Sistema Integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales.

Sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas,

y procedimiento para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales urbanas o industriales, preferiblemente con concentraciones de DQO comprendidas entre 150 y 5000 mg/L y donde las eliminaciones de nitrógeno total que se producen están comprendidas entre 15 y 50 mg/L, a temperaturas superiores a 15ºC. La depuración del agua residual tiene lugar gracias a tres etapas de tratamiento: etapa anaerobia metanogénica, etapa anóxica con biopelículas y biomasa en suspensión y etapa aerobia de filtración con biopelículas y biomasa en suspensión.

Sistema Integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales.

SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención plantea un Sistema Integrado formado por un reactor Anaerobio metanogénico y un biorreactor de Membranas (SIAM) , especialmente diseñado para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales urbanas o industriales mediante el uso de un sistema integrado de biorreactores que genere una menor producción de lodos, menor consumo de energía, y en el que se obtiene un efluente final libre de sólidos en suspensión y baja concentración de nitrógeno total y materia orgánica.

La presente invención combina las ventajas de sistemas biológicos anaerobios, baja producción de fango y generación de un biogás aprovechable, y los aerobios, baja Demanda Química de Oxígeno (DQO) del efluente depurado, a temperatura ambiente, y de los sistemas de filtración de membranas, alta calidad del efluente con concentraciones muy bajas de sólidos en suspensión o microorganismos. El sistema y el procedimiento permiten la eliminación de nitrógeno del agua residual utilizando como fuente de carbono metano disuelto presente en el efluente del reactor metanogénico, reduciendo de este modo las emisiones a la atmósfera de un gas de efecto invernadero, metano, presente en el efluente de biorreactores metanogénicos. El sistema integrado 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) , permitiendo una reducción de nitrógeno total en el agua depurada comprendida, normalmente, entre 15 y 50 mg/L que facilitaría ora sea el vertido directo del agua ora su reuso en riegos o procesos industriales.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Se plantea un Sistema Integrado formado por un reactor Anaerobio metanogénico y un biorreactor de Membranas (SIAM) que es resultado de la mejora de la solicitud de patente ES2385002-A1 de reactor biológico de tres etapas, metanogénica, aerobia y de filtración recomendado para la eliminación de materia orgánica, sólidos en suspensión y microrganismos en aguas residuales depuradas, pero que no alcanzaba una eliminación apreciable de nitrógeno total en el agua residual , y otras limitaciones del estado de la técnica.

Con la presente invención se pretende aprovechar el metano disuelto de forma natural, en el efluente de la etapa anaerobia metanogénica, para eliminar parte del nitrógeno total presente en el agua residual depurada. De esta forma se logran dos objetivos ambientales positivos, eliminar compuestos de nitrógeno del agua residual reduciendo de paso las emisiones de metano, gas con un elevado poder de efecto invernadero, mejorando notablemente el comportamiento ambiental de la instalación.

Por ello, a continuación se realiza una revisión del estado del arte en cuanto a los procesos de eliminación de nitrógeno de aguas residuales en general y en particular al uso de sistemas metanogénicos para la depuración de aguas residuales y el potencial uso de metano como fuente de carbono en la reacción de desnitrificación biológica.

Procesos de eliminación de nitrógeno La depuración biológica de compuestos de nitrógeno en aguas residuales se efectúa mediante una secuencia de etapas en serie, en la primera etapa de hidrólisis el nitrógeno orgánico presente en el agua residual se hidroliza liberando ión amonio, en la segunda etapa de nitrificación el amonio se oxida a nitrito o nitrato y en la tercera etapa de desnitrificación, se produce la reducción de los aniones de nitrógeno a nitrógeno gas, usando normalmente una fuente de carbono como dador de electrones.

De las diversas configuraciones para el tratamiento integral de nitrógeno y materia orgánica, las más atractivas son aquellas en que la oxidación de materia orgánica y nitrificación-desnitrificación se combinan en un proceso de tratamiento conjunto. En estos procesos el reactor está dividido en dos o más cámaras, unas sin airear (cámaras anóxicas) y otras aireadas (cámaras aerobias) . En las cámaras anóxicas se reduce el nitrito y nitrato a nitrógeno gas, empleando como fuente de carbono la materia orgánica presente en el agua residual y en las cámaras aerobias tiene lugar la oxidación de amonio a nitrito y nitrato y la oxidación de los restos de materia orgánica que no se hubiesen degradado en las cámaras anóxicas. La reacción de desnitrificación permite un ahorro de oxígeno al recuperar parte del oxígeno y la alcalinidad consumida en la oxidación de amoniaco a nitrato (Metcalf & Eddy Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4ª Edición, Ed. McGraw Hill 2003) . En cuanto a tecnologías utilizadas es habitual emplear el sistema de lodos activos y sus múltiples configuraciones o sistemas de biopelícula como serían los biofiltros sumergidos (Metcalf & Eddy 2003 Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4ª Edición, Ed. McGraw Hill 2003) . La cantidad de materia orgánica que suele precisarse para desnitrificar los iones nitrito y nitrato, suele rondar entre 4 y 8 gDQO/g-N eliminado.

A bajas relaciones de DQO/N el proceso de desnitrificación suele estar limitado por la presencia de materia orgánica, siendo práctica habitual el añadir una fuente externa de materia orgánica (por ejemplo metanol o ácido acético) , lo que aumenta los costes de operación del sistema (Isaacs S.H. y Henze M., Wat.Res. 29 (1) , 77 (1995) ) . En estos casos,

aguas residuales con baja relación DQO/N, se puede contemplar el uso de biorreactores en los que se promueva la eliminación autotrófica de nitrógeno, fomentando el crecimiento conjunto de bacterias nitritooxidantes, que oxidarían parte del amonio a nitrito y bacterias anammox que realizan la desnitrificación utilizando el ión amonio como dador de electrones y el nitrito como aceptor de electrones; de esta forma se produce nitrógeno gas en ausencia de cualquier fuente orgánica de carbono. Un ejemplo de sistemas de eliminación autotrófica de nitrógeno son los sistemas Sharon-Anammox CANON y OLAND (Li A. et al. Recent Patents on Engineering 2008, 2, 189-194) , sin embargo, el uso de los sistemas basados en bacterias autotróficas nitritooxidantes y anammox está limitado a tratar corrientes de aguas residuales con concentraciones moderadas o altas de compuestos de nitrógeno a temperaturas próximas a 35-37 ºC, siendo muy difícil y compleja la operación a temperaturas menores de 20 ºC (Strous et al., Appl. Environ. Microbiol, 65, 3248 (1999) )

Tratamiento anaerobio metanogénico de aguas residuales Los procesos anaerobios metanogénicos han sido utilizados ampliamente para el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales; estos sistemas poseen una serie de ventajas como son el menor consumo de energía eléctrica, la posible recuperación de energía del metano que se genera y la menor producción de lodos en comparación con las tecnologías de tratamiento biológico aerobio. Los procesos anaerobios se utilizan ampliamente en países con climas templados o cálidos para el tratamiento de aguas residuales urbanas, a temperatura ambiente, o para el tratamiento de aguas residuales industriales con alta concentración de materia orgánica aunque operando normalmente el biorreactor a temperaturas de unos 35-37 ºC en sistemas anaerobios mesófilos o 55-60 ºC en sistemas anaerobios termófilos.

Entre las tecnologías de tratamiento anaerobio desarrolladas en las últimas décadas se pueden destacar la del filtro anaerobio (AF) , reactores de mantos de lodos (UASB) , reactores de lecho expandido (EGSB) (Speece, R.E., Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewater, Archae Press, Nashville, Tennessee (1996) ) . De entre todas estas tecnologías solamente la de reactores UASB ha tenido cierto éxito para el tratamiento de aguas residuales urbanas debido a su simplicidad y a las facilidades que presenta su operación.

El reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) , desarrollado en los años 70 en los Países Bajos, está formado por un manto de lodo anaerobio, que se localiza en la parte inferior del sistema, y un separador Gas-Líquido-Sólido (GLS) , situado en parte superior del reactor. El manto de lodo en el fondo del reactor está formado tanto por la acumulación de sólidos en suspensión como de microorganismos agregados tanto en forma de flóculos como de gránulos. El separador GLS permite recuperar gran parte de los sólidos que son arrastrados por la corriente ascendente de agua y biogás, recogiendo las burbujas de biogás mediante una serie de campanas ubicadas estratégicamente a lo largo de la parte superior del sistema.

1. Un sistema Integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales, caracterizado por estar compuesto de tres cámaras:

cámara anaerobia metanogénica (1) ;

cámara anóxica (2) que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) ; y

cámara aerobia de filtración (3) que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y membranas de filtración (20) .

2. El sistema integrado, según la reivindicación 1, caracterizado porque la cámara anaerobia metanogénica (1) comprende: arquetas de reparto (4) con mangueras plásticas (5) , un manto de fango anaerobio (6) , campanas (7) y conducciones (12) para la recogida de biogás, deflectores (8) , rebosaderos (9) , bomba (10) para la purga de fango en exceso y una cubierta (24) .

3. El sistema integrado según la reivindicación 2 donde el manto de fango anaerobio (6) está situado en la parte inferior de la cámara anaerobia metanogénica (1) .

4. El sistema integrado según la reivindicación 2 donde las campanas (7) y conducciones (12) para la recogida de biogás están situadas en la parte superior de la cámara anaerobia metanogénica (1) .

5. El sistema integrado según la reivindicación 2 donde los deflectores (8) están situados en la parte inferior de la cámara anaerobia metanogénica (1) .

6. El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, donde la cámara anaerobia metanogénica (1) además comprende una bomba (11) de alimentación.

7. El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la cámara anóxica (2) , además del relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) , comprende: un sistema de distribución (13) formado por tubos perforados, una malla de forma tubular (15a) , un agitador mecánico (22) y una bomba (17) .

8. El sistema integrado, según la reivindicación 7, donde la malla de forma tubular (15a) tiene una luz de paso menor que el tamaño de las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) .

9. El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, donde la bomba (17) está situada entre la cámara anóxica (2) y la cámara anaerobia metanogénica (1) .

10. El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, donde la bomba (17) está asociada a cualquiera de los elementos seleccionados de la lista que comprende: válvula de recirculación (25a) y válvula de purga (25b) .

11. El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, donde el fondo o solera de la cámara anóxica tiene una pendiente comprendida entre 1/5 y 1/20 m/m.

12. El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) de la cámara anóxica (2) consiste en partículas que ocupan entre el 10% y el 60% de volumen aparente de la cámara anóxica (2) .

13. El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, donde el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) de la cámara anóxica (2) consiste en un elemento seleccionado de la lista que comprende: partículas granulares plásticas de aspecto rugoso, anillos Raschig de plástico, partículas de espuma polimérica o productos comerciales análogos que promuevan la formación de biopelículas de microorganimos.

14. El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 13, donde las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14a) de la cámara anóxica (2) tienen un tamaño comprendido entre 1 y 5 mm.

15. El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la cámara aerobia de filtración (3) se encuentra dividida en dos zonas: una zona que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y otra zona que comprende membranas de filtración (20) , separadas mediante un tabique perforado (23) con agujeros de diámetro inferior al del relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) .

16. El sistema integrado, según la reivindicación 15, caracterizado porque la zona que comprende un relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) comprende, además: un sistema de difusores de aire en parrilla (18a) , una soplante de aire (19a) , una malla de forma tubular (15b) y una bomba (16a) , donde la soplante de aire (19a) insufla aire hacia el sistema de difusores de aire en parrilla (18a) .

17. El sistema integrado, según la reivindicación 16, donde la malla de forma tubular (15b) tiene una luz de paso menor que el tamaño de las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) .

18. El sistema integrado, según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, donde el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) consiste en partículas que ocupan entre el 10% y el 60% de volumen aparente de la cámara aerobia de filtración (3) .

19. El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18, donde el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) consiste en un elemento seleccionado de la lista que comprende: partículas granulares plásticas de aspecto rugoso, anillos Raschig de plástico, partículas de espuma polimérica o productos comerciales análogos que promuevan la formación de biopelículas de microorganismos.

20. El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 19, donde las partículas que conforman el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) tienen un tamaño comprendido entre 1 y 5 mm.

21. El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, donde la malla de forma tubular (15b) está ubicada en la parte superior de la zona con el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) .

22. El sistema integrado, según la reivindicación 15, caracterizado porque la zona que comprende membranas de filtración (20) de la cámara aerobia de filtración (3) comprende: módulos de membrana (20) sumergidos de microfiltración o ultrafiltración, bombas (21) para la extracción de permeado, sistema de soplantes (19b) , y parrilla de difusores (18b) .

23. El sistema integrado según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 22, que además comprende una bomba (16b) entre la zona que comprende el relleno de partículas plásticas en suspensión (14b) y la zona que comprende membranas de filtración (20) de la cámara aerobia de filtración (3) .

24. Procedimiento para la eliminación de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales con concentraciones de DQO comprendidas entre 150 y 5000 mg/L mediante un sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas que comprende tres etapas de tratamiento: etapa anaerobia metanogénica, etapa anóxica con biopelículas y biomasa en suspensión y etapa aerobia de filtración con biopelículas y biomasa en suspensión, donde la eliminación de nitrógeno total está comprendida entre 15 y 50 mg/L.

25. Procedimiento, según la reivindicación 24, caracterizado porque la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica se produce gracias a un manto de fango anaerobio (6) dispuesto en una cámara anaerobia metanogénica (1) , el cual degrada entre el 60 y el 85% de la materia orgánica que contiene el agua residual, en términos de Demanda Química de Oxígeno (DQO) , produciéndose un biogás con un contenido d.

5. 80% en metano y d.

2. 50% en dióxido de carbono, que es recogido por campanas (7) .

26. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 25, caracterizado porque en la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica se introduce de forma homogénea el agua residual a través de la parte inferior del manto de fangos gracias a una bomba (11) , usando arquetas de reparto (4) y mangueras plásticas (5) .

27. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 26, donde el agua residual tratada en la cámara anaerobia metanogénica (1) abandona la misma a través de rebosaderos (9) colocados a lo largo de la superficie de la lámina de agua, y donde el nivel del manto de fangos se controla purgando lodo de dicho manto a través de una conducción y bomba (10) de purga de fangos.

28. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 27, caracterizado porque la etapa de tratamiento anóxica se basa en la utilización de microorganismos anóxicos heterótrofos que crecen en suspensión en el licor mezcla y adheridos, formando biopelículas, a un relleno de partículas plásticas (14a) que se encuentran en una cámara anóxica (2) y que se mueven gracias a un agitador mecánico (22) .

29. Procedimiento, según la reivindicación 28, donde dichos microorganismos que crecen en suspensión y en biopelículas eliminan aquellos compuestos biodegradables que no hayan sido eliminados durante la etapa de tratamiento anaerobio metanogénica junto con el metano disuelto en el efluente de dicha etapa, empleándolos como fuente de carbono para desnitrificar el nitrógeno en forma de nitrato o nitrito, que es recirculado desde la etapa de tratamiento aerobia de filtración.

30. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 29, caracterizado porque la etapa de tratamiento aerobia de filtración se basa en la utilización de microorganismos aeróbicos heterótrofos y nitrificantes que crecen en suspensión en el licor mezcla y adheridos, formando biopelículas, al relleno de partículas plásticas (14b) que se encuentran en la zona con relleno de partículas plásticas de una cámara aerobia de filtración (3) .

31. Procedimiento, según la reivindicación 30, donde dichos microorganismos que crecen en suspensión y en biopelículas eliminan aquellos compuestos biodegradables que no hayan sido eliminados durante las etapas de tratamiento anaerobio metanogénica o anóxica y oxidan el amonio proveniente de la etapa de tratamiento anóxica, transformándolo en nitrato y/o nitrito.

32. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 31, donde el lodo con sólidos en suspensión generado retorna desde la zona con relleno de partículas plásticas (14b) de la cámara aerobia de filtración (3) hacia la cámara anóxica (2) a través de una malla de forma tubular (15a) para la extracción del agua situada en la parte superior de la cámara anóxica y una bomba (16a) .

33. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 32, caracterizado porque en la etapa de tratamiento aerobia de filtración, la filtración se logra mediante el uso de módulos de membranas sumergidos (20) en una zona con membranas de filtración, que se encuentra separada de la zona con relleno de partículas plásticas (14b) gracias a un tabique perforado (23) , formando parte de una cámara aerobia de filtración (3) .

34. Procedimiento según la reivindicación 33, donde el lodo con sólidos en suspensión generado retorna internamente desde la zona con membranas de filtración hacia la zona con relleno de partículas plásticas (14b) en la etapa de tratamiento aerobia de filtración mediante una bomba (16b) .

35. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 24 a 34, caracterizado porque comprende además el uso de un sistema de recirculación con una bomba (17) y una válvula de recirculación (25a) instaladas en la cámara anóxica (2) ; de forma que se devuelve el lodo del manto de fango anaerobio (6) de la etapa de tratamiento anaerobia metanogénica que hubiese migrado hacia las etapas anóxica y aerobia de filtración y se promueve a la vez, la digestión anaerobia del lodo generado en exceso durante las etapas de tratamiento en la cámara anóxica (2) y cámara aerobia de filtración (3) .

36. Procedimiento, según la reivindicación 35, caracterizado porque la bomba (17) es usada además para purgar lodo en exceso mediante una válvula de purga (25b) .

37. Uso de un sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas según las reivindicaciones 1 a 23, y de un procedimiento, según las reivindicaciones 24 a 36, para la depuración de materia orgánica y nitrógeno en aguas residuales urbanas y/o industriales.

38. Uso de un sistema integrado de reactor anaerobio metanogénico y biorreactor de membranas y de un procedimiento, según la reivindicación anterior, para el tratamiento de aguas residuales con concentraciones de materia orgánica medida como DQO, comprendida entre 150 y 5000 mg/L, y para la eliminación de entre 15 y 50 mg/L de nitrógeno total a temperaturas superiores a 15 ºC.

Figura 1.

Figura 2. Figura 3.

Figura 4.