Reactor biológico de membranas de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración,

y procedimiento para la depuración de aguas residuales urbanas o industriales. El reactor consta de tres cámaras, una cámara anaerobia metanogénica (1), una cámara aerobia (2) y una cámara de filtración (3). En la cámara anaerobia (1) se promueve la eliminación de la materia orgánica presente en el agua residual, usando biomasa anaerobia, generándose un biogás con alto contenido en metano. En la cámara aerobia (2) se mantiene un soporte de partículas plásticas, con una biopelícula de microorganimos aerobios para eliminar la materia orgánica remanente en el agua. El reactor incorpora una cámara de filtración (3) con módulos de microfiltración o ultrafiltración de membranas sumergidas con los que se obtiene un agua depurada, libre de sólidos en suspensión y microorganismos. El reactor se caracteriza por una baja generación de fango y consumo de energía.

Reactor biológico de membranas de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración, para la depuración de aguas residuales.

Sector de la técnica El reactor biológico de membranas de tres etapas, metanogénica aerobia y de filtración, es un reactor propuesto para depurar aguas residuales en las que se requiera una alta eficacia de eliminación de materia orgánica mediante el uso de un reactor que genere una menor producción de lodos y menor consumo de energía, y en el que se obtiene un efluente final libre de sólidos en suspensión. La presente invención combina las ventajas de sistemas biológicos anaerobios (baja producción de fango y generación de un biogás aprovechable) aerobios (baja Demanda Química de Oxígeno (DQO) del efluente depurado, independientemente de la temperatura de operación) y de filtración de membranas (alta calidad del efluente, concentración despreciable de sólidos en suspensión o microorganismos) . El reactor está especialmente indicado para la depuración de aguas residuales urbanas o industriales con concentraciones bajas o moderadas de materia orgánica (entre 150 y 5.000 mg/L de DQO) .

Estado de la técnica

Descripción del estado de la técnica de: A. Fundamentos de los procesos biológicos de tratamiento de aguas, y B. Las tecnologías de tratamiento biológico aerobia y anaerobia, de aguas residuales, así como de los biorreactores de membrana aerobios o anaerobios metanogénicos desarrollados hasta la actualidad.

Se indican las fortalezas y debilidades de cada una de las tecnologías presentadas y como la combinación de los puntos fuertes de cada tecnología ha llevado al desarrollo de los reactores biológicos de membrana de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración, que se presentan en esta invención.

A. Fundamentos de los procesos biológicos de tratamiento de aguas Los sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales se utilizan ampliamente para eliminar contaminantes orgánicos, compuestos de nitrógeno o fósforo, de aguas residuales y se basan en el uso de cultivos mixtos formados en el que crecen una amplia variedad de bacterias, hongos, algas, protozoos y metazoos que hacen uso de los contaminantes presentes en el agua residual (Metcalf & Eddy Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4ª Edición, Ed. McGraw Hill 2003; Henze M. y colaboradores, Wastewater treatment: biological and chemical processes, Ed. Springer, 2002) .

La eliminación de la materia orgánica en sistemas biológicos de tratamiento se realiza 35 usando dos tipos de procesos biológicos diferentes: procesos aerobios y procesos anaerobios metanogénicos. En los procesos aerobios se utilizan microorganismos aerobios heterótrofos, que en presencia de oxígeno emplean los compuestos orgánicos presentes en el agua residual, produciendo dióxido de carbono, agua y nuevos microorganismos. Los procesos anaerobios metanogénicos se realizan mediante la intervención de diversos grupos tróficos de microorganismos que degradan los contaminantes orgánicos en etapas, produciendo como productos finales del proceso de degradación un biogás rico en dióxido de carbono y metano. Durante la degradación anaerobia de contaminantes orgánicos se originan nuevos microorganismos, aunque en menor cantidad a la observada mediante el uso de procesos aerobios.

Uno de los puntos claves de cualquier proceso de tratamiento biológico es el poder mantener una concentración adecuada de microorganismosjbiomasa en el sistema. Ello se logra básicamente mediante el uso de dos procesos: procesos de biomasa en . suspensión, en los que los microorganismos se agregan formando flóculos que se mantienen en suspensión; y procesos de biopelículas, en los que se fomenta el crecimiento de la biomasa adherida a soportes o gránulos.

8. Tecnologías de tratamiento biológico de aguas residuales B.l. Tecnologías de tratamiento aerobio De los reactores de biomasa en suspensión utilizados en el tratamiento de aguas residuales, destaca el reactor de lodos activos con sus múltiples configuraciones. Esta tecnología fue desarrollada en el Reino Unido por Andern y Lockett en 1914 (Andern E. y Lockett W.T. J. Soco Chem. Ind., 33, 523 (1914) ) Y en su configuración más elemental consta de un reactor, donde se mantiene un cultivo microbiano en suspensión en condiciones aerobias, y un sedimentador con el cual se puede separar el agua residual tratada del lodo microbiano, el cual se recircula al sistema biológico. El reactor de lodos activos se diseñó, en principio, para la eliminación de materia orgánica del agua residual, pero posteriormente se desarrollaron infinidad de variaciones del proceso para la eliminación de compuestos de nitrógeno y fósforo. Una de las limitaciones más importantes del sistema de lodos activos es la de operar con bajas concentraciones de biomasa, lo que limita la velocidad de conversión de contaminantes en la unidad e implica que se deban construir unidades relativamente voluminosas para tratar un caudal de agua determinado. Aún así, es el reactor de tratamiento biológico más utilizado para depurar aguas residuales ya que es un sistema robusto y fiable.

Los filtros percoladores, los contactores biológicos rotatorios y los filtros biológicos sumergidos son los principales reactores que utilizan biopelículas (biofilm) de microorganismos inmovilizados.

Los filtros percoladores se utilizan desde el siglo XIX en el tratamiento de aguas residuales. Consisten en un tanque abierto relleno con guijarros, piedras, o un relleno plástico, etc. sobre el que crece una biopelícula de microorganismos. El agua residual se esparce sobre la parte superior del relleno, usando unos sistemas de distribución o duchas, de forma que se moja todo el relleno poniendo en contacto el agua residual con las biopelículas y el aire presentes en el seno del relleno, fomentando de esta forma los procesos biológicos de degradación aerobia.

Los contactores biológicos rotatorios, también conocidos como biodiscos, están constituidos por un soporte formado por discos plásticos, de alta superficie específica, sobre los que crece una biopelícula. Estos discos están acoplados a un eje rotatorio que se dispone parcialmente sumergido en un tanque que contiene el agua residual a tratar. La rotación de los discos plásticos permite la correcta transferencia de oxígeno desde el aire a la biopelícula y facilita el contacto de la biopelícula con los contaminantes presentes en el agua residual (Henze M. op. cited, (2002) ) .

El principio de operación de los filtros biológicos sumergidos es semejante al de los filtros percoladores, aunque en estos sistemas se inunda totalmente la columna conteniendo un relleno con agua residual. El suministro de aire, si se precisase, se garantiza mediante la inyección de aire, aunque existen también unidades que operan en condiciones anóxicas para la desnitrificación de aguas residuales. Se utilizan como soportes para el crecimiento de las biopelículas materiales orgánicos como el polietileno, poliestireno, poliuretano, partículas granulares de arcilla expandida, partículas de puzolana, arena, u otros materiales con tamaños comprendidos generalmente entre 1 y 5 mm. Los primeros biofiltros, que se construyeron a escala industrial, se desarrollaron en los años 70 en Francia usando arcillas expandidas como soporte (Lazarova y Manem, "Innovative Biofilm Treatment Technologies for Water and Wastewater Treatment". En: Biofilms 11: Process Analysys and Applications, Editorial Wiley, (2000) ) . En general los biofiltros sumergidos son unidades muy compactas que se utilizan con diversos fines:

eliminación anaerobia de materia orgánica, desnitrificación y/o oxidación aerobia de materia orgánica, poseen velocidades de eliminación de contaminante relativamente elevadas. Uno de los problemas más generales, a la hora de aplicarlo, se deriva de su mayor complejidad técnica.

Los reactores biológicos híbridos combinan la presencia de biomasa en la suspensión con la de biomasa inmovilizada en un soporte en el mismo sistema y son en cierta medida una combinación de los reactores biológicos de biomasa en suspensión y de biopelículas usados para el tratamiento de aguas residuales. Estos sistemas permiten el mantenimiento de concentraciones elevadas de biomasa activa en los reactores y combinan las ventajas de los sistemas de biomasa en suspensión, alta calidad del efluente depurado y sistemas robustos que soportan bien variaciones de las condiciones de operación, con la de los sistemas de biopelícula, sistemas que en los que se puede aplicar una mayor...

1. Reactor biológico de membranas, de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración, para la depuración de aguas residuales, caracterizado por estar compuesto de tres cámaras: cámara anaerobia metanogénica (1) , cámara aerobia (2) y cámara de filtración de membranas (3) .

2. Reactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara anaerobia metanogénica (1) está dotada de arquetas de reparto (4) con mangueras plásticas (S) , un manto de fango anaerobio (6) en la parte inferior del reactor, campanas para la recogida de biogás en la parte superior de la cámara (7) , deflectores instalados en la parte inferior de la cámara (8) , rebosaderos (9) y bomba y conducción para la purga de fango en exceso (10) .

3. Reactor, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque en la cámara anaerobia (1) se introduce de forma homogénea el agua residual a través de la parte inferior del manto de fangos usando las arquetas de reparto (4) y mangueras plásticas (5) , el agua residual tratada en la cámara anaerobia abandona la misma a través de los rebosaderos (9) colocados a lo largo de la superficie de la lámina de agua; el nivel del manto de fangos se controlará purgando lodo del mismo a través de una conducción y bomba de purga de fangos (10) .

4. Reactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque en la cámara aerobia (2) se ha dispuesto un relleno de partículas plásticas móviles (14) ; se instalará al menos una soplante (19) que insufla aire hacia una parrilla de difusores de aire (18) en el fondo de la cámara aerobia que se utilizan para transferir oxígeno y promover el movimiento de las partículas de soporte plástico.

5. Reactor, según las reivindicaciones 1 y 4, caracterizado porque en la cámara aerobia (2) se dispondrá entre el 20% y el 60% de volumen aparente ocupado por el relleno de partículas plásticas (14) ; como relleno pueden utilizarse tanto partículas granulares plásticas, de aspecto rugoso, y tamaño comprendido preferentemente entre 1 y 5 mm, anillos Raschig de plástico, o productos comerciales que cumplan una función análoga.

3.

6. Reactor, según las reivindicaciones 1, 4 Y S, caracterizado por el uso de un sistema de distribución (13) formado por tubos perforados longitudinalmente, que introducirán el agua residual pretratada en la cámara anaerobia (1) ; se utilizará una red de malla de forma tubular para la extracción del agua (15) y una bomba (16) para impulsar el agua desde la cámara aerobia (2) hacia la cámara de filtración de membranas (3) ; donde dicha red de malla debe tener una luz de paso menor que el tamaño de las partículas plásticas, siendo en todo caso, la luz de paso menor de 5 mm y se garantizará su limpieza ubicando algunos difusores de aire de la parrilla (18) por debajo de la misma; se utilizará una conducción y bomba (17) para recircular agua y lodo desde la cámara aerobia (2) hacia la cámara anaerobia (1) .

7. Reactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque en la cámara de filtración de membranas (3) se han dispuesto módulos de microfiltración o ultrafiltración de membrana sumergidos (20) , dotados de sus respectivas bombas (21) para la extracción de permeado y aireadores de burbuja gruesa (23) , que garanticen el correcto funcionamiento de los módulos de membranas, se recomienda el uso de módulos de fibra hueca o de placas planas.

8. Reactor, según las reivindicaciones 1 y 7, caracterizado porque en la cámara de filtración de membranas se separa el agua depurada mediante los módulos de membrana sumergidas (20) y porque se recircula el licor de mezcla, con sólidos en suspensión desde la cámara de filtración (3) hacia la cámara aerobia (2) a través de un rebosadero (22) colocado en la parte superior de la cámara de filtración.

9. Procedimiento para el tratamiento de aguas residuales, mediante un reactor 15 según las reivindicaciones anteriores, que comprende tres etapas de tratamiento en serie: etapa anaerobia metanogénica, etapa aerobia y etapa de filtración.

10. Procedimiento, según la reivindicación 9, y mediante un reactor según las reivindicaciones 1, 2 Y 3, caracterizado porque la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica se produce gracias al manto de fango o lodo anaerobio (6) dispuesto en la cámara anaerobia (1) , el cual degrada gran parte de la materia orgánica que contiene el agua residual, en términos de Demanda Química de Oxígeno (DQO) , produciéndose un biogás con alto contenido en metano y dióxido de carbono, que es recogido por las campanas (7) .

11. Procedimiento, según la reivindicación 9, y mediante un reactor según las reivindicaciones 1, 4, 5 Y 6, caracterizado porque la etapa de tratamiento aerobia se basa en la utilización de biopelículas de microorganismos aerobios heterótrofos adheridos al relleno de partículas plásticas móviles (14) que se encuentran en la cámara aerobia (2) , dichas biopelículas eliminan aquellos compuestos biodegradables que no hayan sido eliminados durante la etapa de tratamiento anaerobio metanogénica; el uso de las partículas plásticas móviles limita la colmatación del relleno ya que en los mismos se promueve el desprendimiento de la biomasa aerobia generada en exceso.

12. Procedimiento, según la reivindicación 9, y mediante un reactor según las reivindicaciones 1, 7 Y 8, caracterizado porque la etapa de filtración se logra mediante el uso de módulos de membranas sumergidos (20) en una cámara de filtración (3) , con dichos módulos se logra obtener un agua depurada libre de sólidos en suspensión y microorganismos, evitando la salida con el agua depurada tanto del lodo generado en exceso durante la etapa aerobia como de aquel lodo anaerobio que hubiese abandonado la cámara anaerobia metanogénica (1) tras la etapa anaerobia metanogénica, dicho lodo con sólidos en suspensión aerobios o anaerobios retorna desde la etapa de filtración hacia la etapa de tratamiento aerobia a través de un rebosadero (22) .

13. Procedimiento, según la reivindicación 9 V 12, V mediante un reactor según las reivindicaciones 1, 6 V 8, caracterizado porque se logra mantener la capacidad de tratamiento de la etapa anaerobia metanogénica, usando un sistema de recirculación de lodo compuestos por la conducción V bomba (17) instaladas en la cámara aerobia (2) ; con esta medida se devuelve el lodo del manto de fango anaerobio (8) de la cámara anaerobia (1) que hubiese migrado hacia las etapas aerobia V de filtración V se promueva a la vez, la digestión anaerobia del lodo generado en exceso durante la etapa de tratamiento aerobio.

14. Uso de un reactor V un procedimiento, según las reivindicaciones anteriores, para la depuración de materia orgánica V eliminación de sólidos en suspensión en aguas residuales urbanas V/o industriales;

1.

15. Uso de un reactor V un procedimiento, según la reivindicación 14, especialmente recomendado para el tratamiento de aguas residuales con bajas concentraciones de materia orgánica medida como DQO, comprendida preferentemente entre 150 V 5000 mg/L de DQO.