Producción de hidrógeno y de metano a partir de corrientes de aguas residuales.

Un procedimiento para la producción de hidrógeno y metano a partir de corrientes de aguas residuales negras,

haciendo así que, al menos en parte, dichas aguas residuales sean seguras para uso en una planta de procesado con biorreactor y haciendo que las aguas residuales sean adecuadas para la producción de gases biológicos, cuyo método comprende la recepción de una corriente de aguas residuales no tratadas primaria (16), el calentamiento de dicha corriente de aguas residuales no tratadas hasta una primera temperatura predeterminada de 95°C durante un tiempo de entre 10 y 20 minutos para, durante el uso, inactivar microorganismos patógenos de la corriente de aguas residuales, dejar que las aguas residuales calentadas se enfríen hasta una segunda temperatura predeterminada que, durante el uso, facilita el crecimiento, en la corriente de aguas residuales, de las bacterias termófilas anaerobias, el mantenimiento de la segunda temperatura predeterminada de la corriente de aguas residuales mientras se pasa dicha corriente a través de un reactor de biopelícula de lecho fluidizado (17, 21) en el cual hay bacterias termófilas anaerobias deseadas, la decantación, la clarificación y la separación de los productos de fermentación producidos en el reactor del flujo de salida de aguas residuales (18) del biorreactor y la devolución de las aguas residuales tratadas al medio ambiente, en cuyo procedimiento se usa el hidrógeno y/o el metano producidos por las bacterias termófilas anaerobias para aportar al menos parte de la energía requerida para calentar la corriente de aguas residuales no tratadas hasta su primera temperatura predeterminada y/o para mantener la segunda temperatura predeterminada de la corriente de aguas residuales.

DESCRIPCIÓN

Producción de hidrógeno y de metano a partir de corrientes de aguas residuales

Campo de la invención 5

Esta invención se relaciona con la producción de hidrógeno y de metano a partir de corrientes de aguas residuales y, más en particular, con el tratamiento de aguas residuales para facilitar la producción de hidrógeno y de metano en un reactor de biopelícula de lecho fluidizado.

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Antecedentes de la invención

Las aguas residuales negras brutas o no tratadas contienen muchas especies diferentes de organismos patógenos que son perjudiciales para los humanos, particularmente en regiones subdesarrolladas donde los habitantes usan los ríos nacionales con fuente de agua de bebida y para cocinar y lavarse en ellos. Con frecuencia, se recoge el 15 agua corriente abajo de un desagüe de una instalación de tratamiento de aguas negras o aguas residuales.

Aunque se puede llevar a cabo la esterilización de grandes volúmenes de aguas negras para inactivar patógenos, ésta es cara y con frecuencia se omiten controles estrictos. Esto exacerba el problema anterior.

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Un método de esterilización de grandes volúmenes de aguas negras sobre una base continua conlleva la inyección directa de vapor presurizado en las aguas negras. Se realiza esto por inyección directa o en una cámara de infusión.

Mediante las plantas modernas de tratamiento de aguas negras, se usa biogás (gas producido por microorganismos, normalmente bacterias anaerobias) para generar el vapor, reduciendo así la dependencia de la instalación de 25 tratamiento de aguas negras de la electricidad procedente de una red eléctrica nacional. Esto, sin embargo, presenta un inconveniente, en el sentido de que la esterilización por vapor no es selectiva y también elimina muchos microorganismos potencialmente beneficiosos normalmente implicados en la producción del hidrógeno y del metano, que son los componentes principales del biogás.

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Las bacterias utilizadas para producir biogás son bien conocidas en la técnica. Típicamente, se trata de bacterias anaerobias y pueden ser mesófilas o termófilas. Son ejemplos de dos grupos de bacterias anaerobias termófilas las del género Thermoanaerobacter, en particular T. ethanolicus, T. thermohydrosulfuricus y T. brockii, y Clostridium, en particular C. thermocellum y C. thermohydrosulfuricum.

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Aunque se puede producir biogás en cualquiera de una serie de biorreactores, los biorreactores de lecho fluidizado son cada vez más comunes. Normalmente, los sistemas de lecho fluidizado tienen una sola entrada en la base del lecho fluidizado. Se fluidifica el lecho de un biorreactor aumentando la velocidad de entrada del fluido en el fondo del biorreactor. Una sola entrada da lugar a un flujo de fluido que es paralelo al eje largo (vertical) del biorreactor en la base del biorreactor, pero que es propenso a restringirse a canales de menor resistencia. Estos canales se forman 40 habitualmente en el lado del biorreactor, muy cerca de las paredes del recipiente del biorreactor.

La ineficacia en la transferencia de masa, tal como la no dispersión de solutos uniformemente por todo el lecho del biorreactor, es una consecuencia negativa importante de la canalización del flujo en el lecho del biorreactor. Esto da lugar a un crecimiento y un desarrollo no uniformes de la biopelícula o de los gránulos microbianos sobre las 45 partículas portadoras en el biorreactor. Además, el crecimiento de la biopelícula y la formación de gránulos sólo se producen en la sección superior del lecho de partículas portadoras. La formación de la biopelícula y de los gránulos no se produce en el resto del lecho por debajo de esta sección superior. En consecuencia, no se produce ningún crecimiento en el lecho de biopelícula o gránulos desde la base del biorreactor, ni tampoco tiene lugar expansión alguna del lecho. 50

Pérez y col. (Comparative performance of high rate anaerobic thermophilic technologies treating industrial wastewater, Water Research, vol. 32, 1998, pp. 559-564) divulgan un procedimiento en una etapa en el que se tratan las aguas residuales de destilería en condiciones termofílicas anaerobias utilizando un reactor de lecho fluidizado a escala de laboratorio para la producción de metano e hidrógeno. Se calientan las aguas residuales hasta 55 55º C y se mantienen a esta temperatura para la producción de biogás.

En EE.UU. 4.845.034, se divulga la digestión anaerobia de corrientes de aguas residuales en cavidades subterráneas. Un ejemplo de aplicación es la gasificación. El procedimiento utilizado es un procedimiento en una etapa. 60

Objeto de la invención

Es un objeto de la invención proporcionar un procedimiento para la producción de hidrógeno y de metano a partir de corrientes de aguas residuales y, por lo tanto, facilitar la producción. 65

Resumen de la invención

Según esta invención, se facilita un procedimiento para la producción de hidrógeno y de metano a partir de corrientes de aguas residuales, haciendo así que, al menos parcialmente, dichas aguas residuales sean seguras para uso en una planta de procesado con biorreactor y haciendo que las aguas residuales sean adecuadas para la 5 producción de gases biológicos, cuyo método comprende recibir una corriente primaria de aguas residuales no tratadas, calentar dicha corriente de aguas residuales no tratadas hasta una primera temperatura predeterminada durante un tiempo predeterminado para, durante el uso, inactivar microorganismos patógenos en la corriente de aguas residuales, dejar que las aguas residuales calentadas se enfríen hasta una segunda temperatura predeterminada que, durante el uso, facilita el crecimiento, en la corriente de aguas residuales, de bacterias 10 termófilas anaerobias, mantener la segunda temperatura predeterminada de la corriente de aguas residuales mientras se pasa dicha corriente a través de un reactor de biopelícula de lecho fluidizado dentro del cual hay bacterias termófilas anaerobias deseadas, decantar, clarificar y separar los productos de fermentación producidos en el reactor del flujo de salida de aguas residuales del biorreactor y devolver las aguas residuales tratadas al medio ambiente. 15

También se estipula que la primera temperatura predeterminada sea de aproximadamente 95º C, que el tiempo predeterminado durante el cual se han de mantener las aguas residuales a la primera temperatura predeterminada sea de entre 10 y 20 minutos y que la segunda temperatura predeterminada no sea inferior a 70º C y preferiblemente sea de entre 70º C y 80º C. 20

También se estipula que la corriente de aguas residuales sea continuamente enriquecida, por inoculación, con bacterias termófilas anaerobias apropiadas después de haberse enfriado hasta su segunda temperatura predeterminada y que las bacterias termófilas anaerobias apropiadas tengan una gran capacidad de producción de hidrógeno y/o metano. 25

También se estipula que el hidrógeno y/o el metano producidos por las bacterias termófilas anaerobias sean utilizados para aportar al menos parte de la energía requerida para calentar la corriente de aguas residuales no tratadas hasta su primera temperatura predeterminada y/o para mantener la segunda temperatura predeterminada de la corriente de aguas residuales, y que el exceso de hidrógeno y/o metano sea utilizado en una variedad de otras 30 aplicaciones, tales como, por ejemplo, la generación de electricidad.

La invención se extiende a un biorreactor para uso en un procedimiento para la producción de hidrógeno y de metano a partir de corrientes de aguas residuales, haciendo así, al menos en parte, que dichas aguas residuales sean seguras para uso en una planta de procesado con biorreactor y haciendo que las aguas residuales sean 35 adecuadas para la producción de gases biológicos, teniendo el reactor una entrada primaria de corriente de aguas residuales no tratadas, un calentador para calentar la corriente de aguas residuales no tratadas hasta una primera temperatura predeterminada durante un tiempo predeterminado para, durante el uso, inactivar microorganismos patógenos en la corriente de aguas residuales, un circuito de refrigeración dentro del cual las aguas residuales calentadas se enfrían hasta una segunda temperatura predeterminada, un reactor de biopelícula de lecho fluidizado 40 que contiene bacterias termófilas anaerobias deseadas y una salida al medio ambiente para las aguas residuales tratadas, teniendo las aguas residuales en el reactor de biopelícula fluidizado un tiempo de retención en dicho reactor suficiente para mantener las aguas residuales en el reactor substancialmente a la segunda temperatura predeterminada.

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1. Un procedimiento para la producción de hidrógeno y metano a partir de corrientes de aguas residuales negras, haciendo así que, al menos en parte, dichas aguas residuales sean seguras para uso en una planta de procesado con biorreactor y haciendo que las aguas residuales sean adecuadas para la producción de gases biológicos, cuyo 5 método comprende la recepción de una corriente de aguas residuales no tratadas primaria (16) , el calentamiento de dicha corriente de aguas residuales no tratadas hasta una primera temperatura predeterminada de 95º C durante un tiempo de entre 10 y 20 minutos para, durante el uso, inactivar microorganismos patógenos de la corriente de aguas residuales, dejar que las aguas residuales calentadas se enfríen hasta una segunda temperatura predeterminada que, durante el uso, facilita el crecimiento, en la corriente de aguas residuales, de las bacterias termófilas 10 anaerobias, el mantenimiento de la segunda temperatura predeterminada de la corriente de aguas residuales mientras se pasa dicha corriente a través de un reactor de biopelícula de lecho fluidizado (17, 21) en el cual hay bacterias termófilas anaerobias deseadas, la decantación, la clarificación y la separación de los productos de fermentación producidos en el reactor del flujo de salida de aguas residuales (18) del biorreactor y la devolución de las aguas residuales tratadas al medio ambiente, en cuyo procedimiento se usa el hidrógeno y/o el metano 15 producidos por las bacterias termófilas anaerobias para aportar al menos parte de la energía requerida para calentar la corriente de aguas residuales no tratadas hasta su primera temperatura predeterminada y/o para mantener la segunda temperatura predeterminada de la corriente de aguas residuales.

2. Un procedimiento para la producción de hidrógeno y metano a partir de corrientes de aguas residuales negras 20 según se reivindica en la reivindicación 1, en el que la segunda temperatura predeterminada no es inferior a 70º C y preferiblemente es de entre 70º C y 80º C.

3. Un procedimiento para la producción de hidrógeno y metano a partir de corrientes de aguas residuales negras según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la corriente de aguas residuales 25 (16) es continuamente enriquecida con bacterias termófilas anaerobias apropiadas después de haberse enfriado hasta su segunda temperatura predeterminada, donde preferiblemente la corriente de aguas residuales es enriquecida por inoculación.

4. Un procedimiento para la producción de hidrógeno y metano a partir de corrientes de aguas residuales negras 30 según se reivindica en la reivindicación 3, en el que las bacterias termófilas anaerobias apropiadas tienen una gran capacidad de producción de hidrógeno y/o metano.