Instalación para tratamiento biológico de aguas residuales.

Una instalación de tratamiento de aguas residuales (100) incluyendo:

un recorrido de flujo de entrada (54, 90) para recibir aguas residuales de una fuente;

un sistema de tratamiento primario (14) incluyendo;

un primer depósito (52) para contener aguas residuales recibidas a través de dicho recorrido de flujo de entrada (54,90);

una pluralidad de ruedas de medio rotativas (66) montadas en dicho primer depósito (52) para rotación dentro de lasaguas residuales y conteniendo cada una una colonia bacteriana capaz de digerir carbono orgánico en las aguasresiduales y de respirar CO2, e incluyendo cada rueda de medio superficies (62) para soportar el crecimiento dealgas, estando dispuestas dichas superficies de manera que alternativamente se sumerjan en las aguas residuales yqueden expuestas a la luz solar;

un suministro de aire (112) dispuesto dentro de dicho primer depósito (52) y que tiene una pluralidad de salidas (58,114) dirigidas en una rueda correspondiente de dicha pluralidad de ruedas de medio (66) para girar dichas ruedasdentro de las aguas residuales y operable para airear las aguas residuales; y

una salida primaria (60) para descarga del efluente tratado por dicho sistema de tratamiento primario (16) despuésdel contacto con las bacterias y las algas;

un sistema de tratamiento secundario (20) incluyendo;

un segundo depósito (52) para recibir el efluente descargado de dicha salida primaria (60) de dicho sistema detratamiento primario (16);

una pluralidad de ruedas de medio (66), estando configurada cada una de forma sustancialmente idéntica a dichasruedas de medio (66) en dicho sistema de tratamiento primario (16);

un suministro de aire (112) dispuesto dentro de dicho segundo depósito (52) y configurado de forma sustancialmenteidéntica a dicho suministro de aire de dicho sistema de tratamiento primario (16); y

una salida secundaria (60, 86) para descarga del efluente tratado por dicho sistema de tratamiento secundario (20)después del contacto con las bacterias y algas.

Instalación para tratamiento biológico de aguas residuales Antecedentes La presente invención proporciona un aparato y proceso multifuncionales para tratamiento biológico de aguas residuales. La presente invención satisface múltiples necesidades medioambientales críticas, incluyendo tratamiento energéticamente eficiente de aguas residuales, la reducción de gases de efecto invernadero (GEIs) producidos por procesos convencionales de tratamiento de aguas residuales, captura de CO2 procedente de generadores de CO2, y producción de biomasa para energía renovable, fertilizante, aditivo para piensos, bioplásticos, cosméticos, productos farmacéuticos, tejidos, biocombustibles, y otros usos.

La Solicitud publicada US2008/0135474 describe un sistema y proceso de tratamiento de aguas residuales para tratar biológicamente aguas residuales para producir subproductos y efluente de agua sustancialmente limpia. El sistema de tratamiento incluye una serie de ruedas de medio rotativas para el crecimiento sostenido de algas. Las ruedas de medio son soportadas de modo que las algas giren entrando y saliendo de las aguas residuales para exposición a la luz solar. Un subproducto son algas sacadas de las ruedas de medio rotativas, que se pueden suministrar a otras instalaciones de procesado para producir combustible biodiesel. El CO2 residual también puede ser suministrado a la instalación para un mejor crecimiento de las algas. Se suministran bacterias para formar una relación simbiótica con las algas, alimentada por la luz solar para quitar efectivamente materiales tóxicos de las aguas residuales. La rotación de las ruedas de medio puede ser realizada por chorros de aire que también sirven para quitar las algas excedentes como un subproducto del sistema y proceso.

El tratamiento de aguas residuales ha crecido de forma significativa desde sus orígenes para el tratamiento de aguas residuales urbanas. La normativa relativa a la protección del medio ambiente exige el tratamiento de efluente procedente de generadores de aguas residuales antes del drenaje a una vía de agua ordinaria. Ahora existen procesos de tratamiento para cumplir estas normas, pero los métodos crean cantidades significativas de CHGs, y son complejos, caros y utilizan mucha energía. Los procesos de tratamiento basados en bacterias se desarrollaron cuando los costos de la energía eran bajos y no había preocupación por el cambio climático. Obviamente, ése no es el caso hoy día. Dos problemas principales de las tecnologías actuales para el tratamiento de aguas residuales son su gran consumo de energía y gran huella de carbono. Según EPA de Estados Unidos, las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTARs) suponen el 3% de toda la demanda eléctrica de Estados Unidos y generan 3, 4% de todas las emisiones de GEI en Estados Unidos.

Los dos procesos más ampliamente usados para el tratamiento de aguas residuales son los sistemas de lodo activado y biopelícula. Hay más de 16.000 PTARs en funcionamiento en Estados Unidos. De éstas, 6.800 plantas de tratamiento de aguas residuales municipales activadas por lodo que requieren 1, 3-2, 5 MWh por 3, 8 millones de litros (millones de galones/MG) tratados. Hay más de 2.500 sistemas de biopelícula municipales en Estados Unidos que requieren 0, 8-1, 8 MWh por MG. Además de los sistemas de lodo activado y biopelícula, hay más de 5.100 sistemas de tratamiento de aguas residuales del tipo de balsa en Estados Unidos. La energía que necesitan los sistemas de balsa es típicamente inferior a 0, 4-1, 4 MWh por MG, pero estos tipos de sistemas no son capaces de cumplir los actuales requisitos legales relativos a la descarga directa. Los sistemas de balsa también requieren grandes cantidades de terreno y tienen grandes huellas de carbono porque generan metano a partir de la digestión anaeróbica en el fondo de las balsas. Por esta razón, algunas agencias reguladoras ya no permiten estos tipos de sistemas. Las agencias reguladoras pronto requerirán también la extracción de nitrógeno y fósforo en la mayoría de las PTARs municipales. La extracción de nitrógeno y fósforo es muy difícil de lograr con un sistema de activado lodo o biopelícula y aumentará de forma significativa el costo de capital de las PTARs además de aumentar su consumo de energía y emisiones de GEI.

El tratamiento convencional de aguas residuales implica tres etapas de proceso, llamadas tratamiento primario, secundario y terciario, seguidas de procesado de lodo. En la etapa primaria, se separa papel, plástico y objetos sólidos grandes de la corriente de aguas residuales mediante tamices bastos o finos que se limpian mecánica o manualmente. Se quitan sólidos adicionales, grasa y heces utilizando clarificadores primarios o filtros mecánicos diseñados para sustituir a los clarificadores primarios.

En la etapa secundaria convencional, se digiere material orgánico usando bacterias indígenas, que viven en el agua y predominantemente no fototrópicas. Los sistemas de tratamiento secundario se clasifican en general como crecimiento de biopelícula o suspendido. Los procesos de tratamiento de biopelícula incluyen biofiltros y contactores biológicos rotativos (CBRs) donde la biomasa crece en el medio y las aguas residuales pasan por encima de su superficie. Los sistemas de biopelícula no son capaces de hacer crecer eficientemente algas o bacterias fototrópicas a causa de problemas mecánicos y la obstrucción. Los CBRs se suelen cubrir para evitar la exposición a la luz solar con biofiltros que son de geometría generalmente vertical con un área superficial muy pequeña expuesta a la luz solar. En los sistemas de crecimiento suspendido –tales como los biorreactores de lodo activado y membrana (MBRs) -la biomasa se mezcla bien con las aguas residuales y pueden operar en un espacio más pequeño que los sistemas de biopelícula que tratan la misma cantidad de agua. Sin embargo, de forma análoga a los sistemas de

biopelícula, los sistemas de crecimiento en suspensión no son capaces de hacer crecer algas o bacterias fototrópicas debido a la alta concentración de bacterias que mantiene el sistema, denominada típicamente concentración de sólidos en suspensión en licor mixto (SSLM) .

En una PTAR convencional, se convierte amoníaco a nitratos a través de otro proceso a base de bacterias llamado nitrificación. Este proceso se puede realizar en un proceso de “nitrificación de etapa separada” o combinar con el proceso de tratamiento secundario. El agua tratada es desinfectada finalmente usando cloración o desinfección por UV antes de la descarga a una masa de agua.

El lodo generado a partir de los procesos de aguas residuales se acumula en depósitos de procesado de lodo donde se descompone o es digerido por procesos aeróbicos o anaeróbicos. Después de la digestión anaeróbica, el lodo es deshidratado, secado, y transportado a un vertedero o aplicado a la tierra. El manejo del lodo en las PTARs convencionales es de un uso de energía sumamente intensivo, requiere sustancias químicas para la deshidratación y estabilización del lodo, y usa combustibles fósiles para procesar y transportar el lodo para desecho final. El lodo, independientemente de si se lleva a un vertedero o se aplica a la tierra, es convertido por bacterias en gases de efecto invernadero. El lodo que se aplica a la tierra también crea peligros para la salud pública a causa de la contaminación fecal y farmacéutica de las cosechas de alimentos. Varios estados y naciones están en vías de prohibir también la práctica de echar a la tierra heces humanas.

Una segunda necesidad medioambiental crítica es la reducción de la huella de carbono asociada con los procesos convencionales de tratamiento de aguas residuales y la captura de CO2 procedente de generadores de CO2. Todos los procesos de tratamiento biológico convencional de aguas residuales y de digestión anaeróbica de lodos convierten los componentes orgánicos e inorgánicos de las aguas residuales en gases de efecto invernadero. Las PTARs convencionales simplemente convierten una forma de contaminación en otra: de sólido a gas. El proceso convencional de tratamiento secundario crea gas CO2 a partir de la respiración bacteriana. La etapa terciaria del proceso convencional crea óxido nitroso (N2O) a partir del proceso de nitrificación, un GEI que es 310 veces más potente que el CO2 (protocolo de Kyoto) . Los procesos de digestión de lodo crean metano (CH4) , un GEI que es 21 veces más potente que el CO2 (protocolo de Kyoto) .

Las ideas actuales relativas a secuestro de carbono incluyen bombear dióxido de carbono bajo tierra y la captura en sistemas de algas. El problema principal de bombear CO2 bajo tierra es que la energía requerida hacen que este acercamiento sea de implementación... [Seguir leyendo]

1. Una instalación de tratamiento de aguas residuales (100) incluyendo:

un recorrido de flujo de entrada (54, 90) para recibir aguas residuales de una fuente;

un sistema de tratamiento primario (14) incluyendo;

un primer depósito (52) para contener aguas residuales recibidas a través de dicho recorrido de flujo de entrada (54, 90) ;

una pluralidad de ruedas de medio rotativas (66) montadas en dicho primer depósito (52) para rotación dentro de las aguas residuales y conteniendo cada una una colonia bacteriana capaz de digerir carbono orgánico en las aguas residuales y de respirar CO2, e incluyendo cada rueda de medio superficies (62) para soportar el crecimiento de algas, estando dispuestas dichas superficies de manera que alternativamente se sumerjan en las aguas residuales y queden expuestas a la luz solar;

un suministro de aire (112) dispuesto dentro de dicho primer depósito (52) y que tiene una pluralidad de salidas (58, 114) dirigidas en una rueda correspondiente de dicha pluralidad de ruedas de medio (66) para girar dichas ruedas dentro de las aguas residuales y operable para airear las aguas residuales; y

una salida primaria (60) para descarga del efluente tratado por dicho sistema de tratamiento primario (16) después del contacto con las bacterias y las algas;

un sistema de tratamiento secundario (20) incluyendo;

un segundo depósito (52) para recibir el efluente descargado de dicha salida primaria (60) de dicho sistema de tratamiento primario (16) ;

una pluralidad de ruedas de medio (66) , estando configurada cada una de forma sustancialmente idéntica a dichas ruedas de medio (66) en dicho sistema de tratamiento primario (16) ;

un suministro de aire (112) dispuesto dentro de dicho segundo depósito (52) y configurado de forma sustancialmente idéntica a dicho suministro de aire de dicho sistema de tratamiento primario (16) ; y

una salida secundaria (60, 86) para descarga del efluente tratado por dicho sistema de tratamiento secundario (20) después del contacto con las bacterias y algas.

2. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 1, donde dicho sistema de tratamiento primario (16) incluye un clarificador primario dispuesto entre dicho recorrido de flujo de entrada y dicho primer depósito (52) , pudiendo operar dicho clarificador primario para quitar biosólidos de las aguas residuales.

3. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 2, donde dicho sistema de tratamiento secundario (20) incluye un clarificador secundario (18) dispuesto entre dicha salida primaria (60) y dicho segundo depósito (52) , pudiendo operar dicho clarificador secundario (18) para quitar biosólidos del efluente de dicho sistema de tratamiento primario (16) .

4. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 3, donde dicho sistema de tratamiento secundario (20) incluye un clarificador terciario (22) en dicha segunda salida para tratar el efluente procedente de dicho sistema de tratamiento secundario (20) , pudiendo operar dicho clarificador terciario para quitar biosólidos del efluente de dicho sistema de tratamiento secundario (20) .

5. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 4, incluyendo además una unidad de desinfección (24) hacia abajo de dicho clarificador terciario.

6. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 5, incluyendo además una unidad de aireación (28) hacia abajo de dicha unidad de desinfección (24) .

7. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 4, incluyendo además un depósito (30) para recibir biomasa extraída por dichos clarificadores primario, secundario y terciario.

8. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 1, donde cada una de dichas ruedas de medio (66) define una porción interior (56) que comunica con las aguas residuales dentro de un depósito correspondiente de dichos depósitos, conteniendo dicha porción interior bacterias no fototrópicas.

9. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 1, donde dichos sistemas de tratamiento

primario y secundario incluyen una rejilla de paneles interconectados (96) que define una pluralidad de cámaras (97) en cuyo interior está montada rotativamente una rueda correspondiente de dichas ruedas de medio (66) .

10. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 9, donde dicha rejilla (96) define una

pluralidad de filas de cámaras, estando cámaras adyacentes en cada fila en comunicación de fluido para proporcionar una configuración de aguas residuales de flujo tapón a través de cada fila.

11. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 10, donde cada fila de dicha rejilla define nueve cámaras para recibir rotativamente un número análogo de dichas ruedas de medio (66) . 10

12. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 10, incluyendo además una rejilla de distribución de aire (112) asociada con dicha rejilla (96) de paneles interconectados, incluyendo dicha rejilla de distribución de aire un tubo asociado con cada una de dichas filas, definiendo dicho tubo una abertura de salida de aire (114) en cada una de dichas cámaras para dirigir aire para girar dicha rueda de medio asociada con dicha cámara.

13. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 1, donde dicha pluralidad de ruedas de medio rotativas (66) en cada uno de dichos sistemas de tratamiento primario y secundario están dispuestas en filas de nueve ruedas de medio (66) .

14. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 1 adaptada de tal manera que dichos sistemas de tratamiento primario y secundario puedan estar alojados dentro de un invernadero (82) .

15. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 1, donde dichos sistemas de tratamiento

primario y secundario están dispuestos en una disposición multinivel en la que al menos un depósito (52) de dichos sistemas se soporta verticalmente encima de otro depósito (52) de los sistemas.

16. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 15, donde al menos un depósito inferior de dichos depósitos está provisto de un sistema de iluminación (120, 122, 124) para proporcionar luz a dicho depósito 30 (52) .

17. La instalación de tratamiento de aguas residuales de la reivindicación 16, donde dicho sistema de iluminación incluye un colector (120) para recoger luz solar, un tubo de luz (122) para transportar la luz solar y un aparato de fijación de luz interior (124) conectado a dicho tubo de luz.