SISTEMA DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS QUE CONTIENEN MATERIALES ORGANICOS COMPLEJOS, USO DEL MISMO Y PROCESO DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS QUE EMPLEA DICHO SISTEMA
Objeto y campo de la invention
La invention se refiere a un sistema para el tratamiento de residuos que contienen materiales organicos complejos, un uso de dicho sistema y un proceso de tratamiento que emplea dicho sistema, con el fin de acelerar la hidrolisis de la materia organica presente, reducir los niveles de acidos grasos volatiles y, por ello, disminuir el tiempo de procesamiento, incrementar la capacidad de tratamiento de carga organica y producir mayor cantidad de biogas.
El sistema y proceso que aqul se desarrollan se incluyen dentro del campo de tratamiento de aguas, tratamiento de diversos residuos con material organico, por ejemplo, fangos de estaciones depuradoras de aguas residuales.
Antecedentes de la invencion
Dentro del tratamiento de aguas residuales y similares, la digestion anaerobia es una tecnologla probada y consolidada para la recuperation de energla a partir de residuos organicos y de materia organica compleja. Asimismo, el desarrollo del concepto de biorrefinerla en los ultimos anos, ha situado a la digestion anaerobia como tecnologla clave para el tratamiento de los subproductos generados y obtener electricidad y calor para la planta. Algunas de sus ventajas mas llamativas son el permitir operar a elevadas cargas organicas, presentar bajos requerimientos de nutrientes y bajos costes de inversion, control y mantenimiento. Las arqueas metanogenas son las responsables de la etapa final y mas crltica de la digestion: la production de metano. Debido al empleo de microorganismos en esta tecnologla, la sensibilidad de estos a factores ambientales, tales como, cambios abruptos en el pH, carga organica, o elevadas concentraciones de sales, puede conducir a la inhibition del proceso y a la acumulacion de acidos grasos volatiles, lo cual representa una de las principales desventajas de esta tecnologla.
Ademas de los problemas de inestabilidad senalados, otra de las limitaciones importantes del proceso de digestion es la lenta velocidad de degradation de ciertos sustratos, que aun presentando un elevado contenido en materia organica son degradados de forma lenta por los microorganismos. De hecho, uno de los problemas mas comunes cuando se tratan
residuos complejos es la limitation asociada a la etapa de hidrolisis y el grado de resistencia a la degradation de ciertas moleculas complejas, lo cual puede provocar inestabilidades en el proceso o la necesidad de aplicar tiempos de retention hidraulica (TRH) prolongados. Las tecnicas electroqulmicas tales como la electrocoagulation y la electrooxidacion han demostrado una alta eficiencia en la elimination de materia organica soluble en aguas y en el tratamiento de efluentes industriales con un alto contenido en compuestos recalcitrantes.
En la actualidad se han desarrollado diversos sistemas que comprenden la estabilizacion de lodos mediante el uso de tecnicas electroqulmicas. La patente CN1332898 C (Sludge stabilizing electrochemical treating process) describe un proceso de estabilizacion completa de lodos primarios y secundarios mediante la electrolisis directa de los mismos, considerando un tratamiento de entre 5 y 50 min, y el uso de electrolitos como cloruro de sodio o acido clorhldrico para lograr la estabilizacion del lodo y la elimination de patogenos. De forma similar, se ha propuesto el uso de gas ClO2 para la oxidation electroqulmica de los componentes del lodo mediante la utilizacion de un anodo dimensionalmente estable con catodo de acero inoxidable (CN103553286 A, Sludge reduction method by coupling electrochemical/chlorine dioxide catalytic oxidation). En este caso, el tratamiento de estabilizacion del lodo se logra completamente por via electroqulmica con un bajo consumo energetico pero con un elevado gasto de gas ClO2. Otra forma de lograr el tratamiento de lodos es la propuesta por la solicitud de patente US20120073985 A1 (Method for treating sludge) , en la que se utilizan electrodos para la generation de radicales hidroxilo y as! lograr el tratamiento del fango biologico.
En el caso de la solicitud de patente CN102515399 A (Electrochemical treatment method of sewage) se propone un sistema de tratamiento electroqulmico del lodo, pero en este caso utilizando electrodos de hierro para la generation de Fe+3 y Fe+2 y as! facilitar el proceso de sedimentation del lodo, con la ayuda de un sistema de aireacion (15 -25 minutos) y del uso de una corriente de recirculacion del lodo.
La patente US8460520 B2 (Electrochemical system and method for the treatment of water and wastewater) describe la elimination de los contaminantes presentes en el agua cruda o el agua de descarga de las plantas de tratamiento, tales como, plantas de aguas residuales domesticas e industriales, mediante la aplicacion de corriente continua a traves de una serie de electrodos separados y alternativamente cargados para eliminar o minimizar la
obstruction de los electrodos por los contaminantes. En este caso, el sistema pretende la elimination de los contaminantes exclusivamente por via electroquimica centrandose en un diseno que permita el tratamiento total del efluente y evite los problemas de deposition sobre los electrodos generando el taponamiento de los platos sobre los que circula el agua a ser tratada.
Otros sistemas propuestos para el tratamiento de aguas potables, aguas residuales domesticas y/o industriales se describen en los siguientes documentos de patente: EP2834197 A1 (Process and device for electrochemical treatment of industrial wastewater and drinking water) , US6916427 B2 (Electrochemical method for treating wastewater) y EP2718235 A1 (Efficient treatment of wastewater using electrochemical cell).
La combination de procesos electroquimicos y biologicos ha sido propuesta para el tratamiento de aguas de la industria textil caracterizadas por la presencia de colorantes. La patente CN102249486 B (Electrochemical-biological method combination device for treating printing and dyeing wastewater and wastewater treating method) involucra el tratamiento inicial electroquimico del agua residual textil seguido de un tratamiento biologico anaerobio en el que la elimination final de los compuestos organicos se adsorben mediante el uso de carbon activo.
Considerando el estado de la tecnica, el sistema de tratamiento que aqu se propone comprende combinar, en un unico sistema y proceso de tratamiento, un reactor electroquimico, dirigido a la hidrolisis y/o destruction de la materia organica compleja y/o acelerar la eliminacion de intermediarios acidos, y un digestor, dirigido a la digestion del material organico. La simplicidad del sistema permite su rapida aplicacion en sistemas y procesos de tratamiento convencionales, permitiendo la reduction de costes de instalacion frente a otros procesos destinados al mismo fin, la de mejorar la digestion anaerobia e incrementar la production de gas.
El tratamiento electroquimico se encargaha de la reduction de los niveles de dichos acidos y prevenir por lo tanto los estados de inhibition del proceso de digestion. Tambien, puede actuar como sistema de post-tratamiento de la digestion para la elimination de la materia organica recalcitrante caracterizada por contener compuestos aromaticos en su estructura.
Description de la invention
Segun un primer aspecto, la presente invention se refiere a un sistema de tratamiento de residuos que contienen materiales organicos complejos que permite elevar los rendimientos de production de biogas, acelerar la hidrolisis del material organico, favorecer la elimination de intermediarios y de materia organica compleja de estructura aromatica. Para lograr estos fines, el sistema para el tratamiento de residuos con materiales organicos complejos comprende: un reactor electroqulmico configurado para una electro-oxidacion y/o electrolisis del material organico complejo, un reactor de digestion anaerobia configurado para llevar a cabo la degradation anaerobica del material organico, un puerto de salida para la salida de gases y un conjunto de elementos de bombeo y transporte configurado para transportar las corrientes de alimentation y productos hacia y desde dichos reactores, y entre estos.
De aqul en adelante, se denominara digestor al reactor de digestion anaerobia.
Segun una realization opcional, el sistema se configura para situar, como primer elemento que actua sobre el material organico, es decir, sobre la corriente de alimentation de residuos, el reactor electroqulmico, a fin de someterla a un tratamiento electroqulmico e hidrolisis. Luego, la corriente as! tratada es transportada al digestor mediante un sistema de bombeo.
Segun otra option, el primer elemento del sistema que actua sobre la corriente de alimentation es el digestor. A continuation, el producto de la digestion se transporta mediante un sistema de bombeo al reactor electroqulmico, con el fin de eliminar el material organico resistente o remanente.
Segun una option de realization adicional, se situan en un mismo equipo tanto el reactor electroqulmico como el digestor para tratar la corriente de alimentation.
El reactor electroqulmico es de geometrla plana y consta de al menos dos electrodos dimensionalmente estables a modo de anodos y catodos, los cuales son de caras planas paralelas y equidistantes en la superficie. Los electrodos se colocaran sobre un bastidor a base de un material que no se deteriora en las condiciones de funcionamiento para proporcionar una separation anodo-catodo de al menos 4 mm. Los electrodos estaran sumergidos en el residuo llquido a tratar.
El conjunto de elementos para la recirculacion de la corriente hacia el digestor o desde este se basa en unos puertos para la entrada y salida de la corriente liquida, unos puertos para la conexion a un sistema de recirculacion por bombeo y al menos un puerto para la salida de gases. El tiempo de permanencia en el interior del reactor electroquimico dependera de las caracteristicas de la corriente de alimentacion, es decir, del residuo a tratar.
Los electrodos del reactor, anodos y catodos, estan constituidos por materiales a base de combination de metal-metal o diamante-metal, dispuestos en mallas de forma rectangular y de dimensiones similares entre ellos. El anodo podra estar recubierto de oxidos metalicos y dopados con metaloides para mejorar el rendimiento. Los recubrimientos de oxidos pueden ser de estano (Sn) , plutonio (Pt) , rubidio (Ru) , titanio (Ti) , molibdeno (Mo) o vanadio (V). Los metaloides utilizados para mejorar el proceso seran principalmente antimonio (Sb) y boro (B).
El potencial o la densidad de corriente pueden variarse libremente con el objetivo de producir en exclusiva la electrooxidacion o la hidrolisis, segun sea el caso, del material organico, o la reaction conjunta de electrooxidacion-hidrolisis de los materiales organicos. La conexion electrica con el exterior se realiza mediante hilos conductores, utilizando corriente continua.
Segun una option, el sistema se usa en procesos de co-digestion de residuos que tienden a la acidification para acelerar la degradation de acidos grasos volatiles y estabilizar el proceso de digestion anaerobia.
Segun otra realizacion opcional, el sistema se usa en procesos de tratamiento de residuos que contienen material organico de estructura compleja.
Segun un segundo aspecto de la invencion, se proporciona un proceso de tratamiento de residuos con materiales organicos complejos que emplea un sistema basado en un reactor electroquimico y un digestor, segun lo que ha sido descrito antes, para tratar una suspension acuosa de residuos organicos, es decir, para tratar una corriente de residuos con alto contenido organico. El proceso de tratamiento comprende un tratamiento electroquimico, que se realiza en el reactor electroquimico, y una digestion anaerobia o proceso de digestion, que se efectua en el digestor.
Segun una realization optional del proceso, la suspension acuosa es sometida primeramente a una etapa de tratamiento electroquimico y, posteriormente, es bombeada al digestor para someterla a una degradation anaerobia. En el tratamiento electroquimico se produce hidrogeno (H2) , cuya generation dependera de la densidad de corriente aplicada a los electrodos, el cual es evacuado por un puerto de salida de gases y bombeado al digestor. El objetivo de ello es que ese H2 generado en el reactor pueda ser consumido por los organismos hidrogenotroficos y, asi, lograr la conversion de H2 y CO2 en metano. Por tanto, se consigue un aumento en la riqueza del biogas generado en el digestor empleado por el proceso.
Segun esta option, en la que la primera etapa es el tratamiento electroquimico, la suspension acuosa del residuo a tratar debe tener un contenido en solidos totales entre 2 y 6%. En este caso, la suspension acuosa se debe transportar de forma ascendente para evitar la deposition de solidos en el anodo. Mediante una bomba de recirculation se transporta la suspension acuosa hacia el punto de entrada del anodo para ajustar el tiempo de permanencia de la misma en el interior del reactor electroquimico, segun las caracteristicas de la suspension acuosa a tratar.
El H2 producido en el tratamiento electroquimico de la suspension acuosa es transportado hacia la etapa de digestion anaerobia, la cual se lleva a cabo en condiciones mesofflicas o termofflicas.
En la digestion anaerobia se utilizan microorganismos anaerobios estrictos y/o facultativos. Los anaerobios estrictos poseen sistemas enzimaticos que solamente funcionan en ausencia de oxigeno (O2) , y los anaerobios facultativos pueden desarrollar un metabolismo tanto respiratorio, usando el oxigeno; como fermentativo, en ausencia de este. Los microorganismos empleados en el proceso pueden ser obtenidos a partir de sistemas de digestion mesofflicas.
Por "condiciones mesofilas" se entiende en la presente invention aquellas condiciones de temperatura de entre 15 y 45°C. Preferiblemente, la temperatura del proceso es de entre 30 y 40°C. Por "condiciones termofilas" se entiende en la presente invention aquellas condiciones de temperatura de entre 45 y 65°C. Preferiblemente, la temperatura del proceso es de entre 50 y 55°C.
Durante la digestion anaerobia se produce, por un lado, una corriente de gas que contiene fundamentalmente metano y dioxido de carbono, y, por otro, un producto o efluente llquido que contiene fundamentalmente agua y materia organica degradada anaerobicamente.
Segun otra realization opcional, bajo la misma configuration de dos etapas, el proceso opera de modo que la primera etapa es la digestion o degradacion anaerobia a fin de eliminar el material organico biodegradable. En esta option, la suspension acuosa a degradar anaerobicamente puede contener entre 2 y 25% de contenido en solidos totales. En esta primera etapa de degradation biologica se produce un licor que luego es transferido a una unidad de separation de solidos en suspension. Tras la etapa de digestion, el llquido sobrenadante se transporta al reactor electroqulmico para efectuar el tratamiento electroqulmico, con el fin de eliminar la materia organica recalcitrante o remanente. Para ello, el llquido sobrenadante es introducido en el anodo del reactor electroqulmico y es mantenido en su interior mediante una recirculation continua del fluido, hasta alcanzar el tiempo de permanencia necesario, en dependencia de la tasa de eliminacion deseada para el compuesto recalcitrante.
Segun una opcion adicional, el proceso se realiza mediante una unica etapa. En este caso, el proceso se lleva a cabo en un sistema que comprende un reactor electroqulmico y un digestor que estan acoplados y comprendidos dentro de un mismo equipo. Aqul, el objetivo del reactor electroqulmico, que esta acoplado al digestor, es la elimination de intermediarios acidos. Asl, primeramente se realiza la degradacion biologica de la corriente de alimentation, es decir, la hidrolisis y acidification del material organico contenido en la suspension acuosa del residuo a tratar, el cual es altamente biodegradable. Para esta opcion, la suspension acuosa puede tener un contenido en solido totales de hasta un 25%. Se generaran, como resultado de la hidrolisis biologica, acidos organicos volatiles.
Los acidos que se acumulan en el licor son degradados mediante la actividad biologica caracterlstica del digestor y el reactor electroqulmico, el cual alivia o reduce la inhibition ejercida por este tipo de acidos, de modo que la fase de metanogenesis de la digestion se pueda llevar a cabo. La alimentacion de corriente electrica al reactor se proporcionara exclusivamente cuando el reactor se acidifique.
En esta opcion de una unica etapa, la densidad de corriente aplicada a los electrodos tambien puede ser variable, a fin de generar radicales hidroxilo encargados de oxidar
electroqulmicamente los intermediaries acidos del proceso de digestion. La densidad de corriente se puede incrementar para generar la liberation del H2 en el interior del reactor y favorecer el enriquecimiento del biogas en metano, o para generar la liberacion de oxlgeno y, de este modo, aplicar un proceso de micro-aireacion en el reactor, a fin de acelerar la degradacion biologica y aumentar la estabilidad del digerido anaerobio mediante la degradation aerobia de los compuestos complejos organicos. La micro-aireacion tambien persigue el doble objetivo de la reduction de los niveles de sulfuro de hidrogeno en el biogas, consiguiendose de este modo un biogas con bajos niveles de sulfuro de hidrogeno, y una mayor conversion de la materia organica, gracias a la realization de un proceso mixto anaerobio-aerobio.
Debido a que la hidrolisis biologica se realiza a una velocidad mayor que la metanogenesis, como consecuencia de la alta biodegradabilidad de la materia prima, se produce una acumulacion de acidos organicos en el interior del sistema o equipo. La conversion de los compuestos organicos complejos a acidos de numero par de carbonos (C2, C4 y C6) y numero impar de carbonos (C3 y C5) provocara en el proceso una reduccion de la relation entre acidos grasos volatiles y alcalinidad total. Cuando esta relacion alcance un valor menor de 0, 4-0, 3, se procedera a la activation de los electrodos para iniciar la oxidation por radicales hidroxilo de los intermediarios acidos.
Los electrodos seran los encargados de reducir los niveles de acidos organicos en el reactor. Tambien tienen la capacidad de generar H2, el cual puede ser utilizado por los microorganismos hidrogenotroficos o puede generar oxlgeno para proveer una micro- aireacion al sistema y acelerar as! el consumo de los intermediarios acidos por parte de los microorganismos facultativos y/o aerobios presentes con la microflora autoctona del fango. La elevation de la corriente aplicada a los electrodos favorece la estabilizacion del fango y la reduccion de los niveles de H2S (sulfuro de hidrogeno) en el biogas generado.
Breve description de los dibujos
A continuation, se describe de forma muy breve unos dibujos que ayudan a comprender mejor la invention y que se relacionan expresamente con realizaciones opcionales, los cuales se presentan como ejemplos no limitativos de la invencion.
Figura 1: Representa una configuration del proceso operando en dos etapas que emplea un sistema formado por un reactor electroqulmico y un digestor.
Figura 2: Representa una configuration del proceso, que emplea el sistema de la invention, operando como una unica etapa.
Para mayor claridad, se presenta la siguiente lista de referencias usadas en los dibujos
1. Reactor electroqulmico
2. Electrodo
3. Anodo
4. Catodo
5. Puerto de entrada
6. Puerto para efluente
7. Salida de gases
8. Conexiones electricas
9. Entrada de gases
10. Digestor o reactor anaerobio
Description detallada de la invention
El sistema comprende, por un lado, un reactor electroqulmico (1) configurado para efectuar la electro-oxidacion o electrolisis de una suspension acuosa de residuos con alto contenido de material organico y, por otra, un digestor (10) para la digestion o degradation anaerobia de la suspension acuosa.
En este caso, el sistema se configura para que actue en primer lugar el reactor electroqulmico (1) , que recibe la suspension acuosa y la trata, y para que, tras este, actue el digestor (10). Ver la Figura 1.
El reactor electroqulmico (1) es de geometrla plana y consta de al menos un par de electrodos (2) compuestos de anodo (3) y catodo (4) , de caras planas paralelas y equidistantes en la superficie. Los electrodos se colocan sobre un bastidor a base de un material que no se deteriora en las condiciones de funcionamiento y manteniendo una separation anodo-catodo de al menos 4 mm. Los electrodos estaran sumergidos en el residuo llquido a tratar. Los electrodos del reactor, anodo (3) y catodo (4) , estan constituidos por materiales basados en una combinacion de metal-metal o diamante-metal. El anodo en los electrodos podra estar recubierto de oxidos metalicos y dopados con metaloides para mejorar el rendimiento. Por ejemplo, recubrimientos de oxidos de estano (Sn) , plutonio (Pt) , rubidio (Ru) , titanio (Ti) , molibdeno (Mo) o vanadio (V) , y de antimonio (Sb) y boro (B).
El sistema de la invention comprende tambien un conjunto de elementos de bombeo y transporte de fluidos basados en unos puertos de entrada (5) y salida (6) , situados respectivamente en la base inferior y superior del digestor (10) , para la recirculation de la suspension acuosa a tratar en el digestor, y al menos un puerto (7) para la salida de gases, por ejemplo, hidrogeno (H2).
El reactor (1) cuenta con una conexion electrica con el exterior (8) , mediante hilos conductores, para utilizar corriente continua. Ello permite que el potencial o la densidad de corriente se puedan variar libremente con el objetivo de producir en exclusiva la electro- oxidacion o hidrolisis, segun sea el caso, del material organico, o la reaction conjunta de electro-oxidacion-hidrolisis de los compuestos organicos.
El sistema, segun otra option (Figura 2) , puede disponer en primer lugar del digestor para recibir la suspension acuosa y luego actua el reactor electroqulmico.
El proceso de tratamiento que emplea el sistema detallado antes se puede realizar en dos etapas: en primer lugar, la de tratamiento electroqulmico y luego la etapa de digestion anaerobia (Figura 1). El efluente o producto llquido que procede de la primera etapa realizada en el reactor electroqulmico es bombeado al digestor (10) e introducido en este a traves de un puerto de entrada (5) para continuar con la degradation anaerobica. Mediante un puerto de salida (7) en la parte superior del reactor (1) , una corriente que contiene hidrogeno (H2) es introducida en la segunda etapa a traves del puerto de entrada (9) en el digestor (10) , para su degradacion. El H2 es consumido por los organismos hidrogenotroficos y, de este modo, se logra la conversion de H2 y CO2 en metano y se consigue un aumento en la riqueza del biogas generado en el digestor.
La materia prima, o sea, la suspension acuosa del residuo a tratar debe tener un contenido en solidos totales entre 2 y 6%. A traves de los elementos de bombeo y transporte de fluidos, la suspension se transporta de forma ascendente para evitar la deposicion de solidos sobre el anodo (3). La bomba de recirculacion bombea el fluido de regreso al punto de entrada del anodo (3) para ajustar el tiempo de permanencia del fluido en el interior del reactor electroqulmico (1) segun las caracterlsticas de la suspension acuosa a tratar.
A continuation se ilustrara la invencion mediante dos ensayos que ponen de manifiesto la
efectividad del sistema y procedimiento de la invention para la hidrolisis del lodo de estaciones de depuradora y su efectividad en el uso de los electrodos bajo la configuration de una unica etapa como sistema de alivio de inhibiciones por sobrecarga organica.
Ensayo 1
Se ha evaluado la hidrolisis del lodo secundario obtenido de una estacion depuradora de aguas residuales. Para el proceso de hidrolisis electroqulmica se han utilizado diferentes tipos de electrodos dimensionalmente estables con un area de 50 mm2. La hidrolisis del lodo se evaluo para un tiempo de 1 h. Se obtuvo una evolution de hidrogeno (H2) de 160 ml durante el periodo de tratamiento del residuo. Posteriormente, se sometio a digestion anaerobia el residuo hidrolizado, obteniendose un incremento en la production de gas del lodo del 35% bajo condiciones mesofllicas utilizando como comparativa sistemas discontinuos.
Ensayo 2
Se ha evaluado el proceso conjunto de digestion anaerobia y oxidation electroqulmica de los intermediarios acidos utilizando glucosa como substrato en el proceso de co-digestion con el fin de acelerar la generation de intermediarios acidos. El proceso de co-digestion de lodos de estaciones depuradoras se realizo en discontinuo. La adicion de glucosa al proceso imita la adicion de un co-substrato altamente biodegradable a un sistema de co-digestion convencional. Se aplico una sobre carga puntual al proceso de digestion de 15 g/l de glucosa, lo que resulto en la produccion acelerada de acidos grasos organicos C2-C6 con numeros par e impar de carbonos. El contenido de acidos grasos totales se elevo hasta 9 g/l, siendo el acetico y butlrico los acidos principales. El funcionamiento de los electrodos dimensionalmente estables permitio mantener niveles de acidos organicos por debajo de 4.0 g/l evitando la inhibicion absoluta del proceso de digestion.
