Sistema bioelectroquímico y procedimiento para la eliminación de materia orgánica y compuestos nitrogenados de aguas residuales.

Sistema bioelectroquímico y procedimiento para la eliminación de materia orgánica y compuestos nitrogenados de aguas residuales.

Sistema y procedimiento bioelectroquímico (1) para la eliminación de materia orgánica y compuestos nitrogenados de aguas residuales; donde dicho sistema comprende una pluralidad de pilas biológicas (2, 3) conectadas entre sí, las cuales presentan respectivamente: una cámara anódica (2) configurada para oxidar la materia orgánica de dichas aguas residuales, y una cámara catódica (3) configurada para reducir los compuestos nitrogenados de dichas aguas; donde las pilas biológicas (2, 3) están conectadas entre sí a través de un canal (12a, 12b) por donde circulan las aguas residuales; el cual presenta dos tramos de circulación: un primer tramo (12a) de oxidación de la materia orgánica discurriendo a través de la pluralidad de las cámaras anódicas (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f) de cada una de las pilas biológicas (2, 3); y un segundo tramo (12b) de reducción de los compuestos nitrogenados discurriendo a través de la pluralidad de las cámaras catódicas (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) de cada una de las pilas biológicas (2, 3).

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Sistema bioelectroquímico y procedimiento para la eliminación de materia orgánica y compuestos nitrogenados de aguas residuales

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema bioelectroquímico para la eliminación de materia orgánica y compuestos nitrogenados de aguas residuales, y el procedimiento asociado al mismo, estando dicho sistema englobado en el sector de tratamientos de aguas y medioambiente; y aclarando el concepto de aguas residuales como efluentes de origen urbano y/o industrial con cierto contenido en contaminantes tales como materia orgánica, nitrógeno y fósforo; pudiendo considerarse también cualquier aguas subterráneas o de cualquier otro origen.

Este sistema tiene como finalidad principal reducir el contenido en contaminantes de aguas residuales, además de ser capaz de generar energía eléctrica a partir de dicha reducción de contaminantes, ocupar un espacio reducido, ahorrar en la gestión y deposición de fangos, reducir las emisiones de gases que provocan el efecto invernadero, así como precisar de un menor consumo energético, eléctrico y de oxígeno, en comparación con los sistemas de tratamiento de aguas residuales actualmente utilizados.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

A modo de introducción, en la actualidad es conocido que las aguas residuales poseen un alto grado de contaminantes. El tipo y clasificación de tales contaminantes depende del origen de las aguas, siendo los contaminantes más comunes: la materia orgánica medida normalmente en términos de Demanda Química de Oxígeno, en adelante DQO, y los compuestos nitrogenados, generalmente presentes en forma de amonio y nitrógeno orgánico (medidos en términos de Nitrógeno Total Kjeldahl, NTK) , nitritos y nitratos.

En este contexto, y focalizando en la eliminación de la materia orgánica, existen sistemas convencionales de tratamiento de las aguas residuales que suelen consistir en sistemas P201430459

biológicos aerobios, los cuales requieren de una serie de operaciones sencillas, y dan lugar a una alta eficiencia de tratamiento. La ejecución de dichas operaciones requiere disponer de unas turbinas hidráulicas que facilitan la oxigenación de las aguas residuales, y con ello la reducción de la materia orgánica existentes en ella. Sin embargo, estos sistemas presentan altos costes de operación asociados a la aireación y el tratamiento de los lodos generados, siendo los costes de aeración de aproximadamente 0, 5 kWh/m3 (30 kWh/hab.eqaño) y los costes asociados al tratamiento de los fangos superiores a 500 ?/tonelada materia seca.

Para poder reducir los costes y el volumen de las instalaciones aerobias para el tratamiento de la materia orgánica de las aguas residuales, se contempla una alternativa vinculada a los sistemas anaerobios. Estos sistemas producen biogás (mezcla de metano y dióxido de carbono) a partir de la materia orgánica, existiendo una recuperación de energía eléctrica y calorífica (aproximadamente 1 kWh por 1 kg DQO tratada) . Pero los procesos anaerobios actualmente utilizados presentan una serie de inconvenientes asociados a la actividad de las bacterias metanogénicas (que catalizan la degradación de la materia orgánica y la producción del biogás) , debido a que la elevada sensibilidad de éstas se traduce en un inhibición de la última etapa del proceso anaerobio (metanogénesis) cuando los parámetros de operación se alejan de los valores óptimos (condiciones estrictas anaerobias, pH próximo a 7 y temperatura de 35 ºC, entre otros) ; y por ello los resultados de reducción de contaminantes no son los esperados.

También se puede considerar como un inconveniente adicional de la digestión anaerobia el que tiene aplicación fundamentalmente en aguas con alta carga orgánica, tomando como valor de referencia una cantidad superior a 5 Kg DQO/m3día, no aplicándose en aguas con contenidos medios o bajos de materia orgánica y/o con presencia de compuestos nitrogenados, ya que la digestión anaerobia no es capaz de eliminar el nitrógeno existente en dichas aguas residuales.

En este sentido, y para evitar los inconvenientes anteriormente descritos, existen soluciones que abordan esas problemáticas, y que se concentran en el uso de pilas microbiológicas o células electrolíticas microbiológicas. Donde la esencia de este tipo de pilas radica en que son capaces de degradar compuestos orgánicos y componentes nitrogenados y generar P201430459

electricidad, utilizando los microorganismos como catalizadores. Y donde el funcionamiento de estas pilas microbiológicas se basa en dos etapas:

- En primer lugar se produce la oxidación de la materia orgánica, que actúa como sustrato donador de electrones, a dióxido de carbono (CO2) , la cual se lleva a cabo en un compartimento anódico; y posteriormente -se produce la reducción del oxígeno a agua (H2O) , que actúa como sustrato aceptor de electrones, en un compartimento catódico.

De esta forma, la unión de ambos compartimentos con material conductor produce un flujo de electrones del ánodo al cátodo capaz de generar electricidad. El ánodo y el cátodo tienen que estar separados por una membrana iónica, usualmente catiónica, que permite el paso de protones generados a partir de la oxidación de la materia orgánica en el ánodo hacia el cátodo para compensar las cargas eléctricas negativas o electrones procedentes del ánodo En este contexto, y durante los últimos años, la investigación de las pilas biológicas ha ido evolucionando con respecto a las configuraciones de trabajo, pero sobre todo, buscando una aplicabilidad adicional a los cátodos. Así pues, se han introducido los biocátodos que, al igual que los ánodos, contienen microorganismos electrótrofos que son usados como catalizadores para llevar a cabo las reacciones de reducción. De forma que una de las aplicaciones más extensas con biocátodos es la eliminación simultánea de materia orgánica y nitrógeno, donde la oxidación de la primera se produce en el ánodo y la reducción del segundo (concretamente los nitratos) se realiza en el cátodo.

En relación al estado del arte vinculado al tratamiento de aguas residuales, cabe destacar la solicitud de patente estadounidense de número de publicación US 2010/0304226, en la cual se describe una pila de combustible biológica donde en el ánodo se produce la oxidación de la materia orgánica, y en el cátodo se produce una nitrificación aireada.

Esta solución tiene la ventaja de que precisa el uso de sistemas bioelectroquímicos utilizando microorganismos para tratar las aguas residuales al mismo tiempo que se genera energía eléctrica. De forma que en este sistema, los compuestos orgánicos son oxidados por los microorganismos electrótrofos, los cuales son donadores de electrones y protones.

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Al mismo tiempo, los electrones se transfieren del ánodo al cátodo a través de una resistencia, mientras que los protones atraviesan la cámara anódica a catódica a través de una membrana. Y es en el cátodo, donde los microorganismos aceptores de electrones reducen los compuestos nitrogenados autotróficamente; y de este modo se evita añadir materia orgánica, reduciéndose los costes así como el riesgo de sobrecrecimiento en los sistemas a tratar debido a que los organismos autótrofos crecen más despacio y producen menos biomasa.

Sin embargo, los sistema bioelectroquímicos tipo biocátodos plantean una serie de inconvenientes centrados todos ellos en el tratamiento de los compuestos nitrogenados. De acuerdo a la solicitud de patente estadounidense US 2010/0304226, en el cátodo se produce la nitrificación aireada, pero esta oxidación de amonio a nitrato precisa de una desnitrificación para poder reducir el nitrato a nitrógeno gas, y de ese modo poder verter las aguas depuradas al espacio medioambiental próximo. Los sistemas biocátodos precisan de un control de los niveles de oxígeno ya que el proceso de nitrificación se ve favorecido con altos niveles de dicho gas; sin embargo, el proceso de desnitrificación debe realizarse en condiciones anóxicas (sin oxígeno) . Los estudios científicos concluyen que a niveles altos de oxígeno (superiores a 0, 8 mgL-1, aproximadamente) , se perjudica al proceso de desnitrificación, al ocurrir inhibición de dicho proceso.

Adicionalmente la solución propuesta en la solicitud de patente estadounidense US 2010/0304226, una vez puesta en marcha en un sistema para aplicar en un contexto real, da lugar a que la oxidación de la materia orgánica en el ánodo no obtiene unos resultados óptimos, ya que requiere un elevado tiempo de residencia.

Es por ello que, a la vista de los inconvenientes descritos en relación a los tratamientos...

1. Sistema bioelectroquímico (1) para la eliminación de materia orgánica y compuestos nitrogenados existentes en aguas residuales , donde dicho sistema bioelectroquímico (1) comprende una pluralidad de pilas biológicas (2, 3) , las cuales presentan respectivamente: -una cámara anódica (2) configurada para oxidar la materia orgánica de dichas aguas residuales, donde dicha oxidación libera una serie de electrones; -una cámara catódica (3) configurada para reducir los compuestos nitrogenados de dichas aguas residuales, donde dicha reducción recibe una serie de electrones provenientes de la oxidación de la cámara anódica (2) ; y -una membrana de intercambio iónico (8) ubicada entre la cámara anódica (2) y la cámara catódica (3) ; donde dicho sistema bioelectroquímico (1) está caracterizado por que las pilas biológicas (2, 3) están conectadas entre sí a través de al menos un canal (12a, 12b) configurado para la circulación de las aguas residuales a tratar; donde dicho, al menos un, canal (12a, 12b) presenta dos tramos de circulación de las aguas residuales: -un primer tramo (12a) de oxidación de la materia orgánica de las aguas residuales, donde el primer tramo (12a) discurre a través de la pluralidad de las cámaras anódicas (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f) de cada una de las pilas biológicas (2, 3) ; y -un segundo tramo (12b) de reducción de los compuestos nitrogenados de las aguas residuales, donde el segundo tramo (12b) discurre a través de la pluralidad de las cámaras catódicas (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) de cada una de las pilas biológicas (2, 3) .

2. Sistema bioelectroquímico (1) , según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un reactor nitrificante (5) aireado ubicado entre el primer tramo (12a) y el segundo tramo (12b) de dicho, al menos un, canal (12a, 12b) ; donde dicho reactor nitrificante (5) externo está configurado para oxidar los compuestos nitrogenados de las aguas residuales del primer tramo (12a) proveniente de una última cámara anódica (2f) de una última pila biológica (2f, 3f) ; e introducir las aguas residuales resultantes de dicha oxidación en el reactor nitrificante (5) hacia el segundo tramo (12b) que comienza en una última cámara catódica (3f) de la última pila biológica (2f, 3f) .

3. Sistema bioelectroquímico (1) , según la reivindicación 2, caracterizado por que la membrana (8) de intercambio es una membrana de intercambio aniónico (8a) .

4. Sistema bioelectroquímico (1) , según cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado por que el reactor nitrificante (5) externo comprende una sonda de oxígeno (13) configurada para regular la cantidad de oxígeno en el interior de dicho reactor nitrificante (5) externo.

5. Sistema bioelectroquímico (1) , según la reivindicación 1, caracterizado por que cada cámara catódica (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) de cada pila biológica (2, 3) comprende medios de aireación (6) configurados para nitrificar los compuestos nitrogenados de las aguas residuales; de forma que cada cámara catódica (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) está configurada para nitrificar los compuestos nitrogenados gracias a los medios de aireación (6) , y desnitrificar dichos compuestos nitrogenados gracias a la reducción de éstos debido al aporte de electrones provenientes de cada una de las correspondientes cámaras anódicas (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f) .

6. Sistema bioelectroquímico (1) , según la reivindicación 5, caracterizado por que la membrana (8) de intercambio es una membrana de intercambio catiónico (8b) .

7. Sistema bioelectroquímico (1) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al menos un elemento condensador (4) se encuentra conectado a cada pila biológica (2, 3) ; donde dicho elemento condensador (4) está configurado para recibir electrones de cada cámara anódica (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f) , y suministrar electrones a cada cámara catódica (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) .

8. Sistema bioelectroquímico (1) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada cámara anódica (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f) de cada pila biológica (2, 3) presenta en su interior una comunidad microbiana encargada de oxidar la materia orgánica de las aguas residuales.

9. Sistema bioelectroquímico (1) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada cámara catódica (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) de cada pila biológica (2, 3) presenta en su interior una pluralidad de microorganismos desnitrificantes encargada de reducir el compuesto nitrogenado de las aguas residuales.

10. Sistema bioelectroquímico (1) , según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada pila biológica (2, 3) está formada por una pareja de estructuras prismáticas (11) de base rectangular que definen respectivamente la cámara anódica (2) y catódica (3) , donde cada estructura prismática (11) presenta un marco perimetral (9) ; de forma que: -el marco perimetral (9) de la estructura prismática (11) de la cámara anódica (2e) posee cuatro esquinas (9a, 9b, 9c, 9d) , donde una de ellas (9a) comprende un orificio pasante perteneciente al segundo tramo (12b) del canal (12a, 12b) de las aguas residuales, y está configurado para permitir el paso de las aguas residuales desde las cámaras catódicas (3e, 3f) ubicadas entre dicha cámara anódica (2e) ; y donde dos esquinas opuestas (9b, 9c) comprenden orificios de paso de las aguas residuales, uno de ellos hacia el interior (10) de la cámara anódica (2e) , y otro de ellos hacia el exterior de la cámara anódica (2e) , permitiendo la oxidación de la materia orgánica de las aguas residuales; y -el marco perimetral (9) de la estructura prismática (11) de la cámara catódica (3e) posee cuatro esquinas (9a, 9b, 9c, 9d) , donde una de ellas (9b) comprende un orificio pasante perteneciente al primer tramo (12a) del canal (12a, 12b) de las aguas residuales, y está configurado para permitir el paso de las aguas residuales desde las cámara anódicas (2e, 2f) ubicadas entre dicha cámara catódica (3e) ; y donde dos esquinas opuestas (9a, 9d) comprenden orificios de paso de las aguas residuales, uno de ellos hacia el interior (10) de la cámara catódica (3e) , y otro de ellos hacia el exterior de la cámara catódica (3e) permitiendo la reducción de los compuestos nitrogenados de las aguas residuales.

11. Procedimiento de tratamiento de aguas residuales mediante el sistema definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores a través de dicho, al menos un, canal (12a, 12b) que comprende las siguientes etapas: a) introducir dichas aguas residuales a una primera cámara anódica (2a) de una primera pila biológica (2a, 3a) , oxidando una cantidad de materia orgánica durante una parte correspondiente del primer tramo (12a) del canal (12a, 12b) ; b) introducir las aguas residuales provenientes de la primera cámara anódica (2a) de la primera pila biológica (2a, 3a) , hacia la segunda cámara anódica (2b) de una segunda pila biológica (2b, 3b) , oxidando una cantidad de materia orgánica, durante una parte correspondiente del primer tramo (12a) del canal (12a, 12b) ; c) repetir la oxidación de las aguas residuales un número de veces equivalente al número

de pilas pertenecientes al sistema bioelectroquímico (1) , y por tanto, al número de cámaras anódicas (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f) , durante el resto del primer tramo (12a) del canal (12a, 12b) ; d) introducir las aguas residuales provenientes de la última cámara anódica (2f) , de la última pila biológica (2f, 3f) , hacia la cámara catódica (3f) perteneciente a dicha última pila biológica, reduciendo una cantidad de compuestos nitrogenados, durante parte del segundo tramo (12b) del canal (12a, 12b) ; e) introducir las aguas residuales provenientes de la última cámara catódica (3f) de la última pila biológica (2f, 3f) , hacia una penúltima cámara catódica (3e) de una penúltima pila biológica (2e, 3e) , reduciendo una cantidad de compuestos nitrogenados, durante parte del segundo tramo (12b) del canal (12a, 12b) : f) repetir la reducción de las aguas residuales el mismo número de veces equivalente al número de pilas pertenecientes al sistema bioelectroquímico (1) , y por tanto, al número de cámaras catódicas (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) , durante el resto del segundo tramo (12b) del canal (12a, 12b) .

1.

12. Sistema bioelectroquímico, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que la pluralidad de pilas biológicas (2, 3) están configuradas para generar energía eléctrica dando lugar a un generador de electricidad.