Procedimiento para la eliminación bacteriana de nitrato en aguas residuales y sistema biológico electrogénico.
Procedimiento para la eliminación bacteriana de nitrato en aguas residuales en un sistema biológico electrogénico y sistema biológico electrogénico para eliminar nitrato.
En el procedimiento, el influente se vierte en una cámara anaerobia (1), se circulan las aguas de la cámara anaerobia (1) a una cámara anóxica (3), de dicha cámara anóxica (3) a una cámara aerobia (4), de dicha cámara aerobia (4) a un decantador (5), se recirculan las aguas del decantador (5) a la cámara anaerobia (1) y se recoge el efluente de salida del decantador (5), donde un electrodo de cassette situado en la cámara anóxica (3) es polarizado a un voltaje de - 600 mV por un potenciostato (6), que conecta dicho electrodo de cassette con el electrodo de cassette situado en la cámara aerobia (4).
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201331936.
Solicitante: FUNDACIÓN CENTRO DE LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: ESTEVE NUÑEZ, ABRAHAM, BERNÁ GALIANO,Antonio, SALAS RODRÍGUEZ,Juan José, PIDRE BOCARDO,Juan Ramón, ARAGÓN CRUZ,Carlos Alberto, TEJEDOR SANZ,Sara, PASTOR ALCAÑIZ,Laura.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- C02F1/46 QUIMICA; METALURGIA. › C02 TRATAMIENTO DEL AGUA, AGUA RESIDUAL, DE ALCANTARILLA O FANGOS. › C02F TRATAMIENTO DEL AGUA, AGUA RESIDUAL, DE ALCANTARILLA O FANGOS (procedimientos para transformar las sustancias químicas nocivas en inocuas o menos perjudiciales, efectuando un cambio químico en las sustancias A62D 3/00; separación, tanques de sedimentación o dispositivos de filtro B01D; disposiciones relativas a las instalaciones para el tratamiento del agua, agua residual o de alcantarilla en los buques, p. ej. para producir agua dulce, B63J; adición al agua de sustancias para impedir la corrosión C23F; tratamiento de líquidos contaminados por radiactividad G21F 9/04). › C02F 1/00 Tratamiento del agua, agua residual o de alcantarilla (C02F 3/00 - C02F 9/00 tienen prioridad). › por procesos electroquímicos.
- C02F3/30 C02F […] › C02F 3/00 Tratamiento biológico del agua, agua residual o de alcantarilla. › Procedimientos aerobios y anaerobios.
Fragmento de la descripción:
CAMPO DE LA INVENCI6N
La presente invención pertenece al campo técnico del tratamiento biológico del agua residual; procedimientos aerobios y anaerobios. En concreto, la presente invención está 10 relacionada con la eliminación bacteriana de nitrato en aguas residuales en un sistema biológico electrogénico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCI6N
En el tratamiento de las aguas residuales, para la eliminación del nitrógeno presente en las mismas, se suele recurrir a la combinación de procesos de nitrificación y desnitrificación.
El proceso de nitrificación consiste en la oxidación del nitrógeno amoniacal hasta nitrato. Intervienen en este proceso dos géneros bacterianos, Nitrosomas y Nitrobacter. Los
Nitrosomas oxidan el amoniaco en nitrito, producto intermedio, mientras que los Nitrobacter transforman el nitrito en nitrato.
Para que se produzca la nitrificación es fundamental que existan concentraciones de oxígeno disuelto por encima de 1 mg/l. Si el nivel de oxígeno disuelto es inferior a este valor, 25 el oxigeno se convierte en el nutriente limitante del proceso, y puede producirse el cese o la ralentización de la nitrificación.
En la desnitrificaciónse consigue la eliminación del nitrato por conversión en nitrógeno gas (N 2) , bajo condiciones anóxicas. Las bacterias que participan en este proceso son heterótrofas, capaces de la reducción disimilatoria del nitrato, que es un proceso de dos etapas. El primer paso consiste en la conversión del nitrato en nitrito, y a continuación se producen óxido nítrico, óxido nitroso y nitrógeno gas.
Los tres últimos compuestos son gaseosos, y se pueden liberar a la atmósfera. En los 35 sistemas de desnitrificación, el parámetro crítico es la concentración de oxígeno disuelto. La presencia de oxígeno disuelto inhibe el sistema enzimático necesario para el desarrollo del
proceso de desnitrificación. Se requiere también una presencia de carbono orgánico (OBOs) suficiente, suele admitirse que para reducir 1 g de nitrato se necesitan 3 9 de OBOs no decantable.
La forma más habitual de llevar a cabo la eliminación del nitrógeno presente en las aguas residuales se conoce como proceso Ludzack-Ettinger modificado, y combina en una sola etapa nitrificación, desnitrificación y eliminación de materia carbonosa.
En este proceso, las aguas residuales objeto de tratamiento, se conducen a un reactor anóxico, situado en cabecera, donde las bacterias heterótrofas, procedentes de la recirculación de fangos, eliminan la materia orgánica del agua influente, utilizando los nitratos proporcionados por la propia recirculación de fangos y por una recirculación interna de licor mixto. Esta última se emplea porque la recirculación de fangos no aporta la cantidad de nitratos suficientes para conseguir elevadas eliminaciones de los mismos, y porque un incremento de este caudal podría perturbar el funcionamiento del decantador secundario.
El uso de un electrodo, como donador de electrones para microorganismos denominados electrogénicos, permite la catálisis de reacciones de reducción de, entre otros compuestos, los nitratos y los nitritos, hasta compuestos más reducidos como el nitrógeno molecular (Gregor y K. et al. Graphite electrodes as electron donors for anaerobic respiration.Environmental Microbiology, 6 (6) (2004) , pp.596-604; Clauwaert, P. et al. Biological denitrification in microbial fuel cells. Environmental Science and Technology, 41
(9) (2007) , pp. 3354-3360) . Hasta ahora, estos procesos se han llevado a cabo en los cátodos de celdas bioelectroquímicas clásicas de dos cámaras (Virdism, B. et al. Simultaneous nitrification, denitrification and carbon removal in microbial fuel cells. Water Research, 44 (9) (2010) , pp. 2970-2980) , en reactores diseñados con un electrodo rotatorio (Sayessa, R. R. et al, Reactor performance in terms of COO and nitrogen removal and bacterial community structure of a three-stage rotating bioelectrochemical contactor. WaterResearch, 47 (2) (2013) , pp. 881-894) , o en sistemas tubulares (Zhang, F. y He, Z. Simultaneous nitrification and denitrification with electricity generation in dual-cathode microbial fuel cells. Journal of ChemicalTechnology and Biotechnology, 87 (2012) , pp. 153159) . La mayoría de estas configuraciones necesitan de una etapa externa de oxidación del amonio hasta nitrato, para conseguir eliminar el nitrógeno del agua residual.
La principal ventaja que presenta el fenómeno de desnitrificación electrogénica frente al tratamiento clásico, es la posibilidad de eliminarel nitrógeno con ratios de OQO/N muy bajos, ya que el propio electrodo actúa como aceptor de electrones inagotable en el medio. Esto elimina la necesidad de añadir materia orgánica externa y, además, reduce la producción de biomasa, y, por tanto, la generación de fangos.
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
Una realización preferida de la invención es un procedimiento para la eliminación bacteriana de nitrato en aguas residuales en un sistema biológico electrogénico, donde (a) el influente se vierte en una cámara anaerobia (1) ,
(b) se circulan las aguas de la cámara anaerobia (1) a una cámara anóxica (3) , de dicha cámara anóxica (3) a una cámara aerobia (4) , de dicha cámara aerobia (4) a un decantador (5) ,
(c) se recirculan las aguas del decantador (5) a la cámara anaerobia (1) y se recoge el efluente de salida del decantador (5) ,
donde un electrodo de cassette situado en la cámara anóxica (3) es polarizado a un voltaje de -600 mV por un potenciostato (6) , que conecta dicho electrodo de cassette con el electrodo de cassette situado en la cámara aerobia (4) , en adelante procedimiento de la invención.
En la presente invención, el voltaje indicado corresponde a un voltaje frente a un electrodo de referencia de Ag/AgCI.
Otra realización es el procedimiento de la invención, donde dichos electrodos de cassette son de fibra de carbono.
Otra realización preferida de la invención es un sistema biológico electrogénico para eliminar nitrato, que comprende una cámara anaerobia (1 ) , una cámara anóxica (3) , una cámara aerobia (4) y un decantador (5) , y por que la cámara anóxica (3) y la cámara aerobia (4) comprenden un electrodo de cassette, donde el electrodo de cassette de la cámara anóxica (3) Y el electrodo de cassette de la cámara aerobia (4) están conectados a un potenciostato (6) , en adelante sistema de la invención.
Otra realización es el sistema de la invención, donde dicho electrodo de cassette es de fibra de carbono.
Los electrodos de cassette de fibra de carbono están sujetos mediante unas guías instaladas dentro de la cámara anóxica (3) y la cámara aerobia (4) .
El procedimiento de la invención cuenta con una ventaja respecto a los procedimientos alternativos de eliminación de nitrato, la eliminación de la adición externa de un donador de electrones orgánico (metanol) para estimular la desnitrificaciÓn. En el procedimiento de la invención, el electrodo de cassette de fibra de carbono de la cámara anóxica (3) actúa como donador de electrones.
BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1. Esquema general del sistema biológico electrogénicode la invención, mostrando la ubicación de los electrodos dentro de la cámara anóxica (3) y la cámara aerobia (4) .
Figura 2. Eliminación de nitrato con el sistema biológico electrogénico de la invención.
MODOS DE REALIZACiÓN PREFERENTE
Ejemplo 1. Depuración de aguas residuales y eliminación de nitrato con el procedimiento de 20 la invención.
Se configuró un sistema biológico electrogénico, que comprende una cámara anaerobia (1) situada en cabecera, a continuación (en la dirección del flujo de las aguas) , una cámara anóxica (3) , a continuación, una cámara aerobia (4) , y a continuación un decantador (5) . En la Figura 1 se muestra un esquema de este sistema biológico electrogénico.
Se incorporaron dos electrodos de cassette de fibra de carbono sujetos mediante unas guías instaladas dentro del reactor en la cámara aerobia (4) y en la cámara anóxica (3) . Los electrodos se conectaron a un potenciostato (6) a -600 mV, que permitió el flujo de electrones desde el contraelectrodo hacia el cassette conductor, donde las bacterias los recogieron y utilizaron para la reducción de nitrato a N2, con la consiguiente eliminación del nitrógeno en las aguas tratadas.
La corriente eléctrica se consume en la cámara anóxica por efecto de la reducción de 35 nitrato, los electrones pasan del electrodo de la cámara aerobia hasta el potenciostato y luego al electrodo de la cámara anóxica.
El...
Reivindicaciones:
1. Procedimiento para la eliminación bacteriana de nitrato en aguas residuales en un
sistema biológico electrogénico, caracterizado por que
5 (a) el influente se vierte en una cámara anaerobia (1) ,
(b) se circulan las aguas de la cámara anaerobia (1) a una cámara anóxica (3) , de dicha
cámara anóxica (3) a una cámara aerobia (4) , de dicha cámara aerobia (4) a un
decantador (5) ,
(c) se recirculan las aguas del decantador (5) a la cámara anaerobia (1) Y se recoge el
10 efluente de salida del decantador (5) ,
donde un electrodo de cassette situado en la cámara anóxica (3) es polarizado a un
voltaje de -600 mV por un potenciostato (6) , que conecta dicho electrodo de cassette
con el electrodo de cassette situado en la cámara aerobia (4) .
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que dichos electrodos de
15 cassette son de fibra de carbono.
3. Sistema biológico electrogénico para eliminar nitrato, caracterizado por que comprende
una cámara anaerobia (1) , una cámara anóxica (3) , una cámara aerobia (4) y un
decantador (5) , y por que la cámara anóxica (3) y la cámara aerobia (4) comprenden un
electrodo de cassette, donde el electrodo de cassette de la cámara anóxica (3) y el
20 electrodo de cassette de la cámara aerobia (4) están conectados a un potenciostato (6) .
4. Sistema según la reivindicación 3, caracterizado por que dicho electrodo de cassette es
de fibra de carbono.
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