BIODEGRADABILIDAD DE FUENTES DE MATERIA ORGANICA

DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece, tanto una instalación como el procedimiento llevado a cabo en dicha instalación que permite la mejora de la biodegradabilidad de materia orgánica, con objeto de producir posteriormente biogás que por su alto contenido en metano es fuente de energía aprovechable.

El origen da la materia orgánica empleada puede tener un origen muy diverso desde subproductos del petróleo, cultivos de algas, residuos industriales variados, basuras urbanas, lixiviados, aceites, residuos ganaderos, agrarios, forestales, residuos de depuradoras de aguas llamados fangos, lodos y similares etc.

Caracteriza a la presente invención las especiales características de cada uno de los elementos que forman parte de la instalación así como las etapas a las que son sometidas las partícu las de materia orgánica con objeto de incrementar la biodegradación, favoreciendo las condiciones ambientales físico-quimícas-biológicas para que se realice a mayor velocidad. Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los medios e instalaciones diseñados para el tratamiento de lodos y similares con objeto de mejorar su posterior tratamiento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el estado de la técnica se han llevado a cabo numerosos intentos por facilitar la biodegradabilidad de fuentes de materia orgánica (MO). El origen de estas fuentes pueden ser de origen muy diverso, subproductos del petróleo, cultivos de algas, residuos industriales variados, basuras urbanas, residuos ganaderos, agrarios, forestales, residuos de depuradoras de aguas llamados fangos, etc.

i Se ha procedido con diversas tecnologías, tales como microondas, métodos térmicos, ultrasonidos, obteniendo sin embargo resultados escasos en cuanto a su viabilidad económica, consumos eléctricos o energéticos. Estos sistemas por tanto no han tenido una introducción efectiva en el mercado por su escasa utilidad, complejidad, altos costes operativos y mantenimientos.

Fuentes de materia orgánica no tóxicas, en condiciones adecuadas, son potencialmente susceptibles de fermentar y bidegradarse, se pretende incrementar la biodegradación, favoreciendo las condiciones ambientales físico-quimícas-biológicas para que se realice a mayor velocidad. En condiciones aerobias la materia orgánica se biodegrada oxidándose parcial o totalmente. En condiciones anaerobias se biodegrada produciendo biogás y residuo. Este gas por su riqueza en metano es una fuente de energía aprovechable, fácil de utilizar, distribuir y trasformar, siendo muy demandado en la actualidad.

Muchas de estas fuentes de materia orgánica son subproductos o residuos de los que se aprovecha su potencial energético, se reduce el volumen, se facilita su deshidratación y su utilización posterior, se aumenta su valorización. El aprovechamiento energético de estas fuentes de materia orgánica es objeto fundamental de este desarrollo industrial y tiene su principal interés por los beneficios económicos, ambientales y sanitarios.

Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar una instalación y un procedimiento asociado a dicha instalación que permita el aprovechamiento de la materia orgánica como fuente generadora de biogás y en consecuencia como fuente de energía aprovechable, mediante la mejora de la biodegradabilidad de la materia orgánica, desarrollando una instalación como la que a continuación se describe y queda recogida en su esencialidad en la reivindicación primera.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención de instalación para la mejora de biodegradabilidad se caracteriza porque comprende varios elementos, siendo la parte fundamental la aplicación de unas batidoras de alta energía de fricción - cavitación y su aplicación conjunta con dispersantes y oxidantes en varios pasos en serie, completado con el aumento de la temperatura previo en un proceso en continuo. El equipo se basa en calentamiento de materia orgánica, su división en finas partículas con cavitación-dispersión, en la oxidación química de paredes y membranas celulares, todo ello para favorecer las condiciones de biodegradabilidad en concreto a la fase limitante (la hidrólisis)

La actuación final es el resultado de la acción combinada de varios sistemas en los que se unen fuerzas de dispersión físico químicas, oxidantes químicos y temperatura. Al ser combinadas se multiplica el efecto y minimiza costes de reactivos y energía. La instalación y el procedimiento se busca:

Mejorar de la producción y aprovechamiento energético en forma de biogás generado.

Mejorar la reutilización de subproductos generados en procesos diversos.

Aumento de la concentración de materia seca en los reactores anaeroibios. - Disminución de la viscosidad del medio.

Un ahorro de costes de tratamientos, transporte, volúmenes de lodos, equipos y obra civil.

Fácil implantación en instalaciones existentes.

Proceso en continuo.

- Aumento de la capacidad de digestores existentes.

Recuperación energética por el doble intercambiador.

Una mejora sanitaria, ya que los fangos reducen o eliminan los patógenos .

Perm ite una aplicación di recta de residuos cumpliendo las normativas europeas.

- Una disminución de materia seca por transformación en biogás y disminución de precipitaciones de sales por acción de dispersantes.

Una reducción de volúmenes en materiales con destino vertedero.

Una mejora ambiental, menor impacto de los residuos y mejor gestión de los mismos.

- Una valorización de los residuos y mayor riqueza húmica.

Para lograr dichos fines la instalación comprende:

Unos medios para medición y control

- Unos medios de calentamiento

Una serie de reactores dispuestos en serie

Unos medios para recuperación de calor. Un reactor de control de acidificación Los medios para medición y control a su vez comprenden:

a) un caudalímetro con el que se controlan los volúmenes de material tratado y las dosificaciones de reactivos.

b) sensores que nos dan información sobre conductividad, pH , temperatura, redox, que nos ayudan al control del sistema y su funcionamiento.

c) Un Sonómetro-vibrómetro para medición de la cavitación en los reactores y su control.

Los medios para el calentamiento comprenden dos intercambiadores de calentamiento del material, que favorecerán los siguientes procesos en el tratamiento, dispersión, cavitación, oxidación y acidificación.

La temperatura proporciona los siguientes efectos:

Contribuye con los dispersantes y reducen la viscosidad del medio.

También la temperatura favorece la cavitación debido a que la presión de vaporización es menor.

Aumenta la eficacia de las reacciones de oxidación química.

La temperatura acelera los procesos de acidificación natural.

Aumenta la disolución de sales, evitando "fouling" en los reactores. "Fouling" es un término que hace referencia a incrustaciones salinas, ensuciamiento en las paredes y agitadores de reactores, tuberías etc.

Aumenta el efecto de esterilización.

La temperatura más eficiente a conseguir será la de pasteurización, dependiendo de las necesidades de esterilización del material a biodegradar podrá ser mayor, dependerá también del aprovechamiento del sobrante de energía térmica en motores de cogeneracion y la gestión de los reactores anaerobios (mesófilos o termófilos) o aerobios en los siguientes tratamientos.

Los medios de calentamiento comprende:

a. Una unidad de calentamiento primaria basada en un intercambiador principal en el que se aprovechará la temperatura del material de salida del proceso, para precalentar en contracorriente el material de nuevo aporte. b. Una unidad de calentamiento secundaria basada en un intercambiador secundario en el que se realiza un aporte extra para subir de temperatura a niveles superiores a los de pasteurización y favoreciendo la dispersión y molienda del material por las batidoras.

Los reactores dispuestos en serie comprenden: a) Reactor de cavitación - dispersión: Este reactor tiene un agitador de alta energía que produce cavitación mecánica en el medio. Además se producen unas variaciones de presión, micro implosiones que trituran el material a tratar aportando una alta fricción a la material.

Se dosifica sosa tensoactivada y aditivada con antincrustantes (secuestrantes y coadyugantes) biodispersantes que aumentan el efecto mecánico de cizallado de la hélice, se evita la precipitación inorgánica de sales fosfatos, carbonatos, estruvita.

Los biodispersantes producen la dispersión química de sustancias grasas unidas a exopolimeros, restos de hidrocarburos, aceites y sustancias hidrofóbicas.

La cavitación produce implosiones de microorganismos al producirse una vaporización del agua en el interior celular y hay liberación de material citoplasmático.

El control de cavitación se lleva a cabo con sensores sonómetros, vibrómetros.

En este depósito o reactor se produce una disgregación efectiva de la Materia.

Orgánica en pequeñas partículas más fácilmente biodegradables. Por otro lado el aumento de superficie conlleva un aumento de la eficacia y velocidad de la biodegradabilidad.

En este reactor se produce una combinación físico-química que multiplica los efectos de dispersión. La hélice tiene un efecto mecánico doble, uno de fricción agitación cortando estructuras y moléculas poliméricas y otro de cavitación. Estos efectos se ven aumentados por acción de la temperatura incrementada en el inicio, mayor capacidad de vaporización, lo que hace que disminuya la viscosidad del medio y aumenta las reacciones y por otro lado el efecto multiplicador de los reactivos utilizados biodispersantes como es la sosa tensoactivada y aditivada. La sosa aumenta la alcalinidad y sube el pH al medio y favorece la menor inhibición por pH en la etapa de acidificación posterior. b) Reactor de cavitación ruptura de membranas. En el siguiente depósito se dosifica un oxidante químico (Dióxido de cloro), sobre la zona de cavitación agitación con un equipo de altas revoluciones similar al del primer reactor. Este oxidante posee una gran tendencia a oxidar membranas celulares y dejar el citoplasma libre en el medio más accesible para su degradación. Adicionalmente tiene la ventaja que es de muy rápida actuación y no incorpora subproductos ni residuos tóxicos como cloraminas perdurables que compliquen procesos biológicos posteriores.

La capacidad oxidante del dióxido de cloro se ve incrementada por los radicales OH- de la cavitación.

En este reactor se cons ig ue dañar rom per m em branas y l i berar m ateri al citoplasmático, produciéndose una mayor cantidad de material fáci l mente biodegradable y accesible que deja de estar protegido por la barrera de material exopolimérico y la membrana celular. Los microrganismos que aún estado muertos si tienen las membranas completas son más difíciles de degradar que si están sus membranas rotas.

Con este sistema se multiplica el factor térmico y físico del agitador de cavitación con el efecto químico de oxidación. c) Reactor de cavitación esterilización

En este paso se dosifica ozono y vapor, con lo que se consigue que haya un nuevo choque oxidante en las bacterias que estén dispersas y dañadas, y también un choque osmótico y térmico aportado con el vapor húmedo a 3 bar aumentando el poder de esterilización de los reactores anteriores. Los medios para recuperación de calor comprenden un intercambiador a contracorriente que cede el calor al material nuevo de entrada, de manera que se aprovecha el calor de nuevo y no se compromete la fase siguiente por un exceso térmico. La Temperatura de salida no debería ser superior a los 40 grados centígrados, manteniendo las condiciones mesófilas del siguiente paso. d) El reactor de acidificación

Es un depósito con varias horas de retención, en esta fase se producen crecimientos bacterianos que producen reacciones de hidrólisis, fermentación, acidificaciones biológicas que provocan caídas de pH cerca d e 4. (Límite de acidificaciones biológicas), se controla el pH en torno a 5,5 para favorecer la acidificación continua, disolución de sales precipitadas. Este hecho favorece en un grado mayor, los cambios ambientales para posibles patógenos, contribuyendo a la esterilización y a la formación de ácidos grasos que serán transformados o bien en metano si hay una digestión Anaerobia u oxidados en un sistema aerobio. Se produce una disolución efectiva de los carbonatos, fosfatos, estruvita precipitados, un aumento de la superficie de ataque químico de los ácidos sobre superficies pasivadas de carbonatos calcita, quedando secuestrado los iones Ca2+ y Mg2+ por el aditivo, se produce un aumento de las superficies de degradación biológica. El procedimiento objeto de la invención comprende las etapas de:

Suministro del material a tratar

Paso por una unidad de calentamiento primaria basada en un intercambiador principal en el que se aprovechará la temperatura del material de salida del proceso, para precalentar en contracorriente el material de nuevo aporte.

- Paso unos medios para medición y control que comprenden: un caudalímetro, U n Sonómetro-vibrómetro, unos sensores que dan i nformación sobre conductividad, pH, temperatura, redox, que ayudan al control del sistema.

Paso por unos reactores en serie dotados todos con agitadores de alta cavitación y energía. Los reactores por los que pasa la materia orgánica son: ■ Reactor de cavitación - dispersión donde se dosifica sosa tensoactivada y aditivada con antincrustantes (secuestrantes y coadyugantes) ^■ Reactor de cavitación de roturas de membranas donde se dosifica un oxidante químico (Dióxido de cloro)

^■ Reactor de cavitación esterilización, donde se dosifica ozono y vapor, con lo que se consigue que haya un nuevo choque oxidante en las bacterias que estén dispersas y dañadas, y también un choque osmótico y térmico aportado con el vapor húmedo a 3 bar.

Paso por la unidad de calentamiento primaria donde se produce el aporte calorífico a la materia de nueva entrada a tratar

Paso hacia un reactor de acidificación equipo se producen crecimientos bacterianos q u e prod ucen reacci o nes de h i d ról i s i s , fe rm entaci ó n , acidificaciones biológicas que provocan caídas de pH.

Gracias a las características tanto de la instalación como a las etapas del procedimiento se consigue:

- Obtener una dispersión muy efectiva del material de entrada.

La rotura citoplasma.

Un aumento de la biodegradabilidad al aumentar la velocidad de hidrólisis.

Un tamaño efectivo de partículas muy inferior.

Un grado de reunificación coagulación es muy bajo.

- Una reducción de la precipitación química inorgánica.

Una variación de la tixotropía del material con una bajada de la viscosidad.

Un fango más fluido, que retiene menor cantidad de gas en digestión, menor energía de agitación del digestor, dispersión de natas, aceites, hidrocarburos, espumas con su integración en el medio.

- Un desplazamiento emulsión dispersión hacia la dispersión de los materiales grasos, reducción de espumas en digestión por efecto de grasas incorporadas en exopolisacaridos.

Menor efecto de natas producidas en digestores anaerobios por incorporación de fangos aerobios filamentosos.

- unos cam bios físicos muy rápidos y muy extremos con respecto a las condiciones iniciales, cambios en pH , temperatura, conductividad, tensión superficial, tixotropía, estos aspectos hacen que se creen condiciones que dificultan la actividad y supervivencia de patógenos y sus formas de resistencia.

Unos cambios químicos muy rápidos por la acción de oxidantes químicos como son el Dióxido de Cloro y el Ozono hacen que las formas de resistencia tengan dificultad para reactivarse al quedar sus paredes y sus membranas celulares dañadas o perforadas al oxidarse. Una ausencia de precipitación inorgánica de Carbonatas y estruvitas.

Una menor cantidad de residuo.

EXPLICACION DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.

En la figura 1 , podemos observar una representación esquemática de la instalación objeto de la invención. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.

A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta. En la figura 1 podemos observar que la instalación comprende una entrada (1 ) del material a tratar, que se hace pasar por una unidad de calentamiento primaria (2), que es una unidad de intercambio que aprovecha el calor de la materia de salida para precalentar en contracorriente el material de nuevo aporte; por medio de un conducto (3) se conecta con unos medios de medición y control que comprenden: a) un caudalímetro (4) con el que se controlan los volúmenes de material tratado y las dosificaciones de reactivos.

b) U nos sensores (5) que nos dan información sobre conductividad, pH, t emperatura, redox, que nos ayudan al control del sistema y su funcionamiento. c) Un Sonómetro-vibrómetro para medición de la cavitación en los reactores y su control.

A continuación tras el paso por los medios de medición y control se hace pasar el material a tratar por una unidad de calentamiento secundario (6) basada en un intercambiador secundario en el que se realiza un aporte extra para subir de temperatura a niveles superiores a los de pasteurización y favoreciendo la dispersión y molienda del material por las batidoras. A continuación el material a tratar se hace pasar primero por un reactor de cavitación- dispersión (7) , luego por un reactor de cavitación ruptura de membranas (8) , y finalmente por un reactor de esterilización (9).

Todos los reactores (7), (8) y (9) cuentan con un agitador de alta cavitación y energía (10) cuentan con:

Un agitador (10.1) de altas rpm con variador de frecuencia

Una zona de cavitación (10.2) en la que está alojada el agitador (10.1) y a la que están conectadas una entrada de aire (10.5) para cavitación y una entrada de inyección de reactivos (10.4).

Una entrada (10.3) para inyección de aire-agua refrigerante del eje del agitador (10). "Striping" del C0 ₂ y aumento de pH, es decir control de pH por Striping.

"Stripping" de C0 ₂ es el efecto de eliminación de C0 ₂ en una muestra saturada al meter otros gases, este C0 ₂ se elimina a la atmosfera y hay un salto de pH, este se eleva al desaparecer el C0 ₂ de la disolución que estaba en forma de ácido carbónico. Dependiendo del tipo de reactor la inyección de reactivos será diferente. Así, en el reactor de cavitación dispersión (7), habrá una entrada (7.1 ) de sosa y dispersantes, en el reactor de cavitación ruptura de membranas (8), habrá un entrada (8.1) para inyección de dióxido de cloro, y en el reactor de cavitación de esterilización (9), habrá una entrada (9.1) para inyección de ozono y vapor

Todos los reactores de cavitación (7), (8) y (9) cuentan con unas válvulas a su entrada y a su salida se pueden bypasear con múltiples combinaciones, así el reactor (7) cuentan con las válvulas (7.2) y (7.3), el reactor (8) con las válvulas (8.2) y (8.3) y el reactor (9) con las válvulas (9.2) y (9.3). Todos los reactores (7), (8), (9), también cuentan con una puerta de inspección (7.4), (8.4), (9.4) respectivamente.

Todos los reactores de cavitación (7), (8) y (9) además de quedar conectados en serie, cuentan con un by-pass (7.5), (8.5) y (9.5) que puentea la entrada y salida de cada reactor, y presentan a su entrada una válvula de (7.6), (8.6) y (9.6) respectivamente. El depósito (1 1) de acidificación comprende un agitador (1 1.1) dispuesto en su fondo, un respiradero (1 1 .2) y un rebosadero (1 1.3), ambos dispuestos en la parte superior, un drenaje (1 1.4) y un conducto de salida (12)

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.