ES2930064B2 - Instalación para el tratamiento de aguas residuales - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
INSTALACIÓN PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una instalación para el tratamiento de aguas residuales, en particular una instalación de tratamiento de aguas residuales basada en biorreactores de membrana con la cual se mantienen elevadas concentraciones de biomasa activa y una baja concentración de sólidos suspendidos en las corrientes entre las diferentes etapas, reduciéndose el ensuciamiento de las membranas de filtrado de la instalación y mejorando con ello el rendimiento y la efectividad de dicha instalación.
Así, la presente invención se engloba en el campo de la ingeniería ambiental, más concretamente dentro del sector de la depuración de aguas residuales.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La digestión por parte de una biomasa de microorganismos se ha empleado durante los últimos años para el tratamiento de aguas residuales, siendo su éxito atribuible a la independencia entre el tiempo de retención de los lodos y el tiempo de retención hidráulico mediante la inmovilización de la biomasa, lo cual puede conseguirse mediante la separación física asistida por membranas en estos sistemas (D. Jeison, J.B. van Lier, Feasibility of thermophilic anaerobic submerged membrane bioreactors (AnSMBR) for wastewater treatment Desalination 231 (2008) 227-235).
Así, habitualmente los biorreactores de membranas para el tratamiento de aguas residuales combinan procesos biológicos, bien sea aerobios o anaerobios, con una etapa de filtración con membranas, generalmente de microfiltración o ultrafiltración.
Estas tecnologías permiten así que la concentración de biomasa sea independiente de bajas tasas de crecimiento de los microorganismos. Sin embargo, estos sistemas conocidos tienen una gran desventaja, concretamente el ensuciamiento de la
membrana como resultado de la interacción entre la superficie de la misma y la suspensión de lodos. Este fenómeno suele disminuir en rendimiento del sistema, provoca que sea necesaria la limpieza química frecuente de la membrana, lo que podría reducir su vida útil, al tiempo que aumenta el coste de reemplazo y los requisitos de energía para la dispersión de los lodos con gas (H. Lin, B.-Q. Liao, J. Chen, W. Gao, L. Wang, F. Wang, X. Lu, New insights into membrane fouling in a submerged anaerobic membrane bioreactor based on characterization of cake sludge and bulk sludge, Bioresour. Technol. 102 (2011) 2373-2379). Así, los problemas de limpieza y ensuciamiento de la membrana siguen siendo un obstáculo crítico que limita la aplicación generalizada de sistemas de membranas en las plantas de tratamiento de aguas residuales (D.C. Stuckey, Recent developments in anaerobic membrane reactors, Bioresour.Technol. 122 (2012) 137-148; H. Lin, W. Peng, M. Zhang, J. Chen, H. Huachang, Y. Zhang, A review on anaerobic membrane bioreactors: Applications, membrane fouling and future perspectives, Desalination 314 (2013) 169-188).
Debido a la aplicación de una presión negativa en el lado del permeado, se desarrolla una deposición compacta de una capa de suciedad en la membrana, lo que da como resultado una mayor resistencia hidráulica y, por tanto, un flujo de filtración más bajo. Para mantener el flujo operativo, la presión transmembrana (TMP) puede incrementarse significativamente, conduciendo a una inevitable limpieza química final de la membrana para la restauración de un flujo razonable. Con el tiempo, el flujo se reduce a un punto en el que la membrana no se puede usar y necesita reemplazarse (I. Hai, K. Yamamoto and C-H. Lee. Membrane biological reactors. Theory, Modeling, Design, Management and Applications to wastewater Reuse. Faisal IWA publishing.
2014). La resistencia de hidráulica a la filtración representa la suma de la resistencia de la propia membrana, más la resistencia debida al ensuciamiento y la formación de una torta estable, es decir, no se puede revertir fácilmente mediante ciclos de retrolavado (D. Jeison, J.B. van Lier, Cake formation and consolidation: Main factors governing the applicable flux in anaerobic submerged membrane bioreactors (AnSMBR) treating acidified wastewaters, Sep. Purif. Technol. 56 (2007), 71-78 D. Jeison, J.B. van Lier, Cake formation and consolidation: Main factors governing the applicable flux in anaerobic submerged membrane bioreactors (AnSMBR) treating acidified wastewaters, Sep. Purif. Technol. 56 (2007), 71-78).
En los biorreactores de membrana, el proceso biológico generalmente se lleva a cabo en reactores de cultivo suspendido en los que los microorganismos se encuentran agregados entre sí formando fóculos que se mantienen en suspensión en el agua.
En general, los reactores biológicos de cultivo suspendido empleados generalmente son de mezcla completa. La principal limitación de los biorreactores de mezcla completa es que la concentración de la suspensión en contacto con las membranas es la misma que en el reactor biológico. De este modo, cuanto mayor es la concentración de biomasa en el biorreactor mayor es su actividad biológica, pero también es mayor su potencial de ensuciamiento de las membranas.
Para evitar este problema, por ejemplo en la EP07747318 se describe un aparato dotado de un biorreactor y un módulo de filtración por membranas para el tratamiento de un fluido entrante que comprende un biorreactor que tiene un pozo seco o un módulo sumergido de filtración por membranas, módulo éste que se proporciona sobre el lado de entrada, donde una cámara de conexión incluye una línea de descarga que descarga hacia fuera el fluido. Esta línea de descarga, se encuentra provista con un elemento de cierre controlable. También incluye una línea de paso de fluido de la mezcla de fluido, desde el espacio del fluido hasta la cámara de conexión, con un elemento de cierre controlable. Adicionalmente, además, se dispone una unidad de control para cerrar la línea de paso de fluido de la mezcla de fluido y que abre la línea de descarga en el momento deseado y viceversa. Como resultado, es posible proceder a la limpieza por chorro de líquido, de forma automática, de al menos el lado de entrada de esta membrana y de la cámara de conexión que se encuentra por debajo de ella. Durante el proceso de limpieza por chorro de líquido, las partículas sucias e incrustadas, se liberan del lado de entrada y/o de las superficies de las membranas, y se descargan hacia el exterior del espacio fluido, vía la línea de descarga abierta.
La solución al problema del ensuciamiento de las membranas propuesta en el documento anterior conlleva así implementar líneas de lavado externas en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, con el alto coste que ello implica y sin garantizar la eficacia de la limpieza a ambos lados de la membrana, pudiendo escapar partículas incrustadas a otros elementos del sistema.
También son conocidos biorreactores de cultivo suspendido con sedimentación interna en los que los flóculos de biomasa forman un "manto de lodos” de elevada concentración que permanece sedimentado en el fondo del reactor biológico. En estos biorreactores las membranas se ponen en contacto con un sobrenadante de menor concentración, con un potencial de ensuciamiento menor. Sin embargo, la limitación principal de estos biorreactores es la consecución y mantenimiento de flóculos microbianos con unas cualidades de sedimentación adecuadas que les permita permanecer decantados en el reactor biológico sin ser arrastrados por la corriente de agua.
Con respecto a la configuración de las membranas, éstas pueden ser de dos tipos: membranas sumergidas directamente en el biorreactor o en un tanque de filtración auxiliar y membranas externas, conectadas al biorreactor por un circuito de recirculación equipado con un sistema de bombeo, que proporciona una elevada velocidad de circulación tangencial sobre la superficie filtrante.
En el primer caso, las membranas sumergidas directamente en el biorreactor no se pueden limpiar in situ y se requieren costosas paradas para realizar las operaciones de mantenimiento. Tanto las membranas sumergidas en tanques de filtración externos como las membranas externas requieren equipos de bombeo para la circulación de la suspensión desde el biorreactor a las membranas y el retorno del rechazo de las membranas de nuevo al reactor biológico. En este caso, es necesario, como se comentó anteriormente en referencia al documento EP07747318, implementar sistemas de bombeo que pueden alterar la actividad biológica y reducir la capacidad de filtración de las membranas. El estrés mecánico asociado a los sistemas de bombeo electromecánicos puede provocar la rotura de los flóculos de microorganismos, provocando daños celulares y la liberación de productos microbianos con un elevado potencial de ensuciamiento.
Son también conocidos, por ejemplo del documento EP0900178B1, biorreactores de cultivo adherido donde los microorganismos forman una película biológica sobre la superficie de un material de relleno inerte desordenado. En estos biorreactores de membrana de cultivo adherido, la concentración de biomasa activa en el reactor biológico no depende de sus cualidades de sedimentación, siendo posible mantener
elevados niveles de actividad biológica, al tiempo que permite mantener bajos niveles de ensuciamiento de las membranas. La recirculación gas-lift entre el reactor biológico y el tanque de filtración equipado con membranas sumergidas reduce el estrés mecánico al que se encuentra sometido el cultivo microbiano. La limitación principal de este sistema en relación con otros biorreactores de membrana es el coste del material de relleno.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para solucionar las desventajas de los sistemas conocidos en la técnica anterior, la presente invención proporciona una instalación para el tratamiento de aguas residuales, en particular una instalación de tratamiento de aguas residuales basada en biorreactores de membrana, donde la instalación incluye un biorreactor de cultivo suspendido del tipo "manto de lodos”, presentando la instalación, antes y después de este biorreactor y en comunicación de fluido con el mismo, sendos depósitos de cultivo adherido, estando el interior de ambos depósitos rellenos de un material desordenado, y un tanque de filtración que aloja correspondientes módulos de membrana de microfiltración y/o ultrafiltración sumergidos, también en comunicación de fluido con el resto de los componentes. Así, la presente instalación para el tratamiento de aguas residuales está constituida por cuatro etapas de las que tres son de tratamiento biológico, esto es el biorreactor de cultivo suspendido y los depósitos de cultivo adherido, y una etapa de filtración.
La presente invención queda establecida y caracterizada en la reivindicación independiente, mientras que las reivindicaciones dependientes describen otras características de la misma.
En la presente descripción y reivindicaciones, por el término "biorreactor de cultivo suspendido del tipo manto de lodos” se entiende un reactor sin medio de soporte donde se desarrolla un manto de lodos constituido por gránulos o conglomerados de microorganismos que biodegradan el material orgánico presente en el agua residual a tratar. Igualmente, por el concepto "depósitos de cultivo adherido” se entienden aquellos donde el agua a tratar entra en contacto con películas de microorganismos adheridas, en este caso a las superficies de los materiales desordenados presentes
en los dichos depósitos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Se complementa la presente memoria descriptiva con una figura ilustrativa y no limitativa de la invención, en la cual (figura 1) se muestra una representación esquemática de la instalación de la invención de acuerdo con un ejemplo de realización de la misma.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención proporciona una instalación para el tratamiento de aguas residuales tal como se muestra esquemáticamente en la figura 1.
La instalación de la invención está conformada por cuatro etapas, tres de tratamiento biológico (1, 2, 3) y una de filtración (4).
En referencia a la figura 1, las etapas de tratamiento biológico (1, 2, 3) y la etapa de filtración (4) están dispuestas y relacionadas tal como se muestra.
La primera etapa de tratamiento biológico (1) consiste en un depósito de cultivo adherido que aloja en su interior un material de relleno (5) adecuado para conformar lechos, con una extensión superficial sobre la que se adhieren los microorganismos encargados del tratamiento biológico del agua residual, la cual entra en esta primera etapa de tratamiento biológico (1) por su parte superior (13), mediante una línea de suministro del agua residual a tratar (6).
El material de relleno (5) tiene una densidad inferior a la del agua, conformando un lecho en la parte superior de las etapas de tratamiento biológico (1 y 3).
Esta primera etapa de tratamiento biológico (1) tiene una función protectora del cultivo suspendido, reteniendo e hidrolizando la materia orgánica compleja del agua residual que entra por la línea de suministro (6), favoreciendo la formación de agregados con buenas cualidades de sedimentación en la etapa de tratamiento
biológico (2), evitando los problemas de flotación y arrastre de biomasa característicos de los fangos en biorreactores de cultivo suspendido que tratan aguas residuales con un elevado contenido en sólidos suspendidos y macromoléculas orgánicas.
Esta primera etapa (1) está en comunicación de fluido con la segunda etapa de tratamiento biológico (2) mediante una línea de salida (7) dispuesta en la parte inferior del depósito de cultivo adherido y que llega a la parte inferior de la segunda etapa de tratamiento (2).
La segunda etapa de tratamiento biológico (2) está constituida por un biorreactor de cultivo suspendido del tipo manto de lodos, en el cual los microorganismos encargados del tratamiento biológico del agua residual procedente de la etapa de tratamiento biológico (1) están unidos entre sí formando agregados que permanecen sedimentados en el fondo de dicho biorreactor. Esta etapa de tratamiento biológico (2) permite mantener una elevada concentración de biomasa activa que, al no precisar de material de relleno, tiene un mínimo coste de instalación. El biorreactor que constituye la etapa de tratamiento biológico (2) está en comunicación de fluido con la tercera etapa de tratamiento biológico (3) mediante una línea de salida (8) dispuesta en su parte superior, llegando a dicha etapa de tratamiento biológico (3) también por su parte superior (13).
La tercera etapa de tratamiento biológico (3) está constituida, al igual que la etapa de tratamiento biológico (1), por un depósito de cultivo adherido que aloja en su interior un material de relleno (5) adecuado para conformar lechos. Esta tercera etapa de tratamiento biológico (3) tiene una función protectora de las membranas del tanque de filtración de la etapa de filtración (4), descrita más adelante, y permite retener y agregar los flóculos de microorganismos arrastrados por el flujo ascendente del agua y defectos de desgasificación del biorreactor de cultivo suspendido (2). La retención de estos flóculos reduce la concentración de la suspensión que entra en contacto con las membranas del tanque de filtración de la etapa de filtración (4), lo que contribuye a controlar su ensuciamiento.
Está tercera etapa de tratamiento biológico (3) está en comunicación de fluido con la
etapa de filtración (4) mediante una línea de entrada (9) dispuesta en su parte inferior, alcanzado dicha etapa de filtración (4) por su parte inferior.
Finalmente, la etapa de filtración (4) está constituida por un tanque de filtración que aloja en su interior módulos de membrana de microfiltración o ultrafiltración (10) sumergidos. Este tanque de filtración presenta además un sistema de agitación por inyección de burbujas de gas (15). Este sistema de agitación por inyección de burbujas de gas (15) inyecta gas por debajo de los módulos de membrada (10) de la etapa de tratamiento biológico (2), provocando un efecto ascendente del agua contenida entre la etapa de filtración (4) y las etapas de tratamiento biológico (1 y 2), provocando un flujo descendente del agua residual a través de las etapas de tratamiento biológico (1) y (3). Así, el efluente resultante del tratamiento biológico de la primera etapa (1) circula de manera ascendente a través de la etapa de tratamiento biológico (2) y el efluente de la etapa de tratamiento biológico (2) circula en sentido descendente a través de la tercera etapa de tratamiento biológico (3).
Igualmente, el efecto ascendente producido por el gas hace que la suspensión rechazada por la membrana rebose por la parte superior del tanque de filtración, mediante líneas de salida (11, 12), y se realimente a las etapas de tratamiento biológico (1, 3), lo que se regula mediante correspondientes válvulas dispuestas en las líneas (11, 12).
La recirculación de la suspensión rechazada por la etapa de filtración (4) a la primera etapa de tratamiento biológico (1) permite diluir la alimentación y aumentar la velocidad ascensional del agua en la segunda etapa de tratamiento biológico (2). Por otro lado, la recirculación de la suspensión rechazada por la etapa de filtración (4) a la segunda etapa de tratamiento biológico (2) permite evitar que la velocidad ascensional del agua en la etapa de tratamiento biológico (2) exceda la velocidad de sedimentación de los flóculos de microorganismos, favoreciendo así la formación del "manto de lodos”. Finalmente, el agua tratada sale de la etapa de filtración (4) mediante una línea de salida (14).
Claims (5)
1.-Instalación para el tratamiento de aguas residuales caracterizada por estar conformada por cuatro etapas, tres de tratamiento biológico (1, 2, 3) y una de filtración (4), donde
- la primera etapa de tratamiento biológico (1) consiste en un depósito de cultivo adherido que aloja en su interior un material de relleno (5) adecuado para conformar lechos de microorganismos para el tratamiento biológico del agua residual, la cual entra en esta primera etapa de tratamiento biológico (1) por su parte superior, mediante una línea de suministro del agua residual a tratar (6), en comunicación de fluido con la segunda etapa de tratamiento biológico (2) mediante una línea de salida (7) dispuesta en la parte inferior del depósito de cultivo adherido y que llega a la parte inferior de la segunda etapa de tratamiento (2);
- la segunda etapa de tratamiento biológico (2) está constituida por un biorreactor de cultivo suspendido del tipo manto de lodos, en el cual los microorganismos encargados del tratamiento biológico del agua residual procedente de la etapa de tratamiento biológico (1) están unidos entre sí formando agregados que permanecen sedimentados en dicho biorreactor, en comunicación de fluido con la tercera etapa de tratamiento biológico (3) mediante una línea de salida (8) dispuesta en su parte superior, llegando a dicha etapa de tratamiento biológico (3) también por su parte superior;
- la tercera etapa de tratamiento biológico (3) está constituida, al igual que la etapa de tratamiento biológico (1), por un depósito de cultivo adherido que aloja en su interior un material de relleno (5) adecuado para conformar lechos, en comunicación de fluido con la etapa de filtración (4) mediante una línea de entrada (9) dispuesta en su parte inferior, alcanzado dicha etapa de filtración (4) por su parte inferior y
- la etapa de filtración (4) está constituida por un tanque de filtración que aloja en su interior módulos de membrana de microfiltración o ultrafiltración (10) sumergidos, presentando una línea de salida (14) del agua tratada.
2-Instalación para el tratamiento de aguas residuales según la reivindicación 1, caracterizada porque el material de relleno (5) tiene una densidad inferior a la del
agua, conformando un lecho flotante (13) en la parte superior de las etapas de tratamiento biológico (1 y 3).
3. -Instalación para el tratamiento de aguas residuales según la reivindicación 1, caracterizada porque el tanque de filtración presenta un sistema de agitación por inyección de burbujas de gas (15).
4. -Instalación para el tratamiento de aguas residuales según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el efluente resultante del tratamiento biológico de la primera etapa (1) circula de manera ascendente a través de la etapa de tratamiento biológico (2) y el efluente de la etapa de tratamiento biológico (2) circula en sentido descendente a través de la tercera etapa de tratamiento biológico (3).
5. -Instalación para el tratamiento de aguas residuales según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la suspensión rechazada por la membrana rebosa por la parte superior del tanque de filtración, mediante líneas de salida (11, 12), y se realimenta a las etapas de tratamiento biológico (1, 3).
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2021
- 2021-06-03 ES ES202130509A patent/ES2930064B2/es active Active
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