Se describe un procedimiento para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos que utilizan medios de aportación de oxígeno,

en donde se estima la velocidad de utilización de oxígeno (VUO) o un parámetro derivado de la misma en el sistema; y posteriormente se lleva al cabo un control óxico o anóxico en la aportación de oxígeno al sistema; en donde el control óxico se realiza si la VUO estimada se encuentra arriba de un valor de referencia de la VUO; mientras que el control anóxico, se realiza si la VUO estimada en la etapa se encuentra debajo de dicho valor de referencia de la VUO.

Dentro de este marco, los procesos biológicos de Procedimiento para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos. Campo de la invención

La presente invención está relacionada con las técnicas empleadas para aportar oxígeno en sistemas biológicos, preferiblemente, estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) , y más particularmente, se encuentra relacionada con un procedimiento para controlar la aportación de oxígeno mediante la estimación, en el sistema, de la velocidad de utilización de oxígeno (VUO) , así como la medición de la concentración de oxígeno y del potencial REDOX con el objetivo de optimizar la cantidad de oxígeno suministrada en el momento adecuado. Antecedentes de la invención Los procesos de depuración biológica se producen gracias al contacto de un sustrato que debe ser tratado, y un material biológico aclimatado, en condiciones de una aireación forzada. El material biológico desarrolla diferentes poblaciones que están especializadas en diferentes procesos de descontaminación. De entre ellos, los más importantes se refieren al consumo del sustrato con base de carbono, nitrificación, u oxidación de las formas nitrogenadas hacia nitritos y nitratos, la desnitrificación o reducción de las formas de nitrito y nitrato a nitrógeno gas, y la desfosfatación o reducción del fósforo presente.

En una EDAR, se debe realizar, entre otras operaciones, la reducción del sustrato biodegradable, además de la reducción del nitrógeno y el fósforo total a la salida. Esto se produce mediante los siguientes procesos que se describen someramente a continuación.

Al producir el contacto del material biológico con el sustrato, éste desaparece mediante dos vías, su oxidación directa para la obtención de energía para la subsistencia del material biológico, o bien, como material de aporte a la reproducción del material celular. El material celular, a su vez, muere y aporta nuevo sustrato a degradar con devolución de nitrógeno y fósforo (denominados nutrientes) . Este último proceso se conoce como respiración endógena.

La consecuencia de estos procesos es que se produce un consumo de oxígeno gracias a la fracción de sustrato que es oxidada y a la necesidad de la respiración endógena. Simultáneamente, otra fracción del sustrato, junto con los nutrientes, es incorporada en el proceso de reproducción celular.

Por otra parte, el proceso de oxidación del sustrato biodegradable también produce el paso del nitrógeno orgánico hacia una forma amoniacal, que se une al amonio ya disuelto en el aporte a depurar. Mediante la acción biológica de bacterias autótrofas, el amonio es oxidado hacia nitritos y, finalmente, nitratos, produciendo un consumo de oxígeno adicional. Análogamente, el fósforo orgánico sigue procesos de remoción similares, que provocan una necesidad de oxígeno adicional. De esta forma, tanto el nitrógeno total como el fósforo total es, o bien oxidado, o bien incorporado al nuevo material celular.

De esta manera, la presencia de oxígeno en cantidad suficiente desencadena los procesos de oxidación y reproducción con velocidad suficiente para poder reducir la concentración de los productos por debajo de valores aceptables. Esto depende, fundamentalmente, de la relación que exista entre la contaminación de entrada y la cantidad de material biológico aireación prolongada tienen esta relación entre la contaminación de entrada y la cantidad de material biológico muy baja, lo cual iguala la respiración endógena a la reproducción, por lo que no se produce la remoción de los nutrientes por incorporación al nuevo material biológico. Debido a esto, se deben eliminar mediante procesos anóxicos de desnitrificación y desfosfatación.

Esto consiste en que ciertas bacterias, pertenecientes al grupo de heterótrofas, presentes en el material biológico, son capaces de actuar con una concentración de oxígeno por debajo de 0.1 mg/l aprovechando como fuente de oxígeno el producido por la reducción del nitrato, que es liberado como nitrógeno gas, produciendo la reacción de oxidación del sustrato.

Por las razones anteriores, las plantas de aireación prolongada son operadas para que realicen series de ciclos óxicos y anóxicos. En este sentido, los dos sistemas de control más empleados para producir dichos estados óxicos y anóxicos son: por consignas de oxígeno y por tiempos ON/OFF.

En el sistema de consignas de oxígeno, se marca el arranque del sistema de aireación entre un valor de referencia de concentración mínima de oxígeno, y un valor de referencia máxima de oxígeno permitido, logrando lo siguiente:

• Buena eliminación de la materia orgánica.

• Buena eliminación del amonio.

• Eliminación de nitratos mediocre.

• Inexistente eliminación de fósforo.

Por su parte, en el sistema de tiempos ON/OFF, se establece directamente el tiempo de funcionamiento y el tiempo de desconexión para el sistema de aireación, con lo se realiza un ciclo óxico y otro anóxico. De esta forma se consiguen los siguientes resultados:

• Mediocre eliminación de la materia orgánica, sobre todo en situación de puntas de contaminación.

• Mediocre eliminación del amonio.

• Buena eliminación del nitrato en los casos en los que el tiempo OFF es suficientemente extenso.

• Buena eliminación del fósforo para el mismo caso.

Existen algunas versiones de este tipo de controles con base a otros parámetros como la medición del potencial REDOX, conectando y desconectando el sistema de aireación por medio de dos consignas de referencia. En otra versión, se involucra al potencial RE-DOX, sonda de oxígeno y medidor de pH como elemento fundamental para ver los cambios de inflexión en los procesos de nitrificación -desnitrificación. Sin embargo, es bastante raro verlos aplicados fuera de laboratorios o fuera de sistemas muy específicos.

Adicionalmente, el desarrollo de sensores capaces de medir amonio y nitritos/nitratos, en línea, ha dado origen a algoritmos que utilizan directamente esta información para decidir el aporte de oxígeno apropiado en cada momento.

Por otra parte, se conoce el parámetro "velocidad de utilización de oxígeno", VUO por sus siglas en español, y, en inglés, OUR (oxygen uptake rate) , que refleja la cantidad de oxígeno consumido por el material biológico por un volumen fluido y por unidad de tiempo.

Este parámetro es ampliamente conocido y suele estimarse mediante lo que se conoce como respirómetro. Existen muchas versiones de este tipo de aparatos, pero tienen en común que toman como dato el valor de la concentración de oxígeno en un volumen aislado de fango biológico en condiciones que se determinan por el tipo de ensayo que se pretende realizar.

La técnica de estimación más empleada para el VUO consiste en partir de una muestra de fango aislada, que se agita y se airea. Una vez marcado el tiempo inicial, se registran los valores de la sonda de oxígeno a medida que transcurre el tiempo. Se asume que la derivada del oxígeno es constante y que, al estar la muestra aislada, corresponde al consumo instantáneo de oxígeno por el proceso biológico.

En la patente de los Estados Unidos de América No. 5 989 428, se describe un control con base a la VUO, este documento está enfocado al tratamiento de agua de desecho de un proceso discontinuo en un SBR (Reactor por Lotes Secuencial) , en dos cámaras, una de mezcla y otra principal. En este documento, el control se realiza atendiendo únicamente a la medición del VUO en forma específica sin tomar en cuenta el valor REDOX.

Asimismo, en este procedimiento se requiere conocer la contaminación del afluente, ya que se utiliza la relación alimento/microorganismo para establecer el valor de VUO adecuado que quieren mantener en el reactor. Esto representa una limitación puesto que existen procesos continuos tal como la depuración de agua en una EDAR, donde se tiene que afrontar el reto de tratar la contaminación sin medirla.

Finalmente, en la patente U.S. 7 232 664, se describe un proceso de fermentación donde se utiliza el parámetro VUO de forma aislada, pero hasta el momento no se conocen procedimientos de control para la aportación de oxígeno en sistemas biológicos que utilicen el parámtetro VUO en combinación con la concentración de oxígeno y el parámetro REDOX para realizar dicho control de una forma eficiente. Sumario de la invención El objeto de la presente invención es controlar eficientemente la aportación... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos que utilizan medios de aportación de oxígeno, caracterizado porque comprende:

a) estimar la velocidad de utilización de oxígeno (VUO) o un parámetro derivado de la misma en el sistema; y, b) llevar al cabo un control óxico o anóxico en la aportación de oxígeno al sistema; en donde el control óxico se realiza si la VUO estimada en la etapa a) se encuentra arriba de un valor de referencia de la VUO; mientras que el control anóxico, se realiza si la VUO estimada en la etapa a) se encuentra debajo de dicho valor de referencia de la VUO.

2. Procedimiento para controlar la aportación de oxígeno, según la reivindicación 1, caracterizado porque el control óxico se realiza haciendo funcionar los medios de aportación de oxígeno hasta alcanzar una valor de referencia en la concentración de oxígeno, para después realizar de nuevo el cálculo de la VUO de la etapa inicial.

3. Procedimiento para controlar la aportación de oxígeno, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el control anóxico se realiza midiendo el potencial REDOX en el sistema con los medios de aportación de oxígeno parados, en donde, cuando el potencial REDOX alcanza un valor menor a un valor de referencia de REDOX, se ponen en funcionamien to los medios de aportación de oxígeno para lograr la desnitrificación del sistema, hasta alcanzar el valor de referencia en la concentración de oxígeno, para después realizar de nuevo el cálculo del VUO de la etapa inicial.

4. Procedimiento para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos, según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 3, caracterizado porque dicho sistema es una Estación Depuradora de Aguas Residuales.

5. Procedimiento para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos, según la reivindicación 4, caracterizado porque la estación funciona de manera continua.

6. Procedimiento para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicho parámetro derivado de la VUO es la tasa específica de demanda de oxígeno ó el requerimiento total de oxígeno del sistema.

7. Procedimiento para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque las mediciones en la concentración de oxígeno y del RE-DOX se realizan mediante sondas que envía las señales a un módulo de adquisición misma que envía información a un módulo de control que toma la decisión de realizar el control óxico o anóxico.

8. Procedimiento para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos, según la reivindicación 7, caracterizado porque el envío de señales entre el módulo de adquisición de datos y el módulo de control se realiza de forma alámbrica o inalámbrica.

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 200931106

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 03.12.2009

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional DOCUMENTOS RELEVANTES

3. 39; reivindicaciones 17-30. 1-8 A PENG, Y.Z. et al. "Improving nitrogen removal using on-line sensors in the A/O process" Biochemical Engineering Journal 28.05.2006, Volumen 31 Página.

4. 55; apartados 3 y 4. 1-8 A PANKAJ TANWAR et al. "Correlating on-line monitoring parameters, pH, DO and ORP with nutrient removal in an intermittent cyclic process bioreactor system" Bioresource Technology 20.03.2008, Volumen 99 Páginas 7630-7635; apartados 2.1, 3 y 4. 1-8 Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº : Fecha de realización del informe 31.03.2011 Examinador A. Urrecha Espluga Página 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 200931106

CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD C02F3/12 (2006.01)

C02F3/02 (2006.01) G05D21/00 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)

C02F, G05D

Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, TXTUS, NPL, XPESP.

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OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200931106

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 31.03.2011

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 200931106

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración El objeto de la invención es un procedimiento para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos.

El documento D01 divulga un método para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos en el que se controlan en cada fase el pH y la concentración de oxígeno disuelto, esta última para calcular la velocidad de utilización de oxígeno (VUO) . En la etapa aeróbica, el cambio de fase se detecta por un mínimo de pH o por un punto de inflexión en la curva de velocidad de utilización de oxígeno (VUO) . En la etapa anaeróbica el cambio se produce tras alcanzar un máximo de pH o un punto de inflexión en VUO (apartados 1, 3 y 4) .

El documento D02 divulga un procedimiento de regulación de la aireación durante el tratamiento biológico de aguas residuales que comprende la medida en continuo del potencial redox, y en el momento en que el valor de dicho parámetro caiga por debajo de un valor de referencia se procede a medir también la concentración de oxígeno disuelto para modular así la potencia de aireación en función de las necesidades del sistema (figuras 1 y 2, páginas 2-5) .

El documento D03 divulga un método para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos basado en el cálculo de la VUO, de manera que el oxígeno a aportar se determina para mantener un valor de VUO de referencia (columnas 1-4) .

Ninguno de los documentos citados, ni ninguna combinación relevante de los mismos, divulga un procedimiento para controlar la aportación de oxígeno en sistemas biológicos basado en la estimación de la velocidad de utilización de oxígeno (VUO) , y en función del valor obtenido, tras comprarlo con un valor de referencia, llevar a cabo un control óxico o anóxico en la aportación de oxígeno al sistema.

En consecuencia, el objeto técnico de las reivindicaciones 1-8 es nuevo e implica actividad inventiva (Art. 8LP)

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