Sistema bioelectroquímico para depurar aguas residuales con cátodo de esferas conductoras flotantes.

Sistema bioelectroquímico para depurar aguas residuales, que comprende una cámara anaerobia anódica,

en la que se produce la oxidación de materia orgánica por microorganismos, y una cámara aerobia catódica, donde el cátodo de dicha cámara aerobia catódica consiste en esferas conductoras flotantes.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo técnico del tratamiento biológico del agua residual; procedimientos aerobios y anaerobios. En concreto, la presente invención está relacionada con un sistema bioelectroquímico para depurar aguas residuales, que contiene microorganismos para tratar la materia orgánica presente en las aguas residuales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El tratamiento biológico de las aguas residuales urbanas, que tiene como principal objetivo reducir su contenido en materia orgánica, se basa en procesos llevados a cabo por microorganismos (fundamentalmente bacterias), que actúan sobre la materia orgánica (suspendida, disuelta o coloidal), presente en las aguas a tratar, transformándola en gases y en nueva materia celular, que se puede separar fácilmente del agua por sedimentación, dada su mayor densidad.

En el tratamiento aerobio de las aguas residuales, tienen lugar reacciones de síntesis o de asimilación y reacciones de oxidación o respiración endógena. Para el correcto desarrollo de las reacciones de síntesis y de respiración endógena, en los procesos aerobios es necesario el aporte de oxígeno, que actúa como aceptor de electrones en los metabolismos respiratorios. Este tipo de metabolismo lo presentan los organismos que generan energía por transportes de electrones mediante enzimas, desde un donante de electrones hasta un aceptor de electrones exterior.

En la actualidad, la forma más habitual de llevar a la práctica el tratamiento aerobio de las aguas residuales se conoce como proceso de Lodos Activos.

En este proceso el agua residual a tratar se introduce en una cuba, o reactor biológico, en el que se mantiene un cultivo bacteriano en suspensión, formado por un gran número de microorganismos agrupados en flóculos (Lodos Activos) al que se denomina "licor mezcla".

En el reactor tienen lugar las reacciones de oxidación y síntesis y de respiración endógena, vistas anteriormente.

Las condiciones aerobias en el reactor se logran mediante el empleo de aireadores mecánicos o difusores, que además de oxigenar permiten la homogeneización del licor de mezcla, evitando la sedimentación de los flóculos en el reactor.

Tras un cierto tiempo de permanencia en el reactor, el licor de mezcla se lleva a decantación, para separar el efluente depurado de los lodos (nuevas células). Parte de estos lodos se recirculan de nuevo al reactor, con objeto de mantener en éste una concentración determinada de microorganismos, y el resto de los lodos se purgan periódicamente.

Los sistemas bioelectroquímicos (SBE) son dispositivos que permiten utilizar a las bacterias para oxidar la materia orgánica generando electricidad. Este tipo de microorganismos se denominan electrogénicos y tienen la capacidad de utilizar un sólido conductor (un electrodo) como aceptar de electrones, en un proceso respiratorio que le permite obtener energía para sus procesos vitales.

Las celdas de combustible microbianas son sistemas bioelectroquímicos que transforman la materia orgánica en electricidad. En estas celdas, los electrones contenidos en la materia orgánica son liberados tras la oxidación de la misma por parte de los microorganismos electrogénicos. Los electrones son transferidos a un electrodo (ánodo), que está conectado con otro (cátodo) de un potencial más positivo hacia el que se desplazan, para reaccionar finalmente con un aceptar soluble como el oxígeno y los protones para dar agua.

Una de las aplicaciones más relevantes de los sistemas bioelectroquímicos es en el campo del tratamiento de aguas residuales, debido a la gran variedad de compuestos orgánicos que los microorganismos electrogénicos son capaces de degradar. La principal ventaja que presenta frente al tratamiento clásico aerobio, es la notable diferencia en el rendimiento de biomasa que presentan los microorganismos involucrados en el proceso, entre 0,07 y 0,22 g biomasa/g DQO sustrato para los sistemas bioelectroquímicos, frente a los 0,4 g biomasa/g DQO sustrato en el proceso aireado. La Demanda Química de Oxígeno (DQO) es un parámetro que mide la cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios químicos que hay disueltas o en suspensión en una muestra líquida. La menor producción de biomasa de los sistemas bioelectroquímicos reduce sustancialmente el volumen de residuo producido y, por tanto, los costes relacionados con la gestión de estos fangos.

Uno de los aspectos más investigados de los sistemas bioelectroquímicos son los materiales y las configuraciones de cátodos utilizados, ya que éstos juegan un papel relevante, por una parte, en el funcionamiento electroquímico de estos sistemas, y, por otra, en la viabilidad económica de su escalado.

Los materiales clásicos utilizados como cátodos en sistemas bioelectroquímicos son fieltros, fibras de carbono o materiales porosos.

El problema que plantea el estado de la técnica consiste en proporcionar un sistema bioelectroquímico alternativo a los descritos en el estado de la técnica.

La solución que proponer la presente invención es un sistema bioelectroquímico en el que cátodo consiste en esferas metálicas conductoras huecas, que permanecen en flotación. Este diseño del cátodo optimiza el funcionamiento del sistema bioelectroquímico y es, a la vez, económicamente viable y duradero.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Una realización preferida de la presente invención es un sistema bioelectroquímico para depurar aguas residuales, que comprende una cámara anaerobia anódica, en la que se produce la oxidación de materia orgánica por microorganismos, y una cámara aerobia catódica, donde el cátodo de dicha cámara aerobia catódica consiste en esferas conductoras flotantes, en adelante sistema bioelectroquímico de la invención.

En la presente invención, se entiende por "conductor", "conductora" y "conductoras" a la propiedad de conducir la corriente eléctrica.

Las esferas tienen una alta relación superficie/volumen y permanecen en flotación en el sistema bioelectroquímico de la invención. El carácter conductor de las esferas hace que el conjunto de los distintos elementos actúe como un único electrodo.

La configuración de las esferas permite que se adapten perfectamente a la superficie del agua del sistema bioelectroquímico, sin necesitar ninguna obra de ingeniería adicional.

Otra realización es el sistema bioelectroquímico de la invención, donde dichas esferas conductoras flotantes son esferas metálicas o esferas de fibra de carbono. De forma particular, dichas esferas conductoras flotantes metálicas son de acero inoxidable.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Esquema de una vista desde arriba del sistema bioelectroquímico, en el que se muestra la cámara anaerobia anódica, la cámara aerobia catódica y la membrana selectiva a protones. Las esferas están en contacto entre sí.

Figura 2. Esquema del cátodo de esferas conductoras flotantes. Se muestra el colector de corriente y el cable conectado al colector que transfiere los electrones desde el ánodo hasta el cátodo de esferas conductoras.

Figura 3. Monitorización de la producción de corriente eléctrica en el sistema bioelectroquímico de la invención, operando en continuo. Se muestra el porcentaje de eliminación de materia orgánica (depuración) y la eficiencia culómbica del proceso a lo largo de 30 días.

MODOS DE REALIZACIÓN PREFERENTE

Ejemplo 1. Ensayo con el sistema bioelectroquímico de la invención

Se realizó un ensayo en un sistema bioelectroquímico compuesto de una cámara anaerobia anódica, conteniendo microorganismos y una cámara aerobia catódica. La Figura 1 muestra un esquema de este sistema bioelectroquímico. En la cámara aerobia catódica, se ha empleado un cátodo de esferas de acero inoxidable AISI 304, con un diámetro 0=60 mm y un área superficial/esfera=0,113 m2, acopladas a un colector de corriente. Un esquema de este cátodo de esferas conductoras huecas y del colector de corriente se muestra en la Figura 2.

El agua se mantuvo en movimiento y este movimiento hizo girar cada esfera de forma que toda su superficie permaneció mojada y contribuyendo al proceso electroquímico.

En este ejemplo, se utilizó agua sintética con glucosa como fuente de carbono. La depuración del agua sintética con glucosa alcanzó el estado estacionario y permitió una eliminación de DQO de aproximadamente el 85 %. Esta reducción en el contenido de DQO

estuvo asociada a una producción de corriente que, teniendo en cuenta la cantidad de materia orgánica eliminada en el sistema, dio lugar a una eficiencia culómbica media del 41% (porcentaje de DQO...

1. Sistema bioelectroquímico para depurar aguas residuales, que comprende una cámara anaerobia anódica, en la que se produce la oxidación de materia orgánica por microorganismos, y una cámara aerobia catódica, caracterizado por que el cátodo de dicha cámara aerobia catódica consiste en esferas conductoras flotantes.

2. Sistema bioelectroquímico según la reivindicación 1, caracterizado por que dichas esferas conductoras flotantes son metálicas o de fibra de carbono.

3. Sistema bioelectroquímico según la reivindicación 2, caracterizado por que dichas esferas conductoras flotantes metálicas son de acero inoxidable.