Mejoras en y relativas a la expansión y la fluidización de lechos fluidizados.

Un método de tratamiento de un líquido que comprende hacer pasar dicho líquido a través de un lechofluidizado de material particulado que contiene una capa de biopelícula,

fluidizándose dicha capa por el pasode dicho líquido a través de la misma, y que comprende una capa distribuidora a través de la cual se hace o sepermite que pase el líquido antes de que pase a través de la capa fluidizada, seleccionándose la densidad delas partículas de la capa distribuidora y el caudal del medio fluidizante de tal modo que se reduzcasustancialmente o se elimine la turbulencia en el medio fluidizante antes de que actúe en el lecho fluidizado,agitándose la capa distribuidora por el paso de líquido a través de la misma, pero sin ser ella misma fluidizada,caracterizado por que

el grosor de la capa de biopelícula sobre el material particulado se controla permitiendo que las partículas quecontengan un exceso de la capa de biopelícula en la superficie sean eliminadas de la parte superior del lechofluidizado para ser recicladas en la capa distribuidora, con lo que se quita un exceso de material de biomasa delas partículas portadoras mediante la acción de la capa distribuidora al pasar las partículas portadoras a travésde la misma hacia el lecho fluidizado.

Mejoras en y relativas a la expansión y la fluidización de lechos fluidizados La presente invención versa acerca de mejoras en el diseño y la operación de lechos expandidos o fluidizados en los que se usa un fluido, particularmente un líquido, para transmitir la energía para la expansión del lecho. Un lecho expandido o fluidizado es aquel en el que las partículas están suspendidas en un flujo de fluido pero no se mueven sustancialmente con el flujo volumétrico de ese fluido. La definición clásica de lecho expandido en la ingeniería química es aquel que aumenta en volumen hasta el 50 o el 100% con respecto al del lecho cuando está estático, es decir, sin flujo de fluido; mientras que se define que un lecho fluidizado tiene un volumen más del 50 o el 100% mayor que el del lecho estático sin flujo de fluido. En particular, versa acerca de procesos biológicos como el tratamiento, la fermentación y la biocatálisis del agua y de aguas residuales. Para tales procesos, las áreas con necesidad de mejora incluyen la distribución del flujo de líquido; los costes energéticos para el bombeo y la aireación; el control del sobrecrecimiento de la biomasa; y materiales de soporte para la biomasa.

Las publicaciones recientes de la bibliografía científica han resaltado aspectos del diseño y la operación de los lechos fluidizados, que tienen necesidad de mejora. Por ejemplo, P. M. Sutton y P. N. Mishra (“Activated carbon based biological fluidised beds for contaminated water and wastewater treatment: a state of the art review”, Water Science and Technology, Vol. 29 10-11: 309-317, 1994) señalan que “los componentes mecánicos y los subsistemas críticos para el diseño de realizaciones de sistemas comerciales de BFB (lecho fluidizado biológico) son los siguientes” y pasan a citar el distribuidor, la transferencia de oxígeno y el control del desarrollo de la biopelícula. Su monografía se basaba en una reseña de “más de 80 reactores comerciales de BFB basados en medios (que) se han instalado en Norteamérica y Europa”.

En una reseña más reciente, C. Nicolella, M. C. M. van Loosdrecht y J. J. Heijnen (“Wastewater treatment with particulate biofilm reactors”, Journal of Biotechnology 80: 1-33, 2000) identificaron cuatro inconvenientes clave de la operación de los lechos fluidizados:

1. Formación de biopelículas en portadores, lo que plantea problemas que llevan a tiempos de arranque prolongados.

2. Dificultad del control del grosor de las biopelículas.

3. Sobrecrecimiento de las biopelículas, que lleva a la elutriación de partículas.

4. Coste elevado de los distribuidores de líquidos para sistemas fluidizados para reactores de gran escala y problemas asociados con respecto a la obstrucción y a la fluidización uniforme.

Desde la introducción de la tecnología de lecho fluidizado por líquido, se han concedido varias patentes para dispositivos para garantizar la distribución uniforme del flujo de líquido en la base del lecho. Estos incluyen el flujo descendente a través de toberas de expansión (por ejemplo, US4202774, US4464262, US4618418, US5584996) ; toberas con una rejilla o una plancha perforada encima (US4702891, US4933149) ; planchas distribuidoras perforadas similares a las usadas en los sistemas convencionales fluidizados por gas (US4322296) o con un lecho estático de calidades basta y fina de arena por encima (US5965016) ; o simplemente un lecho estático de material granular (US5895576) , arena (GB780406) o ambos (GB2149683) .

Si el flujo de fluido en la base del lecho es turbulento, ello da como resultado más impactos entre las partículas fluidizadas, lo que produce abrasión o, en el caso de partículas que porten una capa de reaccionante, la eliminación prematura de la capa de reaccionante de las partículas portadoras fluidizadas. El documento GB780406 da a conocer un distribuidor de material de partículas que comprende un lecho estático de arena que yace sobre una pantalla perforada con caudales de magnitud de 48, 93 litros por metro cuadrado por minuto, o aproximadamente 0, 08 cm3 por cm2 por segundo. Este bajo caudal a través del distribuidor es insuficiente para provocar el movimiento de sus partículas, y la enseñanza aquí es que el material granular se usa, de hecho, como una plancha perforada “tridimensional”. En un intento por mejorar la característica del flujo de del fluido en un lecho fluidizado, Bernard Suchowski, Joseph E. Gargas, Robert H. Hy de y Joseph Pluchino (US5965016) propusieron el uso de partículas de arena mayores y más pesadas reunidas inmediatamente encima de una plancha distribuidora perforada, donde contribuyen a distribuir el flujo más uniformemente.

A pesar de esto, la presencia de la propia plancha perforada plantea restricciones físicas al flujo de fluidos.

Los inventores han descubierto que eliminando la plancha por completo y haciendo o permitiendo que las partículas de la capa distribuidora se muevan, pero sin que se fluidicen ellas mismas, se obtiene una mejora significativa en las propiedades del flujo de fluidos en la parte inferior del lecho.

En un aspecto de la presente invención se proporciona un método para mejorar el rendimiento de un lecho fluidizado según la reivindicación 1. Un lecho de material particulado se fluidiza mediante el paso de un medio fluidizante a través del mismo, y se caracteriza por la provisión de una capa distribuidora a través de la cual se hace o se permite que pase el medio fluidizante antes de atravesar el lecho fluidizado, seleccionándose la densidad de las partículas

de la capa distribuidora y el caudal del medio fluidizante de tal modo que se reduzca sustancialmente o se elimine la turbulencia en el medio fluidizante antes de que actúe en el lecho fluidizado.

Se porta como película o capa una biopelícula en un soporte de material particulado actuante como resto reaccionante del lecho fluidizado. El grosor de la biomasa sobre el medio portador inerte se controla permitiendo que las partículas que contienen exceso de reaccionante en la superficie sean eliminadas de la parte superior del lecho fluidizado para ser recicladas en la capa distribuidora, con lo que se quita un exceso de material de biomasa de las partículas portadoras mediante la acción de la capa distribuidora al pasar las partículas portadoras a través de la misma hacia el lecho fluidizado.

Además, también se ha observado que puede lograrse el control del grosor de la biopelícula sin reciclar partículas desde un extremo del lecho hasta el otro extremo.

Las interacciones en la superficie de contacto entre el distribuidor del lecho móvil y el lecho fluidizado causan la eliminación del exceso de biopelícula, lo que da como resultado una biopelícula más compacta.

La evidencia de la naturaleza más compacta de la biopelícula surge de observaciones de que el grado de expansión del lecho se redujo (de 117, 5 a 98, 0 cm) , pero la altura del lecho estático siguió sustancialmente igual (52, 9-53, 3 cm) ; y de que el lecho empezó a compactarse más rápidamente una vez asentado partiendo del estado expandido, durante el periodo en el que ocurrió este efecto.

La invención proporciona, en un aspecto adicional de la misma, un aparato según la reivindicación 13 para mejorar el rendimiento de un lecho fluidizado La capa distribuidora puede ser una capa de un material particulado que tenga una densidad mayor que la de las partículas que constituyen la propia capa fluidizada. La capa distribuidora es agitada por el medio fluidizante, pero ella misma no se fluidiza. Se requiere aquí que las partículas que constituyen la capa distribuidora se muevan con el flujo del medio fluidizado, pero que no se fluidice el propio lecho. Así, la capa de material distribuidor actúa limitando la turbulencia del flujo del medio fluidizante, turbulencia que es amortiguada por el movimiento de las partículas en la capa distribuidora. En consecuencia, el medio fluidizante sirve para fluidizar el lecho sin turbulencia indebida ni movimiento violento de las partículas que constituyen el lecho. Así, si el lecho constituye un material delicado, se reducen al mínimo la abrasión o el daño a las partículas que constituyen el lecho.

En una realización preferente de la invención, la capa distribuidora es una capa distribuidora móvil en la que el movimiento de las partículas de la capa distribuidora sirve para distribuir más uniformemente el flujo del medio fluido en la cara inferior del lecho fluidizado mientras que, a la vez, sirve para aminorar la turbulencia dentro del flujo de fluido. El resultado es un flujo de fluido sustancialmente laminar a través del lecho fluidizado que sirve para abrir la estructura del... [Seguir leyendo]

1. Un método de tratamiento de un líquido que comprende hacer pasar dicho líquido a través de un lecho fluidizado de material particulado que contiene una capa de biopelícula, fluidizándose dicha capa por el paso de dicho líquido a través de la misma, y que comprende una capa distribuidora a través de la cual se hace o se permite que pase el líquido antes de que pase a través de la capa fluidizada, seleccionándose la densidad de las partículas de la capa distribuidora y el caudal del medio fluidizante de tal modo que se reduzca sustancialmente o se elimine la turbulencia en el medio fluidizante antes de que actúe en el lecho fluidizado, agitándose la capa distribuidora por el paso de líquido a través de la misma, pero sin ser ella misma fluidizada,

caracterizado por que el grosor de la capa de biopelícula sobre el material particulado se controla permitiendo que las partículas que contengan un exceso de la capa de biopelícula en la superficie sean eliminadas de la parte superior del lecho fluidizado para ser recicladas en la capa distribuidora, con lo que se quita un exceso de material de biomasa de las partículas portadoras mediante la acción de la capa distribuidora al pasar las partículas portadoras a través de la misma hacia el lecho fluidizado.

2. Un método según la reivindicación 1 en el que la capa distribuidora es una capa de un material particulado que tiene una densidad mayor que la de la capa fluidizada.

3. Un método según la reivindicación 1 en el que la capa distribuidora es una capa diferenciada por debajo del

lecho fluidizado y en el que el solapamiento entre las dos capas es mínimo para reducir la abrasión y/o la 20 eliminación del reaccionante de las partículas portadoras.

4. Un método según cualquier reivindicación precedente en el que el grosor de la capa distribuidora y el caudal del medio fluidizante se seleccionan de tal modo que, sustancialmente, no se experimente turbulencia alguna en el lecho de reaccionante fluidizado como consecuencia del paso del medio fluidizante a través del mismo.

5. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en el que el material particulado del lecho

fluidizado es un coque vítreo y en el que la biomasa que constituye la capa de biopelícula es inmovilizada como una biopelícula desarrollada sobre la superficie de las partículas de coque vítreo.

6. Un método según la reivindicación 5 en el que las partículas de coque tienen una superficie “vítrea” o ligeramente vidriada y un tamaño sustancialmente dentro del intervalo de 0, 25 a 2, 50 mm.

7. Un método según la reivindicación 6 en el que el coque vítreo tiene un tamaño de partícula de 1, 0 a 1, 7 mm.

8. Un método según la reivindicación 1 en el que las partículas recicladas se combinan con el medio fluidizante para su introducción en la capa distribuidora.

9. Un método según cualquier reivindicación precedente en el que el líquido es un medio que ha de nitrificarse y la biopelícula comprende una bacteria nitrificante.

10. Un método según la reivindicación 9 en el que se controla la temperatura del fluido hasta que esté dentro del 35 intervalo de 13 a 22 grados Celsius.

11. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 9 o 10 en el que el lecho fluidizado contiene una zona superior de desnitrificación encima de la zona de nitrificación, zona superior que incorpora bacterias desnitrificantes para descomponer el nitrito y/o el nitrato producidos por las bacterias nitrificantes aerobias en la zona de nitrificación.

12. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el medio fluidizante se descarga desde la parte superior del lecho y se le hace o se permite que rebose o caiga en cascada como una película delgada a través del aire para efectuar la aireación del medio.

13. Un aparato para el tratamiento de un líquido que comprende un lecho (12) de material particulado que contiene una capa de biopelícula que ha de fluidizarse,

una capa distribuidora (12) de material particulado a través de la cual se hace que pase el líquido sustancialmente antes de que pase a través de dicho lecho, con lo que se reduce sustancialmente la turbulencia en el medio fluidizante cuando pasa a través de dicho lecho fluidizado,

medios (18) de inyección para inyectar una corriente de líquido a través de dicho lecho por medio de la capa distribuidora,

caracterizado por la provisión de un medio para eliminar partículas del lecho fluidizado de una parte superior del lecho, y

medios secundarios (16) de inyección yuxtapuestos a la capa distribuidora, con los que las partículas del lecho fluidizado que contienen un exceso de biopelícula son eliminadas de la parte superior de dicho lecho e introducidas en el lecho fluidizado por medio de dicha capa distribuidora, con lo que se quita un exceso de biopelícula de las partículas portadoras mediante la acción de las partículas de la capa distribuidora al pasar las partículas portadoras ascendentemente hacia el lecho fluidizado.

14. Un aparato según la reivindicación 13 que incluye medios para permitir una interacción suficiente entre el material distribuidor y el material de biopelícula para efectuar de manera sustancial el control del grosor de la biopelícula.

15. Un aparato según las reivindicaciones 13 o 14 en el que la capa distribuidora tiene una densidad mayor que la de la capa fluidizada.

16. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15 en el que la capa distribuidora es una capa diferenciada por debajo de la del lecho fluidizado.

17. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16 en el que el medio de establecimiento de un

lecho de material que ha de fluidizarse es un reactor o torre (8) vertical y en el que el líquido es inyectado en la base de la torre para que pase hacia arriba a través del medio de que ha de fluidizarse.

18. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17 en el que la vasija del reactor o torre está dotada de un conducto central (10) para el suministro del medio fluidizante y descendentemente hacia la base del reactor o torre, por lo que el líquido se inyecta contra un elemento reflector para la redirección del mismo hacia arriba a través de la capa distribuidora y del lecho fluidizado.

19. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 18 para la nitrificación de un fluido en el que se hace pasar al fluido que ha de nitrificarse por un lecho de partículas inertes que contienen una capa de una biomasa que comprende bacterias nitrificantes, caracterizado por que las partículas portadoras inertes que constituyen el lecho del reactor incluyen una proporción sustancial de partículas de coque que tienen una superficie al menos “vítrea” o ligeramente vidriada y un tamaño sustancialmente dentro del intervalo de 0, 25 a 2, 50 mm, y por que las partículas contienen una biopelícula de bacterias nitrificantes en la superficie de las mismas.

20. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19 que incluye medios de aireación del líquido.

21. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 20 que incluye medios de control para controlar 30 el caudal de fluido a través del lecho del reactor.

22. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 21 que incluye medios de control para muestrear la concentración de oxígeno en el fluido antes o durante su entrada en el reactor, medios para muestrear la concentración de oxígeno en el fluido en o después de la salida del reactor y medio para la regulación del caudal de fluido a través del reactor, y/u otros parámetros del reactor, de modo que la concentración de oxígeno a la salida del reactor esté inmediatamente por encima de una concentración en la que la concentración de oxígeno sería controlante de la tasa del proceso de nitrificación.

23. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 22 que incluye medios para separar la biomasa desechada del reactor.

24. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 23 que incluye medios de depósito colector,

medios de bombeo para bombear medio fluidizante a dicho depósito colector, medios de suministro desde dicho depósito colector a los medios (18) de inyección para el lecho fluidizado, siendo la disposición tal que el depósito colector proporcione suficiente fluido o presión hidrostática en los medios de inyección para mantenerla capa distribuidora y para efectuar la fluidización del lecho.

25. Un aparato según la reivindicación 24 en el que los medios de inyección incluyen un conducto (10) de 45 suministro al efecto que está dimensionado para que tenga suficientes pérdidas por rozamiento para permitir un grado de control sobre el flujo a través de él variando la altura hidrostática.

26. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 25 en el que la capa distribuidora es arena de sílice.

27. Un procedimiento de tratamiento de aguas residuales que comprende un método de nitrificación según 50 cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12.

28. Un procedimiento de purificación de agua que comprende un método de nitrificación según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12.