Reactor y procedimiento mejorados de purificación biológica de aguas residuales.

Un reactor de purificación biológica que comprende

un espacio para la expansión y eliminación de lodo (2) con un volumen V;

un sistema de inyección de gas (4) situado en un área inferior cercana a la parte inferior de dicho espacio para la expansión y eliminación de lodo (2);

un sistema de inyección de fluido (3) situado en la parte inferior de dicho espacio para la expansión y eliminación de lodo (2), o encima del mismo;

y un filtro biológico,

en el que dicho filtro biológico comprende un lecho empaquetado de partículas (5) retenidas en una parte inferior de dicho reactor mediante un techo de retención perforado (6) contra el desplazamiento ascendente, y un volumen de partículas móviles (10) situadas en el interior de dicho espacio para la expansión y eliminación de lodo (2) y encima del sistema de inyección de fluido (3), en el que las partículas de dicho lecho empaquetado (5) y del volumen de partículas móviles (10) son portadores para la película microbiana,

en el que las partículas de dicho lecho empaquetado (5) tienen una densidad aparente entre 35 y 65 kg/m3, en el que las partículas móviles (10) tienen una densidad entre 900 y 1200 kg/m3, que es mayor que la densidad de las partículas del lecho empaquetado (5),

y en el que las partículas móviles (10) son portadores huecos que tienen pasajes de flujo internos y comprenden un área de superficie protegida para permitir el crecimiento de la película microbiana protegida contra la colisión con las superficies de otros elementos portadores, y el tamaño de las partículas del lecho empaquetado (5) es mayor que los pasajes de flujo internos más grandes de las partículas móviles.

Reactor y procedimiento mejorados de purificación biológica de aguas residuales Campo de la invención La presente invención se refiere al área de purificación biológica de aguas residuales, específicamente a las aguas residuales municipales, aguas residuales industriales y agua y agua de distribución que se van a transformar en agua potable. En particular, se refiere a un proceso de purificación, en donde el agua que va a ser tratada y el gas oxigenado se envían en corrientes paralelas ascendentes en el mismo reactor o filtro biológico que comprende un lecho empaquetado y un volumen de portadores móviles como un material de filtración biológico.

Antecedentes de la invención Se conoce que el tratamiento biológico, por ejemplo de agua, consiste en degradar las impurezas orgánicas mediante la acción de una biomasa purificadora que se encuentra libre o fija y que contiene una diversidad de microorganismos tales como bacterias, levaduras, protozoos, metazoos, etc. En el procedimiento que utiliza biomasa libre, como lodos activados, es imposible alcanzar una alta concentración de las diversas especies de microorganismos que tienen poca capacidad de sedimentación, ya que la concentración de la biomasa se obtiene mediante sedimentación. Por lo tanto, el procedimiento está limitado en lo que se refiere a la carga aplicable en términos de demanda biológica de oxígeno (BOD, por sus siglas en inglés) y demanda química de oxígeno (COD, por sus siglas en inglés) . En un sistema con una biomasa fija, la concentración de la biomasa (con las bacterias) se obtiene al hacer que las bacterias se adhieran a un medio portador. De este modo, la capacidad de sedimentación ya no es el criterio esencial y esta técnica posee un potencial de purificación mucho mayor que aquel de los procedimientos habituales.

Entre los procedimientos más eficaces que se basan en el principio de purificación con biomasa fija, se pueden mencionar particularmente aquellos patentados y desarrollados por el solicitante, en un solo reactor de flujo ascendente de un lecho granular constituido por dos zonas con diferente granulometría y distintas características biológicas (patentes francesas n.º 76 21246, publicada con el n.º 2 358 362; n.º 78 30282, publicada con el n.º 2 439 749; n.º 86 13675, publicada con el n.º 2 604 990) .

En las denominadas técnicas con biomasa libre, se hará referencia especialmente a procedimientos que utilizan lechos fluidizados, en donde el material que se utiliza como filtro biológico consiste en productos que tienen una densidad menor que 1, tales como, por ejemplo, polímeros expandidos, de acuerdo con procesos que actualmente son de dominio público (patente francesa n.º 1 363 510 con fecha de 1963; patente de Reino Unido n.º 1 034 076 con fecha de 1962) , cuyas diversas modalidades han dado origen a un gran número de patentes de invención (patentes francesas n.os 330 652, 2406 664, 2 538 800; patente estadounidense n.º 4 256 573; patente japonesa n.º 58-153 590, etc.) .

El uso de estos materiales flotantes y de lechos granulares fluidizados es prometedor en sí mismo, pero conlleva una serie de dificultades y a menudo presenta inconvenientes. Por ejemplo, si se fluidifican materiales más pesados que el agua (tal como arena o materiales similares) , entonces se requiere una considerable entrada de energía para bombear el líquido y es difícil controlar la contención de los materiales en el interior del reactor. Para resolver este inconveniente de consumo de energía, se ha propuesto el uso de un lecho fluidizado con materiales ligeros que tenga una densidad menor que el agua, con una insuflación de aire en la base del lecho pero con un suministro de agua descendente (patente estadounidense n.º 4 256 573 y patente japonesa n.º 58 153590 anteriormente mencionadas) . Sin embargo, a partir de una determinada velocidad de flujo descendente del agua, las burbujas de aire se atrapan en el interior del material, o bien son arrastradas por el flujo líquido y no es posible airear el reactor de manera adecuada.

Las dificultades de la técnica anterior se han resuelto mediante el desarrollo de un sistema que se describe en la solicitud EP0504065 del solicitante, en donde en un solo reactor o filtro biológico con corrientes paralelas ascendentes de agua y gas, los medios filtrantes y el medio de soporte bacteriano utilizados es un lecho fijo de partículas que tienen una densidad menor que el agua, con una densidad aparente de 35 a 65 kg/m3. En particular, se prefiere el uso de esferas de poliestireno expandido con un tamaño granulométrico que varíe de 2 mm a 6 mm y con una gravedad específica aparente de al menos 0, 035. En la práctica, el rango de gravedad específica aparente está preferentemente entre 0, 035 y 0, 065.

Se ha demostrado que solo una rigurosa selección del rango de gravedad específica aparente deseado anteriormente mencionado hace posible obtener una purificación que es altamente eficiente y estable en el tiempo. De hecho, se ha observado que al utilizar de esferas de poliestireno con una gravedad específica aparente menor de 0, 035, el material da lugar a fenómenos de aplastamiento y hundimiento del techo de retención, causando por tanto pérdidas significativas de carga hidráulica y obstrucción grave del lecho. Es más, el uso de esferas de poliestireno con una gravedad específica aparente mayor de 0, 065 no solo implica dificultades técnicas de consecución sino que, además, provoca que el material se elimine de una manera repentina cuando el lecho está sometido a lavado a contracorrientes, y por tanto supone pérdidas inaceptables.

El reactor del documento EP0504065 comprende, de la parte inferior a la superior: una zona para la expansión y eliminación de lodo de los medios y la sedimentación de lodo aflojado; al menos un dispositivo de inyección de aire; una zona de material de filtración constituida por una capa de las partículas ligeras anteriormente mencionadas, un techo de hormigón u otro material perforado, y, finalmente, en la parte superior del reactor, una zona de almacenamiento de agua de lavado, en cuya punta está prevista la eliminación del efluente tratado.

Otro reactor desarrollado por el solicitante se describe en el documento EP0347296, en donde el reactor está equipado con un lecho fluidizado inferior y un lecho fijo superior para la filtración. Las partículas de los lechos se componen de partículas expandidas que tienen una densidad menor que 1. Las partículas del lecho fijo son más pequeñas y más ligeras que las del lecho fluidizado.

En este sistema también se utiliza un solo reactor o filtro biológico con corrientes paralelas ascendentes de agua y gas oxigenado. Para la combinación de los dos lechos superpuestos anteriormente mencionados, el proceso de acuerdo con el documento EP0347296 incorpora materiales que son más ligeros que el agua pero cuyas propiedades de granulometría, densidad y altura de lecho varían, de tal manera que se obtiene, por un lado, una fluidificación del lecho inferior durante la inyección de gas oxigenado sin la alteración considerable del lecho superior y, por otro lado, una reclasificación "automática" de las dos capas o lechos durante la fase en la que los materiales ligeros se expanden cuando se lavan con una contracorriente.

En reposo, estas dos capas de materiales más ligeros que el agua se adhieren una a la otra debido a sus densidades diferentes. Esta clasificación se mantiene mientras el filtro se lava con la contracorriente. Cuando se introduce aire en la base del filtro mediante un dispositivo de difusión, la mezcla de aire y agua que pasa a través de los materiales tiene una densidad similar a las partículas de la capa inferior anteriormente mencionada. En este caso, el lecho inferior se fluidifica por el movimiento ascendente de las burbujas de gas oxigenado, lo que ocasiona un intercambio intensivo entre los gases, el agua que va a ser tratada y la "biopelícula" que se adhiere a las partículas del lecho.

Para el lecho fluidizado inferior, la granulometría puede variar de 3 a 15 mm, la masa volumétrica por lo general se encuentra entre 300 y 800 g/l y la altura del lecho varía de 0, 2 a 2 metros, dependiendo del tipo de reactor utilizado; en el lecho fijo superior, el diámetro medio de las partículas ligeras es de 1 a 10 mm, mientras que la masa volumétrica varía de 20 a 100 g/l y la altura puede variar de 0, 5 a 3 metros. Finalmente, en el caso de la variación anteriormente mencionada, la capa superior que se superpone al lecho superior comprende partículas que tienen un tamaño de 3 a 20 mm, que tienen una masa volumétrica de 10 a 50 g/l y una altura o grosor de 0, 10 a 0, 50 metros.

Las partículas de materiales ligeros que pueden utilizarse... [Seguir leyendo]

1. Un reactor de purificación biológica que comprende un espacio para la expansión y eliminación de lodo (2) con un volumen V; un sistema de inyección de gas (4) situado en un área inferior cercana a la parte inferior de dicho espacio para la expansión y eliminación de lodo (2) ; un sistema de inyección de fluido (3) situado en la parte inferior de dicho espacio para la expansión y eliminación de lodo (2) , o encima del mismo; y un filtro biológico, en el que dicho filtro biológico comprende un lecho empaquetado de partículas (5) retenidas en una parte inferior de dicho reactor mediante un techo de retención perforado (6) contra el desplazamiento ascendente, y un volumen de partículas móviles (10) situadas en el interior de dicho espacio para la expansión y eliminación de lodo (2) y encima del sistema de inyección de fluido (3) , en el que las partículas de dicho lecho empaquetado (5) y del volumen de partículas móviles (10) son portadores para la película microbiana, en el que las partículas de dicho lecho empaquetado (5) tienen una densidad aparente entre 35 y 65 kg/m3, en el que las partículas móviles (10) tienen una densidad entre 900 y 1200 kg/m3, que es mayor que la densidad de las partículas del lecho empaquetado (5) , y en el que las partículas móviles (10) son portadores huecos que tienen pasajes de flujo internos y comprenden un área de superficie protegida para permitir el crecimiento de la película microbiana protegida contra la colisión con las superficies de otros elementos portadores, y el tamaño de las partículas del lecho empaquetado (5) es mayor que los pasajes de flujo internos más grandes de las partículas móviles.

2. El reactor de purificación biológica de la reivindicación 1, en el que el volumen V del espacio para la expansión y eliminación de lodo (2) se encuentra entre 30% y 50% del volumen total debajo del techo de retención perforado (6) del reactor de purificación biológica.

3. El reactor de purificación biológica de las reivindicaciones 1 o 2, en el que del 20% al 70% del volumen V del espacio para la expansión y eliminación de lodo (2) se rellena con partículas móviles (10) .

4. El reactor de purificación biológica de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las partículas del lecho empaquetado son partículas expandidas que tienen un tamaño granulométrico de 2 a 6 mm, preferentemente de 3 a 6 mm.

5. El reactor de purificación biológica de las reivindicaciones 1 a 4, en el que las partículas móviles (10) tienen un área de superficie específica total para permitir el crecimiento de la película microbiana de entre 600 y 1800 m2/m3 de volumen de elemento de partícula y pasajes de flujo diseñados para permitir el flujo adecuado de agua y gas a través de los portadores.

6. El reactor de purificación biológica de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las partículas móviles (10) tienen un área de superficie muy protegida de entre 500 y 1600 m2/m3 de volumen de elemento de partícula.

7. El reactor de purificación biológica de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la longitud y la anchura de las partículas móviles (10) varían entre 10 y 60 mm y su grosor varía entre 2 y 30 mm.

8. El reactor de purificación biológica de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el sistema de inyección de fluido (3) situado en la parte inferior de dicho espacio para la expansión y eliminación de lodo (2) , o encima del mismo, comprende aberturas (15) , que son menores que el tamaño mínimo de las partículas móviles (10) .

9. Un procedimiento de purificación biológica de aguas residuales, que comprende

(i) proporcionar un reactor de purificación biológica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8;

(ii) hacer pasar agua a purificar de manera biológica en sentido ascendente a través de dicho reactor y a través del volumen de partículas móviles (10) y el lecho empaquetado (5) que constituye dicho filtro biológico, así como inyectar gas, de manera simultánea, en el espacio para la expansión y eliminación de lodo (2) y hacer pasar dicho gas en sentido ascendente en una dirección de flujo en corriente paralela con tal agua que va a ser purificada de manera biológica a través de dicho filtro biológico;

(iii) realizar el retrolavado de manera periódica de dicho volumen de partículas móviles (10) y del lecho empaquetado (5) mediante la aplicación de descargas rápidas en una dirección de flujo en contra corriente del agua tratada y almacenada en una parte superior (7) de dicho reactor.

10. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que la etapa de retrolavado se lleva a cabo a un caudal de descarga de agua de 30 a 100 m/h.

11. El procedimiento de las reivindicaciones 9 o 10, en el que las etapas de inyección de gas se llevan a cabo en forma secuencial durante el retrolavado.

12. El procedimiento de las reivindicaciones 9 a 11, que además comprende la etapa de llevar a cabo, de manera periódica, operaciones breves de minilavado por descarga de agua para aflojar los sólidos suspendidos en el interior de dicho volumen de partículas móviles (10) y del lecho empaquetado (5) y permitir una operación más larga entre

dos ciclos de retrolavado

13. Una planta de tratamiento de agua que comprende de una o más baterías de biorreactores de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8, en la que cada batería de biorreactores comprende de 1 a 20, y más preferentemente de 4 a 12 biorreactores que se encuentran en operación paralela.

14. La planta de tratamiento de agua de acuerdo con la reivindicación 13, en la que la planta de tratamiento de agua comprende de 1 a 10 baterías de biorreactores.

15. La planta de tratamiento de agua de acuerdo con las reivindicaciones 13 o 14, en la que la operación de retrolavado se lleva a cabo para un biorreactor por batería a la vez.