del vapor, donde ρ w designa la densidad del medio de soporte y u k designa la velocidad de flujo a la entrada de la cámara de operación y en la propia cámara de operación ya no se producen burbujas de vapor específicas y se consigue una transición a un flujo de vapor completo

La invención se refiere a un procedimiento con las características de la reivindicación 1 para fraccionar substancias orgánicas en forma de partículas en suspensiones de microorganismos en un medio de soporte, en particular en aguas residuales o lodos de instalaciones de clarificación biológicas.

Campo técnico:

En el tratamiento de aguas residuales en instalaciones de clarificación biológicas industriales y municipales según el procedimiento de activación conocido, debido a la metabolización de materias que pueden ser descompuestas biológicamente por bacterias se produce lodo de clarificación en forma de suspensiones de bacterias. Puesto que este lodo de clarificación debido a las leyes y a presiones económicas es depositado, quemado o empleado en la agricultura sólo de manera limitada, cobra cada vez más importancia la reducción del lodo de clarificación para evitar su propagación.

Como procedimiento para la reducción de desechos en los últimos años se estudió la disgregación celular mecánica (desintegración) de los organismos contenidos en el lodo de clarificación. En la desintegración de lodo de clarificación hay que tener cuidado en destruir de las paredes celulares al menos de una parte de los microorganismos contenidos en el lodo de clarificación y liberar los contenidos de las células.

Esta disgregación celular persigue esencialmente dos objetivos. Por un lado debe mejorar el tratamiento anaeróbico del lodo por una descomposición acelerada e intensificada. Esta aceleración se basa en el fomento mecánico de la hidrólisis, ya que la disgregación celular conduce a una liberación del agua interior de las células que es fácil de descomponer. Adicionalmente son disgregados facultativamente microorganismos anaeróbicos que si no pueden sobrevivir parcialmente al proceso de putrefacción y en el lodo de putrefacción son responsables del contenido residual en materiales orgánicos. Por la disgregación celular se debe favorecer la intensificación de la descomposición.

Por otra parte la desintegración abre la posibilidad de que el agua del interior de las células, que contiene substancias orgánicas como proteínas y polisacáridos, sea empleada como fuente de carbono interna. Para ello debe conseguirse una reducción de la cantidad de lodo y del tiempo de putrefacción, así como una elevación de la cantidad de gas de putrefacción que puede ser empleado energéticamente. Otras ventajas son entre otras la destrucción de lodo flotante y de las clamidobacterias, así como una mejora de las propiedades de acumulación de lodos.

Estado de la técnica:

Una vista general de los procesos de desintegración mecánicos convencionales la dan: N. Dichtl, J. Müller, E. Englmann,

F.W. Günthert y M. Osswald en un artículo “Desintegration von Klärschlamm- ein aktueller Überblick” en “Korrespondenz Abwasser” 1997 (44) núm. 10, p. 1726 a 1738. Según ellos para su empleo a escala industrial son adecuados sobre todo:

- Los molinos de bolas con agitador

- El homogeneizador de alta presión y

- El homogeneizador de ultrasonidos

Mientras que la disgregación celular en el molino de bolas con agitador es producida por la rotación de las bolas en una cámara de molido cilíndrica llena de bolas para moler que está hecha de vidrio duro o cerámica, para la disgregación de las células en el homogeneizador de ultrasonidos o de alta presión son utilizados procesos de cavitación.

A todos los procedimientos conocidos para la desintegración mecánica es común que el gasto de energía y los costes para la generación de los procesos de cavitación, por medio de los cuales se producen las fuerzas que causan la ruptura de las paredes celulares de los microorganismos son muy altos. Esto es aplicable tanto para la fabricación como para el funcionamiento y el mantenimiento de los homogeneizadores de alta presión y de ultrasonidos. Mientras que en los homogeneizadores de alta presión deben ser generadas presiones muy altas que requieren una alta capacidad de bombeo, en el procedimiento de ultrasonidos se necesita una gran cantidad de energía eléctrica para la alimentación de los sonotrodos. Un inconveniente del aprovechamiento del fenómeno de la cavitación en este contexto es además que se producen desprendimientos en los aparatos y materiales, por lo que deben ser empleados materiales costosos especiales para componentes de desgaste extremadamente alto, como por ejemplo titanio.

En la solicitud de patente alemana antigua no publicada anteriormente según el documento DE 102 14 689 A1 ha sido ya propuesto para la reducción de los costes de energía y equipa-miento en la generación de fenómenos de cavitación en lugar de emplear para la disgregación de sustancias orgánicas desintegradores de ultrasonidos o de alta presión costosos en cuanto a la técnica de máquinas o de energía, transportar la suspensión bajo presión a través de una tobera con sección transversal que en primer lugar se estrecha y luego se ensancha otra vez, la llamada tobera de Laval. Así por la reducción de la sección transversal se eleva la velocidad de flujo de la suspensión, de manera que la presión desciende por debajo de la presión de vapor de la substancia de soporte, esto es el agua, mientras que al atravesar la sección transversal que a continuación se ensancha otra vez son generadas burbujas de cavitación que se colapsan por equilibrio de la presión.

En el documento DE 101 55 161 A1 se describe un procedimiento para la disgregación de aguas residuales, lodo de clarificación o substratos orgánicos empleados en instalaciones de biogás para la reducir y evitar la formación de lodo hinchado, lodo flotante y/o espuma. Según la invención la disgregación se realiza por fuerzas de cizallamiento y por cavitación que es generada con ayuda de un canal de flujo. En el procedimiento es deseable expresamente la generación de cavitación.

También en los procedimientos descritos en los documentos de patente norteamericana US 6,200,486 B1; US 5,494,585 B1 y US 6,505,648 B1 la disgregación se realiza aprovechando los fenómenos de cavitación.

El tratamiento de tales suspensiones por procedimientos con fenómenos de cavitación ha tenido un cierto éxito, es decir, se consigue una elevación del producto de gas de putrefacción, así como una reducción de la proporción de lodo de clarificación, pero es incuestionable que hay que aclarar si estos efectos son causados por los esfuerzos de cizallamiento que se producen en el canal de flujo, por la formación y desinflado de las burbujas de cavitación o por otros fenómenos hasta ahora no aclarados del todo. En todo caso, la formación y desinflado de las burbujas de cavitación a modo de implosión ha causado en el fondo sólo un efecto local, pero no en primer lugar una ruptura de las células y por tanto la disgregación de los microorganismos.

Descripción de la invención:

Ante esta situación la invención se propone conseguir una posibilidad por medio de la cual con un gasto de material y energía pequeños semejante pueda conseguirse la disgregación perseguida de los microorganismos en el sentido de una ruptura de las células.

Según la invención este objeto se lleva a cabo por un procedimiento con las características mencionadas en la reivindicación

1. Perfeccionamientos ventajosos resultan de las reivindicaciones subordinadas.

Según la invención el efecto desintegrador se consigue por medios hidrodinámicos. Así, la idea base de la invención es conseguir en el recorrido de transporte de la suspensión en un canal de flujo cerrado, en particular una conducción tubular, una cámara de operación en la que la velocidad de flujo del medio de soporte de la suspensión, esto es el agua, se eleve, de manera que por la caída de la presión provocada por ello, ésta quede claramente por debajo de la presión de vapor, de manera que se produzcan no sólo burbujas de cavitación que al mismo se desinflen, sino que la fase fluida se transforme prácticamente de forma completa en vapor, que sin embargo sea condensada de nuevo inmediatamente tras abandonar esta cámara de operación.

Debido al gran aumento del volumen de la fase fluida en la transición al estado de vapor se eleva la velocidad de flujo del medio en la misma medida. Esto tiene como consecuencia que sobre la carga de la fase fluida, esto es sobre las bacterias y otras partículas que son arrastradas por el flujo de vapor, son ejercidas fuerzas de aceleración...

1. Procedimiento para fraccionar substancias orgánicas en forma de partículas en suspensiones de microorganismos en un medio de soporte, en particular en aguas residuales o lodos de instalaciones de clarificación biológicas, en el que las substancias orgánicas son sometidas en una cámara de operación (3) a fuerzas inerciales como resultado de una aceleración extrema breve seguida inmediatamente de una deceleración del medio de soporte que fluye en un canal de flujo cerrado, caracterizado porque a la entrada de la cámara de operación el medio de soporte es llevado a evaporarse y posteriormente a condensarse aumentando la energía cinética/volumen del flujo de agua hasta un valor máximo ρw·uk2/2 a la entrada de la cámara de operación, de manera que puede formarse flujo de vapor en la cámara de operación debido a la caída de la presión estática por debajo de la presión del vapor, donde ρw designa la densidad del medio de soporte y uk designa la velocidad de flujo a la entrada de la cámara de operación y en la propia cámara de operación ya no se producen burbujas de vapor específicas y se consigue una transición a un flujo de vapor completo.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las variaciones del estado de agregación del medio de soporte se realizan por variación de la velocidad de flujo.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la elevación de la velocidad de flujo se realiza por estrechamiento de la sección transversal del canal de flujo.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la suspensión es tratada varias veces sucesivamente.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la suspensión es transportada varias veces a través de la misma cámara de operación.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la suspensión es transportada a través de la cámara de operación desde abajo hacia arriba con una dirección de transporte vertical.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el medio de soporte tiene una velocidad de flujo uw de al menos 50 m/s.

8. Método según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el medio de soporte es agua.