“Procedimiento y sistema para el tratamiento anaerobio de fluidos residuales orgánicos”

Sector técnico de la invención

La invención se refiere a un procedimiento para el tratamiento anaerobio de fluidos residuales orgánicos, especialmente apto para aguas residuales y suspensiones fluidas con elevado contenido en aceites y grasas de origen natural.

La invención también se refiere a un sistema para el tratamiento anaerobio de fluidos residuales orgánicos, especialmente apto para la puesta en práctica de dicho procedimiento. Antecedentes de la invención

Es sabido que el tratamiento anaerobio de aguas residuales presenta indudables ventajas: la producción de biogás permite la valorización energética de la materia residual a tratar, la generación de fangos es baja y no requiere energía para la aireación necesaria en los procesos aerobios.

La baja velocidad de crecimiento de los microorganismos anaerobios hace necesario la utilización de dispositivos de retención y acumulación de biomasa activa. De hecho, uno de los principales problemas de la aplicación de procesos anaerobios es la pérdida de biomasa, problema que es conocido que se agrava en el tratamiento de fluidos con elevado contenido en materiales lipidíeos, lo que justifica su separación previa.

La retención de la biomasa puede realizarse mediante diferentes métodos dependiendo del modo de crecimiento de los microorganismos: adheridos a materiales de relleno, o formando agregados que se mantienen suspendidos en el fluido a tratar.

En el caso de los sistemas de biomasa suspendida la autoagregación es un requisito básico que cuando no es satisfactoria, o cuando se ve alterada por un cambio en las condiciones de operación, provoca un daño inmediato y en ocasiones irreversible sobre el proceso. Para la retención de biomasa en sistemas de crecimiento suspendido se ha empleado un amplio abanico de dispositivos cuya eficacia viene determinada por la diferencia entre la densidad del agua y de los agregados de biomasa. La viabilidad de estos dispositivos generalmente está condicionada por la formación de flóculos o gránulos de tamaño y densidad adecuados para la separación por sedimentación.

Los reactores anaerobios de biomasa suspendida más empleados son los sistemas de contacto anaerobio y los reactores de lecho o manto de lodos ascendente, conocidos por las siglas UASB de Upflow anaerobio Sludge Blanket, y sus variantes.

Los reactores UASB se caracterizan porque el agua circula en sentido ascendente a través del fango; y el efluente es recogido por la parte superior en la que se encuentra un sistema de separación gas-sólido-líquido. En este tipo de reactores, como en sus variantes, la clave es conseguir agregados con cualidades de sedimentación adecuadas que no sean arrastrados por el flujo ascendente tanto del agua como del biogás que se genera.

El tratamiento de aguas residuales con elevado contenido en aceites y grasas, características de industrias cárnicas, elaboraciones de productos fritos o lavaderos de lana, entre otras, plantea dificultades ampliamente descritas en la bibliografía técnica.

Resulta aparentemente contradictorio que, siendo el potencial metanogénico de los lípidos significativamente mayor que el de cualquier otro compuesto orgánico natural, las plantas depuradoras de aguas residuales con elevado contenido en aceites y grasas incorporen etapas de pretratamiento para el desengrasado, lo que supone una merma importante en la producción de biogás y un aumento de los costes de gestión de fangos.

Se han descritos problemas de (a) inhibición irreversible de las bacterias acetoclastas y metanogénicas por alteración de la permeabilidad de sus membranas celulares, (b) limitaciones a la transferencia de materia, del sustrato de la disolución a la biomasa y del producto generado por la biomasa al agua, asociados a la adsorción de ácidos grasos de cadena larga a los agregados bacterianos, (c) pérdida continuada de pequeños flóculos de biomasa, (d) pérdida irreversible de biomasa por flotación masiva de los fangos por defectos de desgasificación, y (e) taponamiento de los sistemas de recogida de biogás asociados a la formación de costras superficiales, entre otros. Se han realizado diferentes estudios para evaluar la importancia de cada uno de estos problemas individuales, de los que se desprende que la severidad y consecuencias depende en gran medida del tipo de biomasa y configuración del reactor. Se ha comprobado que el grosor de la capa de grasa adsorbida a la biomasa puede alcanzar varias décimas de milímetro en gránulos de tan solo 2-3 mm y cómo la presencia de ácidos grasos de cadena larga obstaculiza la adhesión a los gránulos de biomasa de los microorganismos b-oxidantes suspendidos, lo que les hace susceptibles de ser arrastrados con el efluente.

Un método para retener los flóculos de la biomasa es la utilización de dispositivos de separación externos y retorno al reactor anaerobio. Son conocidos sistemas basados en la combinación de digestores anaerobios de mezcla completa con unidades externas de ultrafiltración en membranas tubulares de flujo tangencial operadas a baja presión transmembranal.

A partir de la patente ES 2524522 se ha dado a conocer un procedimiento para el tratamiento anaerobio de fluidos residuales orgánicos caracterizados por su elevado contenido en aceites y grasas, capaz de resolver los problemas citados. Este procedimiento emplea un tanque anaerobio de flujo ascendente en el que la biomasa es retenida por completo en un tanque de filtración externo, mediante módulos de membranas sumergidas para la separación del agua tratada con retorno de la biomasa y materiales no digeridos del fluido residual al tanque anaerobio.

El fluido a tratar entra en el tanque anaerobio por la parte inferior y circula de forma homogénea en sentido ascendente a través de la biomasa que se encuentra mayoritariamente sedimentada. El efluente es un sobrenadante que sale por rebose por la parte superior del tanque anaerobio y que se dirige hacia el tanque de filtración.

En la etapa de filtración se utiliza uno o varios módulos de membranas sumergidas, planas o huecas. Este tipo de membranas requieren una agitación con el fin de reducir la deposición de biomasa y cualquier otro tipo de partículas a lo largo del proceso de filtración. Esta agitación se produce mediante el burbujeo intenso de un gas exento en oxígeno, preferentemente mediante la recirculación del biogás generado en el proceso biológico anaerobio. La corriente de gas introducida en el módulo de filtración induce un flujo ascendente de la fase líquida y biomasa suspendida en ella, por el efecto conocido como gas-lift, que rebosando de dicho tanque de filtración es recirculada a la parte inferior del tanque anaerobio mediante una conducción vertical. Este modo de recirculación minimiza las fuerzas de cizalladura características de otros métodos de bombeo. Por otra parte, el burbujeo empleado en el módulo de filtración proporciona condiciones adecuadas para el proceso anaerobio de betaoxidación de ácidos grasos de cadena larga originados en la hidrólisis de aceites y grasas.

La corriente de rechazo que sale del tanque de filtración contiene una mezcla de fango y biogás. El hecho de recircular esta corriente de rechazo hacia el tanque anaerobio permite la recuperación de la biomasa perdida con el sobrenadante que sale por rebose del tanque anaerobio.

No obstante, este procedimiento presenta el inconveniente de que el biogás contenido en la corriente de rechazo, al retornar por recirculación al tanque anaerobio, produce turbulencias no deseadas con la consiguiente pérdida de la esencial estratificación del manto de fangos.

Otro inconveniente es que las posibles aglomeraciones o flóculos de grasas y biomasa que consiguen escapar del tanque anaerobio con el rebose del sobrenadante y que circulan hacia el módulo de filtración, pueden producir obturaciones o daños graves en las membranas de filtración.

Por otra parte, es deseable disponer de una solución apta para recuperar la biomasa que escapa con el sobrenadante del tanque anaerobio y retornarla a través de la corriente de recirculación sin alterar la estratificación del manto de fangos del tanque anaerobio, y sin que ello suponga limitar la velocidad del flujo en la etapa de filtración. Es decir, es de interés poder controlar por separado la recirculación de la corriente de rechazo del módulo de filtración al tanque anaerobio y el flujo en el módulo de filtración.

Por otra parte, es de interés que la solución pueda implementarse de una forma estructuralmente sencilla, economizando el coste energético y reduciendo los costes de explotación.

Explicación de la invención

Con objeto de aportar una solución a los problemas planteados, se da a conocer un procedimiento para el tratamiento anaerobio de fluidos residuales orgánicos, especialmente apto para fluidos residuales que contienen aceites y grasas, que emplea un tanque anaerobio con manto de fango del que se extrae un sobrenadante y una primera corriente de gas; y al menos un módulo de filtración en el que se emplea un gas para procurar las condiciones de filtrado de una corriente a filtrar, y del que se extrae una corriente de rechazo.

El procedimiento se caracteriza porque comprende la operación de mezclar la corriente de rechazo del módulo de filtración y el sobrenadante extraído del tanque anaerobio, y contener la mezcla en un tanque intermedio, con salida de gas, extrayéndose del tanque intermedio

- una corriente de re-alimentación purgada de gas que es suministrada al fondo del tanque anaerobio,

- la corriente a filtrar que es suministrada al módulo de filtración, y

- una segunda corriente de gas.

Gracias a la operatividad del tanque intermedio, el procedimiento de la invención presenta las siguientes ventajas:

• Es importante destacar que la mezcla del sobrenadante y de la corriente de rechazo en el tanque intermedio produce una gran turbulencia debido a la alta velocidad que alcanza la corriente de rechazo, lo cual ayuda a romper las posibles aglomeraciones/flóculos de grasas y biomasa, generados a partir de productos intermedios de la digestión anaerobia, que pudieran salir del tanque anaerobio con el sobrenadante por rebose. En consecuencia, la materia particulada (p.ej. la biomasa) que se ha disgregado puede sedimentar dirigiéndose por gravedad hacia la parte inferior del tanque intermedio donde será recirculada como corriente de re alimentación hacia el tanque anaerobio. Por tanto, se evita que dichos flóculos penetren en el módulo de filtración, minimizando así el ensuciamiento y el posible riesgo de avería del módulo de filtración.

• El tanque intermedio actúa como una unidad desgasificadora, separando las burbujas de gas contenidas en la corriente de rechazo y extrayendo una corriente de re-alimentación exenta de gas que recircula hacia el tanque anaerobio. De este modo, a diferencia de como ocurría en los procedimientos conocidos en el estado de la técnica, el gas contenido en la corriente de rechazo no es inyectado en el tanque anaerobio, evitando así la turbulencia generada por las burbujas y la consiguiente pérdida de estratificación y rendimiento del tanque anaerobio.

• El tanque intermedio ofrece la posibilidad de desdoblar la necesaria recirculación de la corriente de rechazo del módulo de filtración al tanque anaerobio en dos corrientes de recirculación diferentes que pueden ser controladas por separado para la optimización de la estratificación de los lodos en el tanque anaerobio, por una parte; y el mantenimiento de una velocidad de flujo, por ejemplo de flujo cruzado, sobre el módulo de filtración que favorezca la filtración, por otra parte. Por tanto, el flujo en el módulo de filtración puede ser tan elevado como se desee sin comprometer la estratificación del tanque anaerobio, y de la misma manera, la recirculación del flujo del tanque anaerobio puede ajustarse como se desee para mantener una velocidad ascensional óptima en el tanque anaerobio, sin limitar la velocidad de flujo en la etapa de filtración.

El tanque intermedio puede operar como un“buffer”. Su nivel puede variar entre el correspondiente a la altura de entrada de sobrenadante del tanque anaerobio y el de salida de recirculación del fluido a filtrar al módulo de filtración. El volumen comprendido entre ambos niveles permite mantener el flujo de filtración del módulo de filtración en condiciones óptimas a pesar de las fluctuaciones de flujo de la corriente del fluido residual a tratar, así como la realización de operaciones de mantenimiento del módulo de filtración de corta duración, entre 2 y 6 horas, como es la limpieza con reactivos químicos sin interrumpir la alimentación del proceso biológico.

Consecuentemente, en una variante, el procedimiento comprende la operación de regular el flujo de la corriente re-alimentación que entra en el tanque anaerobio y el flujo de la corriente del fluido a filtrar que entra en el módulo de filtración, de manera independiente y a diferente régimen.

La utilización del tanque intermedio permite tener estos dos ciclos separados, y por tanto es posible ajustar las velocidades de cada flujo de manera independiente, mejorando la flexibilidad del sistema.

Preferentemente, la primera corriente de gas generada en el tanque anaerobio, la segunda corriente de gas separada mediante el tanque intermedio, o una mezcla de éstas es al menos parcialmente recirculada hacia el módulo de filtración, obteniéndose un flujo de gas que es empleado en el módulo de filtración para procurar las condiciones de filtrado de la corriente a filtrar.

Se contempla pues usar total o parcialmente la primera corriente de gas; total o parcialmente la segunda corriente de gas; o total o parcialmente ambas corrientes de gas, para lo cual pueden ser mezcladas antes de ser empleadas en el módulo de filtración. Además, el hecho de emplear el propio gas extraído del tanque anaerobio y/o del tanque intermedio permite reducir los costes de producción, ya que no es necesario disponer de otra fuente externa que suministre un gas exento de oxígeno en el módulo de filtración.

De acuerdo con una característica de la invención, la corriente de rechazo y el sobrenadante entran por una zona superior al tanque intermedio, dispuesta a un nivel por encima de la salida de la corriente a filtrar de dicho tanque intermedio. De esta manera, la turbulencia generada por la mezcla de la corriente de rechazo y del sobrenadante tiene lugar en la parte superior del tanque intermedio. Esto permite que la materia particulada, a consecuencia de la ruptura de las aglomeraciones/flóculos de grasas y biomasa, pueda sedimentar paulatinamente hacia el fondo del tanque intermedio, y por otra parte, permite que el gas separado se acumule en la parte superior del tanque intermedio.

Preferentemente, la mezcla del sobrenadante y de la corriente de rechazo se lleva a cabo en el interior del tanque intermedio, de modo que la corriente de rechazo entra en el tanque intermedio a un nivel tal que permite que dicha mezcla se mantenga ligeramente por debajo del nivel del rebosadero del sobrenadante, y a su vez a un nivel ligeramente por encima del nivel del líquido contenido en su interior para evitar la formación de espumas por burbujeo o por las salpicaduras generadas por la fuerza con la que la corriente de rechazo cae sobre la superficie del líquido del tanque intermedio.

De manera alternativa, la corriente de rechazo y el sobrenadante se pueden mezclar antes de entrar dicha mezcla en el tanque intermedio.

Preferiblemente, la corriente a filtrar sale por una zona lateral a media altura del tanque intermedio. De esta manera, la corriente a filtrar extraída es menos densa, ya que la turbulencia es relativamente baja en dicha zona a media altura, minimizándose por tanto la concentración de materia particulada que ya habrá sedimentado hacia el fondo del tanque intermedio.

Ventajosamente, la corriente de re-alimentación sale por una zona lateral inferior del tanque intermedio, dispuesta a un nivel por debajo de la salida de la corriente a filtrar de dicho tanque intermedio. En consecuencia, la materia particulada que se ha escapado del tanque anaerobio con el sobrenadante y que ha conseguido sedimentar al descender a lo largo del tanque intermedio puede ser devuelta al tanque anaerobio por su parte inferior.

Opcionalmente, la corriente a filtrar es sometida a una operación de filtrado de sólidos antes de ser suministrada al módulo de filtrado. Esta operación adicional de filtrado de sólidos permite retener posibles precipitados de grasas y sales que hayan podido escapar del tanque intermedio junto con la corriente a filtrar, ya que el tamaño de dichos precipitados podría producir obturaciones y daños graves en el módulo de filtración.

De acuerdo con otro aspecto, la invención también se refiere a un sistema para el tratamiento anaerobio de fluidos residuales orgánicos, especialmente para fluidos residuales que contienen aceites y grasas, que comprende

- un tanque anaerobio de flujo ascendente con manto de fangos, provisto de una entrada de un afluente de fluido a tratar; una entrada de re alimentación para una corriente de re-alimentación; una salida de un sobrenadante por rebose; y medios para colectar una primera corriente de gas; y

- al menos un módulo de filtración con medios para el suministro de una corriente de fluido a filtrar y de una corriente de gas; al menos una salida de un permeado; y una salida de una corriente de rechazo.

El sistema se caracteriza porque comprende un tanque intermedio donde se contiene una mezcla del sobrenadante extraído del tanque anaerobio y de la corriente de rechazo del módulo de filtración, estando provisto el tanque intermedio de medios para la salida de una segunda corriente de gas y de al menos dos otras salidas de las que

- una es una salida que comunica con el módulo de filtración por donde puede circular la corriente de fluido a filtrar; y

- otra es una salida que comunica con la entrada de re-alimentación del tanque anaeróbico por donde puede circular la corriente de fluido de re alimentación.

Ventajosamente, el sistema comprende unos primeros medios de impulsión para forzar la recirculación de la corriente de re-alimentación y controlar la velocidad ascensional en el tanque anaerobio, y unos segundos medios de impulsión para regular la velocidad de la corriente del fluido a filtrar que entra en el módulo de filtración, siendo ambos medios de impulsión susceptibles de ser gobernados independientemente mediante unos medios de control para poder operar con diferente régimen de velocidades entre el tanque anaerobio y el tanque intermedio por una parte, y entre el tanque intermedio y el módulo de filtración por otra parte. Dichos medios de impulsión pueden ser, por ejemplo, bombas hidráulicas.

Preferentemente, el sistema comprende una línea de conducción de gases que conduce la primera y la segunda corrientes de gas, estando dicha línea dotada de una derivación a modo de by-pass que comunica con el módulo de filtración, prevista para recircular al menos parcialmente la primera y/o la segunda corrientes de gas, obteniéndose un flujo de gas que es empleado en el módulo de filtración para procurar las condiciones de filtrado de la corriente de fluido a filtrar.

Preferiblemente, el gas empleado en el módulo de filtración se mezcla con la corriente de fluido a filtrar mediante un difusor. En este caso, el gas empleado es inyectado a través de un difusor dispuesto en la entrada del módulo de filtración, en una zona inferior del mismo, donde se encontrará con la corriente del fluido a filtrar que también entra por la parte inferior del módulo de filtración. El difusor permite inyectar el gas con un tamaño de burbuja concreto.

Más preferentemente, el difusor empleado es un difusor de burbuja gruesa con perforaciones, preferiblemente, de entre 1 y 4 mm.

De manera alternativa, también se prevé la posibilidad de que dicho gas y la corriente de fluido a filtrar se mezclen antes de que dicha mezcla sea introducida en la parte inferior del módulo de filtración.

Según otra característica de la invención el tanque anaerobio comprende en su espacio de cabeza, por encima del nivel del rebosadero del sobrenadante, una zona de recogida del gas generado. Asimismo, el tanque intermedio comprende en su espacio de cabeza una zona de acumulación del gas separado.

De acuerdo con una realización de la invención, sendas zonas de recogida de gas del tanque anaerobio y de acumulación del tanque intermedio son independientes, de modo que la primera y segunda corrientes de gas son extraídas a través de respectivas salidas conectadas en paralelo con dicha línea de conducción de gases.

De acuerdo con otra realización de la invención, sendas zonas de recogida de gas del tanque anaerobio y de acumulación del tanque intermedio están interconectadas, de modo que la mezcla obtenida de la primera y segunda corrientes de gas es extraída a través de una única salida que comunica con dicha línea de conducción de gases.

Opcionalmente, el sistema comprende al menos un filtro de sólidos dispuesto entre el tanque intermedio y el módulo de filtración. De este modo, se garantiza la retención de posibles precipitados de grasas y sales que hayan podido escapar del tanque intermedio junto con la corriente a filtrar, para evitar obturaciones y daños graves en el módulo de filtración.

Conforme a otra característica de la invención, el sistema comprende un compresor previsto para regular el caudal de la corriente de gas empleada en el módulo de filtración.

Preferentemente, el tanque intermedio está constituido por un recipiente orientado vertical con una altura tal que su nivel superior iguala o supera el mayor de los niveles del tanque anaerobio y del módulo de filtración, y con un diámetro tal que permite que la velocidad de flujo descendente en la parte inferior del tanque intermedio sea adecuada para la decantación de los flóculos exentos de gas.

El hecho de utilizar un tanque intermedio particularmente alto facilita, por una parte, la desgasificación de la corriente de rechazo, evitando que el gas separado pueda entrar en el tanque anaerobio por la corriente de re-alimentación; y por otra parte, facilita la sedimentación de las partículas procedentes de la ruptura de las aglomeraciones/flóculos de grasas y biomasa que hayan podido escapar con el sobrenadante y que serán devueltas al tanque anaerobio por la corriente de re-alimentación. De acuerdo con una realización preferida, el al menos un módulo de filtración es un módulo de membranas multitubulares de microfiltración o ultrafiltración.

De acuerdo con otra realización preferida, el sistema comprende al menos dos módulos de filtración dispuestos verticalmente y acoplados en serie o en paralelo.

En función de los requisitos del sistema, cabe la posibilidad de disponer los módulos de filtración horizontal o verticalmente. Se ha comprobado que la manera óptima es operar disponiendo los módulos en vertical y en paralelo, ya que se obtiene un consumo energético menor.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos adjuntos se ilustra, a título de ejemplo no limitativo, unos modos de realización preferidos del sistema para el tratamiento anaerobio de fluidos residuales orgánicos de la invención. En dichos dibujos:

la Fig. 1 es un diagrama de flujo del sistema de la invención según una primera realización preferida;

la Fig. 2 es un diagrama de flujo del sistema según otra realización, en la que la mezcla del sobrenadante y de la corriente de rechazo se realiza antes de entrar dicha mezcla en el tanque intermedio;

la Fig. 3 es un diagrama de flujo del sistema según otra realización, en la que los espacios de recogida de gas del tanque anaerobio y de acumulación del tanque intermedio están interconectados entre sí;

la Fig. 4 es un diagrama de flujo del sistema según otra realización, en la que se emplean dos módulos de filtración conectados en serie;

la Fig. 5 es un diagrama de flujo del sistema según otra realización, en la que se emplean dos módulos de filtración conectados en paralelo;

la Fig. 6 es un diagrama de flujo del sistema según otra realización, desprovisto del filtro de sólidos; y

la Fig. 7 es una vista esquemática de un módulo de filtración de membranas multitubulares que comprende un difusor de gas dispuesto en la parte inferior del mismo, mostrando además la posición de las respectivas entradas y salidas de fluido.

Descripción detallada de la invención

A continuación, se describe un sistema para el tratamiento anaerobio de fluidos residuales orgánicos que utiliza un procedimiento según la invención, probado a escala piloto en el tratamiento de las aguas residuales de dos industrias alimentarias dedicadas, la primera, a la elaboración de platos precocinados, y la segunda a la producción de aperitivos de patata y maíz.

Las aguas residuales están compuestas por los vertidos individuales que se producen de forma discontinua principalmente en las operaciones de limpieza de equipos de las líneas de producción, tanques de fritura y salas. Tras sendas operaciones de desbaste y tamizado, el vertido tiene un elevado contenido orgánico, con Demanda Química de Oxígeno (DQO) muy variable, comprendida entre 2800 y 43000 mg/L. Las aguas residuales poseen un elevado contenido de materiales lentamente biodegradables y elevada capacidad de adsorción que provocan alteraciones en los procesos de tratamiento anaerobios convencionales, concretamente aceites y grasas, con concentraciones comprendidas entre 360 y 12000 mg/L, siendo con frecuencia el componente mayoritario. La concentración de nutrientes, oscila ampliamente dependiendo del tipo de plato elaborado, desde niveles muy bajos 75 mg N/L y 60 mg P/L para aperitivos y hamburguesas vegetales, hasta 470 mg N/L y 80 mg P/L en los vertidos generados en la elaboración de rabas. Para el mantenimiento óptimo de la actividad biológica, a las aguas con déficit de nutrientes se las añade las cantidades adecuadas de urea y ácido fosfórico, añadiendo hidróxido sódico para el control del pH y el mantenimiento de niveles adecuados de alcalinidad que otorgan estabilidad a los procesos biológicos anaerobios.

De acuerdo con una realización preferida mostrada en la figura 1 , el sistema para el tratamiento anaerobio de fluidos residuales orgánicos, especialmente para fluidos residuales que contienen aceites y grasas, comprende:

- un tanque anaerobio 1 de flujo ascendente con manto de fangos, provisto de una entrada de un afluente 2 de fluido a tratar; una entrada de re alimentación para una corriente de re-alimentación 3; una salida de un sobrenadante 4 por rebose; y medios para colectar una primera corriente de biogás 5;

- al menos un módulo de filtración 6 con medios para el suministro de una corriente de fluido a filtrar 7 y de una corriente de gas 8, en el ejemplo de biogás como se explicará más adelante; al menos una salida de un permeado 9; y una salida de una corriente de rechazo 10;

- un tanque intermedio 1 1 donde se contiene una mezcla del sobrenadante 4 extraído del tanque anaerobio 1 y de la corriente de rechazo 10 del módulo de filtración 6, estando provisto el tanque intermedio 11 de medios para la salida de una segunda corriente de biogás 12 y de al menos dos otras salidas de las que

- una es una salida que comunica con el módulo de filtración 6 por donde puede circular la corriente de fluido a filtrar 7; y

- otra es una salida que comunica con la entrada de re-alimentación del tanque anaeróbico 1 por donde puede circular la corriente de fluido de re-alimentación 3.

El tanque anaerobio 1 de flujo ascendente está estratificado por lo que la concentración de biomasa es significativamente mayor en su zona inferior, lo cual permite reducir las pérdidas de biomasa en su salida superior, y mejorar su aclimatación y su rendimiento en la degradación de aceites y grasas.

El tanque anaerobio 1 posee un manto de fangos parcialmente sedimentados a través de los que circula el afluente 2, en este caso el agua residual a tratar, y la corriente de re-alimentación 3 del tanque intermedio 11 en sentido ascendente, siendo posible regular su velocidad entre 0.5 y 2 m/h con el fin de mantener el manto de fangos suavemente agitado y favorecer el desprendimiento de biogás de los flóculos microbianos, minimizando el arrastre de biomasa con el flujo del agua. El tanque anaerobio 1 tiene un volumen que le permite mantener un tiempo de residencia adecuado para el correcto desarrollo del proceso biológico anaerobio, entre 12 y 48 h dependiendo de la concentración de materia orgánica y proporción de aceites y grasas en el agua residual.

El afluente 2 de fluido a tratar puede ser introducido por la zona inferior del tanque anaerobio 1. Generalmente, esta entrada de alimentación se realiza a través de al menos una conducción con entrada directa en la parte inferior del tanque anaerobio 1 , como se ha representado en la figura 1.

Alternativamente, se prevé también que la entrada de afluente 2 se realice a través de al menos una tubería sumergida que entra por la parte superior del tanque anaerobio 1 y que conduce el afluente 2 hasta su zona inferior. De esta manera, se consigue alimentar el tanque anaerobio 1 de manera“upflow” sin riesgo a tener que parar el proceso en caso de obturación de tuberías por acumulación de grasas, pues resulta más sencillo limpiar esta tubería de alimento, operación que solamente precisa sacar la tubería para su inspección o mantenimiento, que tener que vaciar el tanque anaerobio 1 para acceder a una conducción de entrada directa a la parte inferior del tanque anaerobio.

Tal como se muestra en la figura 1 , desde la parte superior del tanque anaerobio 1 pasa el sobrenadante 4 por rebose al tanque intermedio 1 1 en el que se mezcla con la corriente de rechazo 10 del módulo de filtración 6, provocando una fuerte agitación que favorece que aquellos flóculos de grasas y biomasa que, por flotación, han sido arrastrados por el sobrenadante 4, liberen el biogás y sedimenten en la parte inferior.

La mezcla del sobrenadante 4 y de la corriente de rechazo 10 se lleva a cabo en el interior del tanque intermedio 11 , de modo que la corriente de rechazo 10 entra en el tanque intermedio 1 1 a un nivel tal que permite que dicha mezcla se mantenga ligeramente por debajo del nivel del rebosadero del sobrenadante 4, y a su vez a un nivel ligeramente por encima del nivel del líquido contenido en su interior para evitar la formación de espumas por burbujeo o por las salpicaduras generadas por la fuerza con la que la corriente de rechazo cae sobre la superficie del líquido del tanque intermedio.

De manera alternativa, según otra variante mostrada en la figura 2, la mezcla del sobrenadante 4 y de la corriente de rechazo 10 podría realizarse antes de entrar dicha mezcla en el tanque intermedio 11. Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, una primera bomba 13 fuerza la recirculación de la corriente de re-alimentación 3 en dirección al tanque anaerobio 1 , lo que permite mantener una velocidad ascensional adecuada y devuelve los sólidos decantados, exentos de biogás, al manto de lodos. Dicha corriente de re alimentación 3 se extrae de la parte inferior del tanque intermedio 1 1.

La corriente de fluido de re-alimentación 3 es introducida hacia la parte inferior del tanque anaerobio 1 , pudiéndose emplear para ello una conducción con entrada directa en la parte inferior del tanque anaerobio 1 , como se puede apreciar en las figuras 1 y 2. Según otra variante, de manea análoga, se podría emplear una tubería sumergida que entre por la parte superior del tanque anaerobio 1 y que conduzca dicha corriente de fluido de re-alimentación 3 hasta su zona inferior.

En los ejemplos, el tanque intermedio 1 1 está constituido por un recipiente orientado vertical con una altura tal que su nivel superior iguala o supera el mayor de los niveles del tanque anaerobio 1 y del módulo de filtración 6, y con un diámetro tal que permite que la velocidad de flujo descendente en la parte inferior del tanque intermedio 11 sea adecuada para la decantación de los flóculos exentos de gas.

El nivel al que se encuentra colocado la salida de la corriente a filtrar 7 en el tanque intermedio 1 1 , permite diferenciar en el tanque intermedio 11 dos zonas: una zona superior A, en la que se produce una mezcla intensa del sobrenadante 4 que sale del tanque anaerobio 1 con la corriente de rechazo 10; y una zona inferior B, en la que el fluido circula lentamente hacia la salida del retorno al tanque anaerobio 1 , en sentido descendente favoreciendo la recirculación de los flóculos que abandonaron el tanque anaerobio 1 con el sobrenadante 4 y los rechazados por el módulo de filtración 6.

El sistema comprende una línea 14 de conducción de gases que colecta y conduce una mezcla de biogás 8 formada por la mezcla de la primera 5 y segunda 12 corrientes de biogás para su empleo, por ejemplo, como combustible en una caldera. Además, dicha línea 14 está dotada de una derivación a modo de by-pass que comunica con el módulo de filtración 6, prevista para recircular al menos parcialmente dicha mezcla de biogás 8 que es empleado en el módulo de filtración 6 para procurar las condiciones de filtrado de la corriente de fluido a filtrar 7. Asimismo, se emplea un compresor 15 previsto para regular el caudal de la corriente de gas 8.

El tanque anaerobio 1 comprende en su espacio de cabeza, por encima del nivel del rebosadero del sobrenadante 4, una zona de recogida del biogás 5 generado por la descomposición de la materia orgánica. Asimismo, el tanque intermedio 1 1 comprende en su espacio de cabeza una zona de acumulación del biogás 12 separado.

De acuerdo con las realizaciones mostradas en las figuras 1 y 2, sendas zonas de recogida de biogás del tanque anaerobio 1 y de acumulación del tanque intermedio 11 son independientes, de modo que la primera 5 y segunda 12 corrientes de gas son extraídas a través de respectivas salidas conectadas en paralelo con dicha línea 14 de conducción de gases.

De acuerdo con otra realización mostrada en la figura 3, sendas zonas de recogida de biogás del tanque anaerobio 1 y de acumulación del tanque intermedio 11 están interconectadas a través de una conducción 12’, de modo que la mezcla 5’ obtenida de la primera 5 y segunda 12 corrientes de biogás es extraída a través de una única salida que comunica con dicha línea 14 de salida de gases.

Tal como se puede apreciar en las figuras 1 a 3, el tanque intermedio 1 1 se encuentra conectado en serie con recirculación al módulo de filtración 6. Una segunda bomba 16 impulsa la corriente de fluido a filtrar 7, formada por la mezcla del sobrenadante 4 y la corriente de rechazo 10, hacia el módulo de filtración 6.

El módulo de filtración 6 escogido en estos ejemplos es un módulo de membranas multitubulares de microfiltración o ultrafiltración.

En el caso de utilizar dos o más módulos de filtración, estos se pueden instalar según diferentes disposiciones en función de las necesidades del sistema. En la figura 4 se ha representado una realización con dos módulos de filtración 6 dispuestos en vertical y en serie; mientras que en la figura 5 se muestra otra realización con dos módulos de filtración 6 dispuestos en vertical y en paralelo, proporcionando esta última realización un consumo energético menor.

En cualquier caso, las membranas de ultrafiltración empleadas se encuentran orientadas verticalmente y poseen un tamaño de poro de 30 nm, cuyos tubos individuales tienen diámetros entre 5.2 y 8 mm, y una superficie de filtración de 4.1 m ² . La combinación de la presión ejercida por el flujo de la mezcla y el efecto de una bomba de succión (no ilustrada) comunicada con la cara externa de las membranas provoca la filtración, extrayendo un permeado 9 que circula a través del tanque de permeado (no representado). De forma intermitente, tras 15 - 60 minutos se detiene la filtración y se activa una bomba que toma agua de la parte inferior del tanque de permeado para reintroducirlo en el módulo o módulos de membranas 6 en sentido contrario al de la filtración, produciendo un contralavado, durante 30 - 60 segundos, para el control del ensuciamiento de las membranas, lo que permite mantener la presión transmembranal por debajo de 600 mbar. Para mantener flujos tangenciales adecuados, y para evitar la deposición de sólidos sobre la superficie de las membranas, la segunda bomba 16 de recirculación se puede regular de forma independiente, sin que ello afecte a la recirculación del tanque anaerobio 1.

El tanque intermedio 11 ofrece la posibilidad de desdoblar la necesaria recirculación de la corriente de rechazo 10 del módulo de filtración 6 al tanque anaerobio 1 en dos corrientes de recirculación diferentes que pueden ser controladas por separado para la optimización de la estratificación de los lodos en el tanque anaerobio 1 , por una parte, y el mantenimiento de una velocidad de flujo cruzado sobre el módulo de filtración 6 que favorezca la filtración, por otra parte.

Para ello, la primera 13 y segunda 16 bombas pueden ser gobernadas independientemente mediante unos medios de control para poder operar con diferente régimen de velocidades entre el tanque anaerobio 1 y el tanque intermedio 11 por una parte, y entre el tanque intermedio 11 y el módulo de filtración 6 por otra parte. Por tanto, el flujo cruzado en el módulo de filtración 6 puede ser tan elevado como se desee sin comprometer la estratificación del tanque anaerobio 1. De la misma manera, la recirculación del flujo del tanque anaerobio 1 puede ajustarse como se desee para mantener una velocidad ascensional óptima en el tanque anaerobio 1.

La utilización del tanque intermedio 11 permite tener estos dos ciclos separados, y por tanto es posible ajustar las velocidades de cada flujo de manera independiente, mejorando la flexibilidad del sistema.

Por otra parte, el tanque intermedio puede operar como un“buffer”. Su nivel puede variar entre el correspondiente a la altura de entrada de sobrenadante 4 del tanque anaerobio 1 y el de salida de recirculación del fluido a filtrar 7 a las membranas del módulo de filtración 6. El volumen comprendido entre ambos niveles permite mantener el flujo de filtración de las membranas en condiciones óptimas a pesar de las fluctuaciones de flujo de la corriente de agua residual 2 a tratar, así como la realización de operaciones de mantenimiento de las membranas de corta duración, entre 2 y 6 horas, como es la limpieza con reactivos químicos sin interrumpir la alimentación del proceso biológico.

De acuerdo con una realización preferida mostrada en la figura 7, el gas 8 empleado en el módulo de filtración 6 se mezcla con la corriente de fluido a filtrar 7 mediante un difusor 6a dispuesto en la entrada del módulo de filtración 6, en una zona inferior del mismo, donde se encontrará con la corriente del fluido a filtrar 7 que también entra por la parte inferior del módulo de filtración 6. El difusor 6a permite inyectar el gas 8 con un tamaño de burbuja concreto, pudiendo emplearse para ello un difusor de burbuja gruesa con perforaciones, por ejemplo, de entre 1 y 4 mm.

De manera alternativa, también se prevé la posibilidad de que dicho gas 8 y la corriente de fluido a filtrar 7 se mezclen antes de que dicha mezcla sea introducida en la parte inferior del módulo de filtración 6, como se ha representado en las figuras 1 a 6. La confluencia antes o en el módulo de filtración 6 de la mezcla recirculada de biogás 8 que es impulsada mediante el compresor 15 y la corriente de fluido a filtrar 7, procedente del tanque intermedio 11 , forma una mezcla líquido-gas que circula a través de los tubos perforados de las membranas en los que se generan burbujas gruesas, de entre 1 y 3 mm, que ascienden generando una corriente turbulenta sobre las membranas que contribuye a mantener limpia la superficie de filtración. El flujo de biogás 8 inyectado puede ser regulado entre 0.2 y 1.0 m ³ /h m ² con respecto a la superficie de filtración. El biogás junto con el rechazo de la filtración abandona el módulo de filtración 6 por su parte superior, siendo el biogás nuevamente separado de dicha corriente de rechazo 10 en el tanque intermedio 11. Aunque no se ha representado, una pequeña cantidad de biogás que atraviesa la membrana es enviada junto con el permeado 9 al tanque cerrado de permeado en el que se separa de él y es recogido por su parte superior para su devolución al espacio de cabeza del tanque anaerobio 1.

La formación de la mezcla líquido-gas en la parte inferior del módulo de filtración 6 también reduce la densidad media del fluido, lo que provoca una corriente ascendente, conocida como gas-lift, que contribuye a reducir el consumo de energía de la citada segunda bomba 16 que impulsa la corriente de fluido a filtrar 7 al módulo de filtración 6.

Adicionalmente, el sistema puede comprender un filtro de sólidos 17 dispuesto entre el tanque intermedio 11 y el módulo de filtración 6, con el fin de retener posibles precipitados de grasas y sales que hayan podido escapar del tanque intermedio 11 junto con la corriente a filtrar 7. El tamaño de malla del filtro de sólidos 17 debe ser escogido en función del tipo de módulo de filtración 6 que se emplee; si se utiliza un módulo de membranas tubulares, debe escogerse un filtro de sólidos cuyo tamaño de malla sea menor que el diámetro de los tubos de la membrana, por ejemplo entre 2 y 4 mm, para evitar obturaciones en los tubos de la membrana.

No obstante, también se prevé otra realización del sistema en la que no se incluye dicho filtro de sólidos 17, tal como se ha ilustrado en la figura 6. En este caso, la corriente de fluido a filtrar 7 entra directamente en el módulo de filtración 6.

El sistema proporciona una óptima producción de biogás, obteniendo a su vez efluentes de elevada calidad biológica y fisicoquímica con una retención completa de fangos y baja generación de lodos. Se ha comprobado que el sistema permite alcanzar rendimientos de eliminación de materia orgánica de 85-95%, con una producción de biogás de 460-620 L/kg DQO con un contenido en metano de 72-78% en base seca.