Procedimiento para purificar agua residual, que contiene al menos una etapa de purificación biológica anaeróbica,

realizándose la purificación biológica anaeróbica en funcionamiento continuo en al menos un biorreactor de mezclado completo por medio de biomasa, en el que se selecciona la biomasa de microorganismos psicrófilos, concentrándose la biomasa mediante microfiltración y reconduciéndose a la purificación biológica anaeróbica y en el que la biomasa en el biorreactor presenta una concentración de 25 g/l o más

La presente invención se refiere a un procedimiento para purificar agua residual, por ejemplo aguas residuales municipales, por medio de purificación biológica anaeróbica, un procedimiento para obtener biogás a partir de agua residual así como al uso de dispositivos, que son adecuados para la purificación biológica anaeróbica de agua residual.

Estado de la técnica

Se conocen dispositivos y procedimientos para purificar agua residual, ante todo aguas residuales municipales. Ciertos ejemplos de ello son las denominadas estaciones depuradoras o estaciones de purificación de aguas residuales. Éstas sirven de manera primaria para la purificación de aguas residuales municipales, que se recopilan por la canalización pública y se transportan hacia la estación depuradora. El objetivo de la purificación de aguas residuales es la separación de componentes no deseados del agua residual, de modo que se obtiene agua residual purificada, que por ejemplo puede liberarse en ríos y aguas estancadas (denominada corriente de agua receptora), sin que se produzcan daños al medioambiente y a la población mediante carga química o microbiológica.

Para separar los componentes no deseados se utilizan procedimientos mecánicos (físicos), biológicos y químicos, la mayoría de las veces en combinación. Las estaciones depuradoras modernas tienen tres etapas de manera correspondiente, estando conectadas una detrás de la otra al menos una etapa de purificación física, al menos una etapa de purificación biológica y al menos una etapa de purificación química. Los procedimientos biológicos sirven sobre todo para la degradación de compuestos orgánicos en aguas residuales altamente cargadas de componentes orgánicos. Esto se realiza de manera conocida mediante degradación aeróbica de los compuestos orgánicos para dar productos finales inorgánicos tales como dióxido de carbono, nitrato, sulfato, fosfato, etc. Para ello se utiliza biomasa en forma de lodos activados en los denominados depósitos de bioventilación o como césped bacteriano por ejemplo en forma del denominado filtro de goteo. Los compuestos orgánicos que van a separarse se utilizan o se “consumen” energéticamente, a este respecto, no sólo mediante procesos catabólicos, es decir se catabolizan mediante reacción con el oxígeno del aire, sino que sirven en procesos anabólicos para el crecimiento de la biomasa. La biomasa que se concentra debe separarse regularmente de la etapa de purificación biológica y en una torre de digestión se someten a un tratamiento posterior, por ejemplo a una fermentación, liberándose biogás y quedando sin embargo aún cantidades considerables de desecho de lodo. Este desecho de lodo puede usarse parcialmente como fertilizante. En gran parte se elimina la formación de lodo, sin embargo de manera costosa, en estaciones incineradoras.

También se conoce una purificación de aguas residuales anaeróbica. Ésta sirve igualmente para la separación de compuestos de carbono orgánicos dañinos o perturbadores en el agua residual mediante procesos de degradación microbiológicos, que terminan sin embargo en ausencia de oxígeno. A este respecto, los microorganismos anaeróbicos obtienen la energía necesaria para su metabolismo a partir de la reacción de los compuestos de carbono orgánicos y éstos reaccionan para dar ácidos orgánicos, otros hidrocarburos, para dar dióxido de carbono y metano. La purificación de aguas residuales tiene lugar, a este respecto, en reactores cerrados herméticos al aire. Para conseguir la actividad de purificación necesaria (medida mediante la degradación de la carga de aguas residuales en compuestos que pueden oxidarse), es necesario en la mayoría de los casos un calentamiento del agua residual para conseguir el valor óptimo de temperatura necesario para el crecimiento de bacterias.

En general, el procedimiento anaeróbico se subdivide en sistemas de circulación sin inmovilización de la biomasa, en los que la biomasa se encuentra esencialmente en suspensión, y en sistemas de circulación con inmovilización, en los que la biomasa se encuentra inmovilizada esencialmente en estructuras internas del reactor y por el que se pasa agua residual que va a purificarse.

Se conoce el denominado “tanque clarificador tipo Emscher”, una torre depuradora de dos etapas patentada por Immhoff en 1906 que permite la digestión anaeróbica en una cámara de digestión que se encuentra debajo. A este respecto, el tiempo de digestión promedio del lodo asciende, dependiendo de la temperatura de las aguas residuales, a aproximadamente 3 meses. Esta estación se utiliza por regla general para la sedimentación primaria, pero no para la sedimentación principal y purificación del agua residual.

Por ejemplo se produce agua residual altamente cargada en caso de tratamiento de remolachas azucareras en fábricas de azúcar, que se purifica mediante estaciones de purificación de aguas residuales anaeróbicas conocidas. A este respecto se degradan las aguas residuales en dos etapas: en una primera etapa, la denominada acidificación, se transforman las sustancias de azúcar de alto peso molecular contenidas en el agua residual y otros compuestos orgánicos mediante microorganismos para dar ácidos orgánicos. Estos ácidos son el sustrato degradable para las bacterias en la segunda etapa, la denominada fase metanogénica. A este respecto, la fase metanogénica es la fase microbiana, que purifica el agua residual, convirtiéndose CSB (sustancia orgánica que puede oxidarse disuelta) para dar productos gaseosos CH4 yCO2, que abandonan como tales el agua voluntariamente y sin costes. La segunda fase puede estar configurada, entre otras cosas, en forma de un reactor de lecho fluidizado. Para ello se calienta el agua residual en la etapa de acidificación a través de un intercambiador de calor hasta aproximadamente 38ºC.

Además de los reactores de lecho fluidizado se utilizan para la purificación de aguas residuales anaeróbica conocida también torres de digestión, depósitos de bioventilación anaeróbicos, reactores UASB o reactores de lecho sólido.

Las concentraciones residuales conseguidas en caso de procedimientos de purificación anaeróbicos conocidos de impurezas orgánicas no permiten una introducción directa en la corriente de agua receptora. Por tanto son necesarias etapas de purificación química y/o biológica aeróbica adicionales.

En reactores anaeróbicos conocidos pueden conseguirse concentraciones de lodo activas de hasta 20 g/l como máximo. Los procedimientos conocidos tienen una carga de lodo de aproximadamente 0,2 a 0,3 g de CSB (demanda de oxígeno química, en caso de oxidación mediante dicromato de potasio) por gramo de sustancia seca del lodo por día. Para la degradación de 1 g/l de CSB por día han de mantenerse de manera conocida de 3 a 5 g de sustancia seca en forma de biomasa anaeróbica en el reactor.

Además, procedimientos de purificación anaeróbicos conocidos son sensibles en cuanto a la calidad de entrada y al mantenimiento de condiciones de funcionamiento, especialmente de la temperatura de entrada. Los procedimientos conocidos son sensibles con respecto a modificaciones de temperatura del agua residual introducida. Las temperaturas de introducción de aguas residuales municipales ascienden por regla general a entre 4ºC y 30ºC. Precisamente a temperaturas bajas, es decir inferiores a 20ºC, los procedimientos anaeróbicos conocidos sin medidas adicionales de la regulación de la temperatura de las aguas residuales, no pueden purificar éstas de manera suficiente.

En caso de sistemas de circulación sin inmovilización, los tiempos de permanencia hidráulicos, que sobrepasan la velocidad de crecimiento que existe momentáneamente de las metanobacterias en condiciones de funcionamiento dadas, conducen al lixiviado de estos biocatalizadores y al fallo total del procedimiento de purificación. La velocidad de crecimiento que existe momentáneamente puede modificarse, entre otras cosas, mediante la temperatura, el valor de pH, así como la concentración de amoníaco, H2S y sal. Dado que la fase acidogénica reacciona de manera menos sensible a la influencia del crecimiento que la fase metanogénica, los reactores en el intervalo de temperatura de psicrófilos tienden especialmente a la acidificación, por ejemplo en caso de velocidades de crecimiento muy pequeñas (Tactual << Tóptima) de metanobacterias.

Si se usan reactores, que inmovilizan bacterias debido al denominado problema del “lavado” (sistemas de circulación con inmovilización), no consiguen éstos ningún rendimiento... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para purificar agua residual, que contiene al menos una etapa de purificación biológica anaeróbica, realizándose la purificación biológica anaeróbica en funcionamiento continuo en al menos un biorreactor de mezclado completo por medio de biomasa, en el que se selecciona la biomasa de microorganismos psicrófilos, concentrándose la biomasa mediante microfiltración y reconduciéndose a la purificación biológica anaeróbica y en el que la biomasa en el biorreactor presenta una concentración de 25 g/l o más.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que los microorganismos psicrófilos presentan un valor óptimo de temperatura inferior a 35ºC, preferiblemente inferior a 25ºC.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que se realiza la purificación biológica anaeróbica como metanización de una sola etapa.

4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que se realiza la purificación biológica anaeróbica como metanización de dos etapas.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la biomasa presenta una concentración de 25 a 100 g/l.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la biomasa está suspendida en el agua residual que va a purificarse.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el lodo se concentra mediante microfiltración por medio de filtros de discos giratorios.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que contiene la etapa adicional de eliminación de fósforo.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que la eliminación de fósforo se selecciona de precipitación como fosfato de magnesio y amonio (MAP) y precipitación como fosfato de hierro(III).

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que contiene la etapa adicional de eliminación de nitrógeno.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que la eliminación de nitrógeno se realiza mediante intercambio del nitrógeno de amonio en zeolita.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que la zeolita cargada con nitrógeno de amonio se regenera en una etapa adicional con disolución de regeneración y en una etapa adicional se separa el nitrógeno de amonio de la disolución de regeneración mediante separación al aire y se obtiene amoníaco.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, en el que se usa la disolución de regeneración tras la separación al aire al menos parcialmente de nuevo para la regeneración de zeolita.

14. Procedimiento para obtener biogás a partir de agua residual, que contiene las etapas:

poner a disposición agua residual, purificar de manera biológica y anaeróbica el agua residual por medio de biomasa psicrófila según el procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 13 y

recopilar los biogases que se producen con la purificación biológica anaeróbica en la biomasa.

15. Uso de un dispositivo, adecuado para la purificación biológica anaeróbica de agua residual por medio de metanización de una sola etapa en el procedimiento según la reivindicación 1 a 14, en el que el dispositivo contiene:

al menos un reactor (110), presentando el reactor una entrada (111) para el agua residual que va a purificarse, una entrada (112) para el lodo, una salida (113) superior para el biogás y un desagüe (114), y al menos un dispositivo de microfiltración (120), presentando el dispositivo de microfiltración una entrada de alimentación (121), una salida de filtrado (122) y una salida de retenido (123) para el lodo concentrado, y en el que el desagüe (114) está unido con la entrada de alimentación (121), de modo que el lodo puede conducirse desde el biorreactor al dispositivo de microfiltración y la salida de retenido (123) está unida con la entrada (112), de modo que puede reconducirse el lodo concentrado al biorreactor.

16. Uso de un dispositivo, adecuado para la purificación biológica anaeróbica de agua residual por medio de metanización de dos etapas en el procedimiento según la reivindicación 1 a 14, en el que el dispositivo contiene:

al menos un primer reactor (210), presentando el primer reactor una primera entrada (211) para el agua residual que va a purificarse, una segunda entrada (212) para el lodo, una salida (213) superior para el biogás y un desagüe (214), al menos un segundo reactor (230), presentando el segundo reactor una primera entrada (231), una segunda entrada (232) para el lodo, una salida (233) superior para el biogás, un primer desagüe (234) y dado el caso un segundo desagüe (235), y al menos un dispositivo de microfiltración (220), presentando el dispositivo de microfiltración una entrada de alimentación (221), una salida de filtrado (222) para el agua residual purificada y una salida de retenido (223) para el lodo concentrado.

17. Uso según la reivindicación 16, en el que en el dispositivo está unido el primer desagüe (234) del segundo reactor (230) con la segunda entrada (212) del primer reactor (210), de modo que el lodo puede reconducirse desde el segundo reactor al primer reactor.

18. Uso según la reivindicación 16 ó 17, en el que en el dispositivo está unido el primer desagüe (234) o el segundo desagüe (235) del segundo reactor (230) con la entrada de alimentación (221) del dispositivo de microfiltración (220).

19. Uso según una de las reivindicaciones 16 a 18, en el que en el dispositivo está unida la salida de retenido (223) del dispositivo de microfiltración (220) con la segunda entrada (232) del segundo reactor (230), de modo que el lodo concentrado puede reconducirse al segundo reactor.

20. Uso según una de las reivindicaciones 16 a 19, en el que en el dispositivo está unida la salida de retenido (223) del dispositivo de microfiltración (220) con la segunda entrada (212) del primer reactor (210), de modo que el lodo concentrado puede reconducirse al primer reactor.