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ES2708453T3 - Tratamiento avanzado biológico de aguas usando algas - Google Patents

Tratamiento avanzado biológico de aguas usando algas Download PDF

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ES2708453T3
ES2708453T3 ES11798507T ES11798507T ES2708453T3 ES 2708453 T3 ES2708453 T3 ES 2708453T3 ES 11798507 T ES11798507 T ES 11798507T ES 11798507 T ES11798507 T ES 11798507T ES 2708453 T3 ES2708453 T3 ES 2708453T3
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flow
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ES11798507T
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Terry Robinson
Kevin Mcgraw
Jared Sylvester
Jesse Weidow
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Clearas Water Recovery Inc
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Clearas Water Recovery Inc
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Abstract

Un método para el tratamiento avanzado de agua, que comprende: a) recibir (100) un flujo continuo de agua; b) prefiltrar (102) el caudal de agua recibido para reducir los sólidos suspendidos; c) añadir CO2 (104) al flujo prefiltrado de agua para aumentar la biodisponibilidad de los constituyentes de nutrientes en el flujo prefiltrado, acondicionando así el flujo prefiltrado; d) mezclar (106) en un recipiente de mezcla (210) el flujo acondicionado con un flujo de microalgas vivas (RAA) para producir un flujo de mezcla; e) pasar (108) el flujo de la mezcla una vez a través de un fotobiorreactor de tubo cerrado (PBR) para que las microalgas en el flujo de la mezcla se reproduzcan y tomen los nutrientes y los metales en trazas en el flujo de la mezcla; f) separar continuamente (110) microalgas del caudal de la mezcla que sale del fotobiorreactor para producir un flujo tratado (permeado) y el flujo de microalgas vivas (RAA), y además comprende la medición de la turbidez del caudal de la mezcla que sale del fotobiorreactor y eliminar una fracción del caudal de la mezcla (denominada flujo de WAA) del caudal de la mezcla, donde el tamaño de la fracción se basa en la turbidez medida; Y g) el retorno continuo (112) del flujo de microalgas vivas (RAA) al recipiente de mezcla (210), en donde el 50% o más en volumen del flujo de microalgas vivas (RAA) separado del flujo de mezcla que sale del fotobiorreactor se devuelve al recipiente de mezcla (210).

Description

DESCRIPCION
Tratamiento avanzado biologico de aguas usando algas
CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere en general a metodos y sistemas para el tratamiento de aguas. Mas concretamente, se refiere al tratamiento avanzado de aguas utilizando algas u otros organismos biologicos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Los sistemas de tratamiento de aguas municipales e industriales desempenan un papel crucial en una sociedad ambientalmente sostenible. El tratamiento de aguas en tales sistemas se divide convencionalmente en tres etapas: tratamiento de aguas primario, secundario y avanzado. El tratamiento de aguas avanzado se define aqu como el tratamiento terciario del agua, el tratamiento fisicoqmmico, el tratamiento biologico-ffsico combinado, y generalmente cualquier proceso disenado para producir un efluente de una calidad mas alta que alcanzado normalmente por procesos de tratamiento secundario. El tratamiento avanzado de aguas mejora la calidad del agua antes de su reutilizacion o descarga en el medio ambiente a fin de limitar el impacto ambiental adverso y/o cumplir con las regulaciones gubernamentales u otras restricciones. El tratamiento avanzado normalmente incluye, por ejemplo, la reduccion de los niveles excesivos de nutrientes (como el nitrogeno y el fosforo), asf como la reduccion de los metales en trazas (como el selenio y el magnesio) y otros contaminantes y compuestos regulados (como bifenilos policlorados, la demanda biologica de oxfgeno y la demanda de oxfgeno carbonaceo). La cantidad de agua de descarga, y en un numero creciente de casos de reutilizacion, esta limitada por la calidad del agua. En consecuencia, se necesitan sistemas de tratamiento de aguas capaces de producir agua que cumpla con los requisitos de descarga o reutilizacion regulados.
Un enfoque para el tratamiento de aguas implica el uso de algas u otros agentes biologicos como las cianobacterias para eliminar o reducir las cantidades de nutrientes y metales en trazas. Los sistemas existentes de este tipo, sin embargo, tienen una o mas desventajas que incluyen:
a) caudales bajos que requieren una huella ffsica significativa para tratar grandes volumenes de agua, b) niveles inaceptablemente elevados de nutrientes, metales u otros contaminantes en el agua tratada, c) disponibilidad/penetracion lummica limitada para optimizar los procesos biologicos,
d) falta de velocidad que resulta en la acumulacion de biopelfcula,
e) entornos no controlados (estanques/canales abiertos) que presentan oportunidades para una facil contaminacion o cambio en la qmmica del agua,
f) acumulacion de solidos suspendidos debido a la falta de prefiltracion, e
g) incapacidad para manejar la biodisponibilidad de los constituyentes en el agua para su extraccion por el agente biologico. El documento WO0034189 revela un fotobiorreactor (65) seguido de una separacion (12) que produce permeado y biomasa, que se devuelve.
Por consiguiente, sigue existiendo la necesidad de mejorar las tecnicas de tratamiento avanzado del agua utilizando algas u otros organismos biologicos.
RESUMEN DE LA INVENCION
La invencion se define por las reivindicaciones anexas. Se proporcionan un sistema y un metodo para el tratamiento avanzado de aguas. Un flujo continuo de agua es prefiltrado, acondicionado, mezclado con un cultivo denso de microalgas y pasado una sola vez a traves de un fotobiorreactor cerrado, controlado (PBR). Estos procesos interconectados estan disenados para dar como resultado el consumo de nutrientes, la extraccion de metales en trazas y la reduccion de otros contaminantes y compuestos regulados del agua. El flujo del PBR se separa en un flujo de agua tratada, tambien mencionado como el permeado, y un flujo denso de microalgas, tambien mencionado como las algas activadas retornadas (RAA). Luego el permeado se descarga o se vuelve a utilizar. En algunos casos, y dependiendo de los requisitos reglamentarios, antes de la descarga o reutilizacion el permeado puede pasar a traves de procesos de pulido y desinfeccion adicionales como la desinfeccion ultravioleta. El 50% o mas en volumen del flujo RAA se devuelve a la fase de mezcla para tratar el flujo acondicionado corriente arriba. Mientras que las algas se reciclan en el sistema de tratamiento, el agua es tratada por un flujo continuo secuencialmente a traves de las etapas del sistema, sin ningun reciclaje o repeticion de etapas de tratamiento. El sistema trata el flujo a medida que pasa continuamente a traves de la secuencia de etapas del proceso, una vez. El sistema recicla la cantidad requerida de algas apropiadas para tratar el flujo continuo que pasa a traves de las etapas. Para compensar el crecimiento excesivo de las algas, se recolecta o se extrae un porcentaje del flujo de RAA de la PBR como algas activadas por residuos (WAA) para mantener la densidad de algas adecuada en el sistema. La cantidad de extraccion de WAA controla el equilibrio de los alimentos (nutrientes en el agua) a la biomasa (algas) en el sistema de tratamiento. Dependiendo de la composicion de nutrientes y/o metales en trazas del agua, pueden anadirse nutrientes adicionales o metales en trazas justo antes de la fase de mezcla del proceso de tratamiento para asegurar el crecimiento adecuado del cultivo de algas.
En otro aspecto, se proporciona un metodo para el tratamiento avanzado de agua que incluye las siguientes etapas: a) recibir un flujo continuo de agua; b) prefiltrar el flujo de agua recibido para reducir los solidos suspendidos; c) acondicionar el flujo prefiltrado de agua anadiendo CO2 para ajustar el pH del flujo prefiltrado, para aumentar la biodisponibilidad de los constituyentes de nutrientes en el agua, asf como para proporcionar una fuente de carbono para la posterior fotosmtesis de algas en el flujo prefiltrado; d) mezclar en un recipiente de mezcla el caudal acondicionado con un flujo denso de microalgas vivas (RAA) para producir un flujo de mezcla; e) pasar el flujo de la mezcla una vez a traves de un fotobiorreactor de tubo cerrado (PBR) expuesto a luz natural y/o suplementaria de manera que las microalgas en el flujo de mezcla se reproduzcan y tomen los nutrientes y los metales en trazas en el flujo de la mezcla; f) separar continuamente las microalgas del flujo de mezcla que sale del fotobiorreactor para producir un flujo tratado (permeado) y el flujo denso de microalgas vivas (RAA); y g) devolver continuamente el flujo denso de microalgas vivas (RAA) al recipiente de mezcla para mezclar con el efluente acondicionado entrante y repetir el proceso antes mencionado.
Las realizaciones preferidas del metodo pueden incluir adicionalmente uno o mas de los siguientes aspectos. Se pueden utilizar polfmeros, coagulantes o floculantes para eliminar del flujo prefiltrado total de solidos suspendidos o taninos (color) para asegurar una mezcla adecuada de nutrientes y la disponibilidad de luz para los procesos de tratamiento posteriores. El flujo prefiltrado tambien puede ser esterilizado con irradiacion UV.
Las realizaciones preferidas tambien pueden incluir la medicion de los niveles de nutrientes del flujo acondicionado y la adicion de nutrientes antes de entrar en el recipiente de mezcla en base a los niveles de nutrientes medidos para producir los niveles de nutrientes deseados del flujo acondicionado. En forma similar, las realizaciones pueden incluir medir los niveles de metales en trazas del flujo acondicionado y agregar metales en trazas antes de entrar en el recipiente de mezcla basandose en los niveles medidos de metales en trazas para producir los niveles deseados de metales en trazas del flujo acondicionado.
Las realizaciones pueden incluir medir el pH del flujo de la mezcla en el fotobiorreactor y agregar CO2 al fotobiorreactor en base al pH medido. Las realizaciones tambien pueden incluir la medicion de un nivel de luz ambiental cerca del fotobiorreactor y la exposicion del fotobiorreactor a luz suplementaria, donde la cantidad de luz suplementaria se basa en el nivel de luz ambiente medido. Preferiblemente, la luz suplementaria tiene una longitud de onda de entre 550 y 700 nanometros o, mas preferiblemente, de entre 650 y 675 nanometros. Preferiblemente, la duracion del tiempo en que una porcion determinada del flujo de la mezcla se expone directamente a la luz mientras que pasa a traves de la etapa de mezcla, la etapa de PBR, y la etapa de separacion, es del 40% al 60% del tiempo total en que la porcion dada del flujo de la mezcla esta en la mezcla, PBR y etapas de separacion. En realizaciones preferidas, el flujo denso de microalgas (RAA) contiene algas fototroficas tales como, por ejemplo, Spirulina, Nannochloropsis, Scenedesmus, y/o Chlamydomonas.
El metodo incluye la medicion de la turbidez del flujo de la mezcla que sale del fotobiorreactor y eliminacion de una fraccion del caudal (WAA) del flujo de la mezcla, donde el tamano de la fraccion se basa en la turbidez medida y el nivel de densidad de RAA deseado. En una realizacion preferida, la fraccion eliminada puede ser inferior al 5% del flujo que sale del fotobiorreactor o, mas preferiblemente, al 3%.
En realizaciones preferidas, la separacion de las microalgas se realiza por filtracion del flujo de mezcla que sale del fotobiorreactor utilizando un sistema de filtracion de flujo cruzado. Preferiblemente, el sistema de filtracion de flujo cruzado se realiza bajo un caudal que genera una presion de entre 20 y 80 libras por pulgada cuadrada (PSI) dentro del filtro de membrana. En algunas realizaciones, el flujo tratado (permeado) se puede pulir filtrando o desinfectando por irradiacion ultravioleta. El metodo puede incluir el uso de un sistema de control sensorial y adquisicion de datos (SCADA) para controlar las etapas cerradas del entorno de tratamiento para lograr un crecimiento productivo de las algas.
Se proporciona el sistema para el tratamiento avanzado de aguas que implementa el proceso del tratamiento. El sistema incluye un prefiltro para reducir los solidos suspendidos de un flujo de agua recibido para producir un flujo prefiltrado; un recipiente de acondicionamiento acoplado al prefiltro para aumentar la biodisponibilidad de los constituyentes de nutrientes en un flujo prefiltrado para producir un flujo acondicionado; un recipiente de mezcla acoplado al recipiente de acondicionamiento para mezclar el flujo acondicionado con un flujo denso de microalgas vivas (RAA) para producir un flujo de mezcla; un fotobiorreactor de tubo cerrado (PBR) acoplado al recipiente de mezcla para recibir el flujo de la mezcla y permitir que las microalgas en el flujo de la mezcla se reproduzcan y tomen nutrientes y metales en trazas en el flujo de la mezcla para producir un flujo de mezcla tratada; un filtro de separacion (p. ej., un filtro de flujo cruzado) acoplado al fotobiorreactor de tubo adjunto para separar continuamente las microalgas del flujo de la mezcla tratada que sale del fotobiorreactor para producir un flujo de agua limpia (permeado) y el flujo denso de microalgas vivas (RAA); y un flujo denso de microalgas vivas (RAA), acoplado al filtro de separacion para devolver continuamente el flujo denso de microalgas vivas (RAA) al recipiente de mezcla.
Preferiblemente, el sistema incluye una bomba dosificadora de CO2 acoplada a una lmea de transito que conecta el prefiltro al recipiente de acondicionamiento para inyectar CO2 en el flujo prefiltrado para lograr un nivel de pH deseado, una bomba dosificadora unida a una lmea de transito que conecta el recipiente de acondicionamiento al recipiente de mezcla para inyectar nutrientes en el flujo acondicionado para lograr un nivel de nutrientes deseado, una bomba dosificadora acoplada a una lmea de transito que conecta el recipiente de acondicionamiento al recipiente de mezcla para inyectar metales en trazas en el flujo acondicionado para lograr un nivel de metales en trazas deseado, y una bomba dosificadora de CO2 acoplada al fotobiorreactor de tubo adjunto para inyectar CO2 en el flujo de mezcla para lograr un nivel de pH deseado.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La fig. 1 es un boceto de las etapas principales de un metodo para el tratamiento avanzado del agua, de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La fig. 2A es un esquema de flujo de proceso que ilustra un sistema para el tratamiento avanzado del agua, segun una realizacion de la invencion.
La fig. 2B es un esquema de flujo de proceso que ilustra una realizacion alterna de una etapa de separacion y recuperacion de solidos del proceso mostrado en la fig. 2A, segun una realizacion de la invencion.
La fig. 3 es un diagrama esquematico que ilustra los detalles de un filtro de flujo cruzado utilizado en el sistema de la fig. 3, segun una realizacion de la invencion.
Las figs. 4A-B son detalles esquematicos asociados a la fase de filtracion de flujo cruzado y separacion utilizada en el sistema de la fig. 3, segun una realizacion de la invencion.
DESCRIPCION DETALLADA
Las realizaciones de la invencion proporcionan tecnologfas avanzadas de tratamiento de aguas a base de algas para eliminar nutrientes, metales en trazas y otros contaminantes del agua. A menos que se cualifiquen de otra manera, el termino "agua" en el presente documento se define como aguas residuales, aguas residuales, asf como efluentes naturales e industriales. En las realizaciones ejemplares descritas a continuacion, las tecnologfas y los procesos unicos trabajan juntos de manera continua, controlada y automatizada, lo que resulta en agua limpia para descarga o reutilizacion. Una realizacion preferida del sistema apunta espedficamente a la reduccion o eliminacion de nitrogeno, fosforo, solidos suspendidos totales (TSS), demanda biologica de oxfgeno (BOD), demanda biologica de oxfgeno carbonaceo (CBOD), bifenilo policlorado (PCB) y extraccion de metales en trazas, como hierro, magnesio y selenio, y otros contaminantes y compuestos regulados. El sistema puede modificarse para apuntar a otros constituyentes. Tambien puede proporcionar a los socios de plantas industriales la oportunidad de capturar carbono. El sistema de tratamiento puede gestionarse y controlarse mediante un sistema de control de supervision y adquisicion de datos (SCADA).
En el diagrama de flujo de la fig. 1, se muestra un esbozo de las etapas principales del proceso. Aunque se presentan aqrn como etapas distintas, estas etapas del proceso de tratamiento se llevan a cabo simultaneamente a medida que el flujo pasa continuamente a traves de las etapas secuenciales del sistema. En la etapa 100, un flujo de agua avanzado es recibido por el sistema, por ejemplo, desde una etapa secundaria de una instalacion de tratamiento de aguas. El flujo recibido se prefiltro en la etapa 102 para reducir los solidos suspendidos. En algunas realizaciones, esta etapa tambien puede incluir el uso de polfmeros, coagulantes o floculantes para eliminar aun mas solidos suspendidos totales (TSS) y/o taninos (color) para asegurar una mezcla adecuada de nutrientes y disponibilidad de luz para las etapas posteriores de tratamiento. En la etapa 104, el flujo prefiltrado se acondiciona usando la inyeccion de CO2 para aumentar la biodisponibilidad de los constituyentes de nutrientes en el agua y tambien para proporcionar el carbon para la fotosmtesis subsiguiente de las algas. El flujo acondicionado se mezcla en la etapa 106 con un flujo denso de microalgas vivas que se recicla de una etapa posterior en el proceso. En la etapa 108, el flujo resultante de la mezcla se pasa una vez a traves de un fotobiorreactor donde las microalgas de la mezcla se reproducen, se someten a fotosmtesis y metabolizan o se unen con nutrientes y/o metales en trazas a las algas en el flujo de la mezcla. En la etapa 110, el flujo que sale del fotobiorreactor sufre una separacion para producir un flujo de agua tratada (es decir, permeado) y el flujo denso de microalgas vivas, tambien conocido como flujo de algas activadas por retorno (RAA). En la etapa 112, el flujo RAA se devuelve continuamente a la fase de mezcla. Los componentes interconectados del proceso de tratamiento, despues de la prefiltracion, operan en un entorno cerrado y controlado por el medio ambiente para eliminar los contaminantes transmitidos por el aire y la posible infiltracion de compuestos organicos no deseados. El entorno cerrado puede gestionarse electronicamente mediante un sistema de control sensorial y adquisicion de datos (SCADA). Los controles ambientales permiten al sistema optimizar el entorno cerrado para el crecimiento productivo de las algas.
Una realizacion preferida del metodo para el tratamiento avanzado del agua ahora se describira con mas detalle en relacion con el esquema de flujo del proceso del sistema mostrado en la Fig. 2A.
ETAPA 1: PREFILTRACION
Un efluente de agua entrante que se tratara tfpicamente puede tener algunos solidos suspendidos totales (TSS). En consecuencia, en realizaciones preferidas, el agua entrante es recibida inicialmente por el sistema en un mecanismo de filtracion 200 que reduce el TSS en el flujo recibido. El mecanismo de filtracion 200 puede ser implementado, por ejemplo, como un filtro de lecho de arena para eliminar los solidos de entre 5 y 75 micrones de tamano. Opcionalmente, segun la naturaleza del flujo de agua recibido, el pretratamiento adicional se puede implementar usando un polfmero, un coagulante o un agente floculante para reducir aun mas el TSS y/o los taninos (color) para mejorar el funcionamiento de etapas posteriores del tratamiento. La adicion de estos agentes, que pueden ser inyectados en lmea o en un tanque que contenga el efluente de agua, facilitan la vinculacion entre las partmulas solidas suspendidas. El agua se mezcla lentamente y el movimiento del agua induce a las partmulas a colisionarse y coagularse. El hardware tfpico utilizado con estos agentes de pretratamiento puede incluir, por ejemplo, tanques, sistemas de dosificacion automaticos, una prensa de filtro de correa y filtracion o tamices para eliminar los coagulos (solidos) formados en el proceso. Los solidos capturados en el mecanismo de filtracion 200 se separan del flujo principal y se cosechan.
Ademas, en algunas realizaciones, el pretratamiento puede incluir pasar el flujo a traves de un proceso de luz ultravioleta para esterilizar cualquier sustancia biologica o viral en el agua. En circunstancias en las que el agua entrante ha limitado o no hay TSS (por ejemplo, menos de 15 mg/L) y/o taninos (por ejemplo, menos de 250 utilizando el metodo de platino y cobalto), es posible que no sea necesario el pretratamiento.
ETAPA 2: ACONDICIONAMIENTO DE EFLUENTES
El flujo prefiltrado del mecanismo de filtracion 200 se bombea a traves de una tubena de transito a un recipiente de acondicionamiento 202.En transito, el pH del flujo prefiltrado es monitoreado y el CO2 se inyecta automaticamente usando una bomba dosificadora peristaltica (u otro dispositivo de inyeccion) 204 para alcanzar el nivel de pH deseado, normalmente entre 5,5 y 6,4.El volumen de CO2inyectado en la tubena se calcula en base a la temperatura, el pH, la alcalinidad y la presion del flujo. El nivel de pH, antes y despues del puerto de inyeccion, se supervisa continuamente y los niveles de pH se modifican en consecuencia. Normalmente, el flujo ajustado por pH permanece en el recipiente de acondicionamiento 202 durante de entre 30 a 60 minutos. La inyeccion de CO2 sirve para dos propositos primarios: primero, sirve para saturar el efluente con carbono inorganico disuelto que las algas requieren para realizar la fotosmtesis en etapas posteriores del proceso de tratamiento, como se describira a continuacion. En segundo lugar, el CO2 disminuye el pH del flujo y, por lo tanto, disuelve las sales que pueden existir en altos niveles de pH. La reduccion del pH y la disolucion de estas sales dan como resultado mayor disponibilidad de nutrientes para las algas. Por ejemplo, si los niveles de pH son demasiado altos, el calcio se une con el fosforo, haciendo que el fosforo este menos disponible para el consumo de las algas. Al salir del recipiente de acondicionamiento 202, el flujo condicionado tiene una suficiente biodisponibilidad de nutrientes y es rico en carbono.
Preferiblemente, el flujo acondicionado que sale del recipiente de acondicionamiento 202 se supervisa continuamente para los niveles de nutrientes y metales en trazas. En caso de que exista una deficiencia de nutrientes o metales en el flujo acondicionado, el flujo condicionado se dosifica automaticamente con cantidades apropiadas de nutrientes utilizando la bomba peristaltica 206 y/o los metales en trazas utilizando una bomba peristaltica 208.
ETAPA 3: MEZCLA
El flujo acondicionado (que puede ser dosificado como se describio anteriormente) se bombea a traves de una lmea de transito desde el recipiente de acondicionamiento 202 hasta un tanque de mezcla 210.Ademas de recibir el flujo acondicionado del recipiente de acondicionamiento 202, el tanque de mezcla 210 tambien recibe continuamente un flujo de algas activadas por retorno (RAA) de mas abajo en el sistema, como se describira a continuacion. Estos flujos combinados se denominan flujo de mezcla. La relacion entre el flujo acondicionado y el flujo RAA es un valor predeterminado seleccionado en base a diversos factores como el diseno del sistema, la disponibilidad de nutrientes, los caudales de efluentes y el tiempo de retencion. Un cociente tfpico de RAA al flujo acondicionado es 1 parte de RAA a 1 parte de efluente acondicionada, o 50/50.Esta relacion se puede mantener en el sistema, por ejemplo, mediante el uso de medidores de flujo electronicos, accionamientos de frecuencia variable, bombas y tanques de ecualizacion. Las algas en el flujo RAA pueden seleccionarse de entre varias algas fototroficas incluyendo, por ejemplo, Spirulina, Nannochloropsis, Scenedesmus o Chlamydomonas. El tanque de mezcla 210 preferiblemente incluye un mecanismo para crear un ambiente turbulento suficiente como para mantener las celulas de algas en suspension. Se puede mantener la turbulencia, por ejemplo, usando un tanque de fondo conico, caudales de entrada y ajustando el angulo del flujo RAA acondicionado en el tanque. El tamano del tanque de mezcla 210 se predetermina basandose en los parametros de diseno del sistema, como el volumen de flujo entrante y el tiempo de retencion necesario para iniciar los requisitos de eliminacion de nutrientes y/o metales en trazas. El tiempo de retencion en el tanque de mezcla 210 se calcula como del 50% al 100% del tiempo de retencion requerido en el PBR. Un tiempo de retencion normal, por ejemplo, es un valor de entre 30 y 60 minutos. Los sistemas de control electronico controlan el pH, la temperatura y el caudal en el tanque de mezcla 210 y estos valores se utilizan para ajustar automaticamente el tiempo de retencion utilizando medidores de flujo electronicos, unidades de frecuencia variables, valvulas de control y bombas del flujo de mezcla en el tanque de mezcla.
En una realizacion alternativa, las etapas de acondicionamiento y mezcla descritas anteriormente se pueden realizar en una sola etapa integrada utilizando un solo recipiente, tanque o recipiente equivalente. Por ejemplo, el recipiente de acondicionamiento 202 puede eliminarse y el proceso de acondicionamiento descrito anteriormente se realiza en el tanque de mezcla 210, que sirve como tanque unico. De acuerdo con este enfoque alternativo, CO2, nutrientes y/o metales en trazas se inyectan directamente en el tanque integrado unico, por ejemplo, las bombas 206 y 208 se configuran para inyectar directamente en el tanque 210.La RAA se recibina en el recipiente unico como se describio anteriormente y el agua que sale del tanque unico se denominana el flujo de la mezcla.
ETAPA 4: EXTRACCION DE NUTRIENTES
El flujo de mezcla del tanque de mezcla 210 se bombea a un colector central conectado a una matriz de fotobiorreactor (PBR) 212 preferiblemente compuesto de multiples PBR conectados en paralelo. El colector distribuye el flujo de la mezcla entrante por igual entre el numero total de PBR, por ejemplo, 10. (Para simplificar la ilustracion, se muestra un solo PBR en la figura). Cada PBR incluye una coleccion de tubos de PVC claros (es decir, opticamente transparentes), cada uno preferiblemente con un diametro de entre 2 a 6 pulgadas y una longitud de 20 a 80 pies. El diametro de cada tubo es preferiblemente de 3 pulgadas y la longitud es preferiblemente de 80 pies. La longitud de cada tubo se puede seleccionar de acuerdo con el espacio disponible para el sistema. Las tubenas del PBR se instalan preferentemente con sus orientaciones horizontales al suelo y se apilan verticalmente sobre bastidores. El espaciado vertical entre las tubenas del PBR de 3 pulgadas de diametro es preferiblemente de 6 pulgadas en el centro y el numero de tubenas en un bastidor se determina por el tiempo de residencia necesario para reducir los nutrientes y/o metales en trazas al nivel deseado. En el extremo de cada tubo del PBR esta una articulacion del codo de 180 grados que conecta verticalmente los tubos adyacentes de PBR en el estante de modo que los tubos esten conectados en serie para formar una sola trayectoria en serpentina. Una porcion del flujo de la mezcla del colector entra preferiblemente en cada PBR en el tubo superior del bastidor y fluye secuencialmente a traves de todos los tubos de PBR. Cuando el flujo de la mezcla sale del tubo inferior del p Br , se logra el nivel de tratamiento deseado. Por lo tanto, el tratamiento se lleva a cabo en un solo paso a traves del PBR y no es necesario reciclar el flujo de la mezcla a traves del PBR.
Mientras que el flujo de la mezcla esta recorriendo el PBR, el pH del flujo de la mezcla es monitoreado y el CO2 se inyecta automaticamente usando una bomba dosificadora peristaltica 204 (o equivalente) para alcanzar un nivel de pH apropiado en el PBR, normalmente un pH neutro en el rango de 6,9 a 7,1.El PBR es iluminado por la luz de la longitud de onda apropiada y con la suficiente intensidad para facilitar niveles apropiados de fotosrntesis de las algas en el flujo de la mezcla en el PBR. La luz puede ser proporcionada por una fuente de luz natural 216 y/o fuente de luz artificial 214.En una realizacion preferida, la luz preferiblemente incluye longitudes de onda de entre 550 y 700 nanometros o, mas preferiblemente, de entre 650 y 675 nanometros. La intensidad ambiente de la fuente de luz natural puede ser monitoreada y la intensidad de la fuente de luz artificial puede ajustarse automaticamente para compensar los niveles de intensidad cambiantes de la fuente de luz natural. Ademas del nivel de pH y la luz, tambien se realiza monitorizacion continua en lrnea de la densidad de algas y el caudal.
En algunas implementaciones, el flujo de la mezcla se expone a la luz directa en el PBR para una duracion que es aproximadamente 40% al 60% del tiempo total en que el flujo de la mezcla esta viajando a traves de la mezcla, eliminacion de nutrientes, y las etapas de separacion y recuperacion de solidos. Durante el 50% del tiempo en el que el flujo de la mezcla no se expone a luz directa se encuentra en la etapa de separacion o en la etapa de mezcla.
El tiempo de retencion y, por lo tanto, la longitud y la altura de cada PBR, se define como la duracion aproximada que una partfcula determinada tarda en atravesar el p Br desde la entrada en la parte superior para salir en la parte inferior.
Asf, el tiempo de retencion esta directamente relacionado con el diametro de la tubena, la longitud total del PBR y el caudal volumetrico. Por lo tanto, el diseno del sistema y el tiempo de retencion para el sistema se calculan utilizando los valores conocidos para los nutrientes disponibles estimados, la biomasa total del sistema, la tasa de crecimiento esperado promedio del organismo de algas seleccionado y los niveles de nutrientes deseados cuando sale del sistema, y se personaliza para cada sistema a base de la qmmica espedfica del agua recibida tratada y los componentes dirigidos que se eliminaran.
Al salir de la parte inferior de la PBR, la porcion de flujo de mezcla tratada se combina con otras porciones de flujo de mezcla tratada que han pasado de manera similar en paralelo a traves de otros PBR en la matriz 212, formando un unico flujo de mezcla tratada.
ETAPA 5: SEPARACION, RECUPERACION DE SOLIDOS Y RETORNO DEL FLUJO DE ALGAS
El flujo de la mezcla tratada de PBR entra en el desviador (normalmente una compuerta automatica o valvula de aguja) 218 que desvfa una fraccion excesiva del caudal de la mezcla como algas activadas por residuos (WAA). La cantidad de WAA que se ha desviado es, por ejemplo, de entre el 2% y el 10% del caudal total del sistema. La cantidad de WAA equivale a la cantidad de algas cultivadas en exceso de la densidad optima identificada. Preferiblemente, el sistema se personaliza para un efluente de agua dado calculando la densidad deseada del cultivo de algas y la cantidad de WAA que debe eliminarse en forma continua para lograr los resultados deseados. La cantidad de WAA puede calcularse utilizando los siguientes factores primarios: la tasa de crecimiento de las algas, el tiempo total de retencion del sistema y el caudal. Los factores secundarios adicionales que pueden ser contabilizados en la determinacion de la WAA incluyen, pero sin limitarse, los nutrientes en el efluente de agua, la disponibilidad de luz, el diametro del tamano de la tubena y la temperatura del agua. Por ejemplo, para una tasa de crecimiento de algas de 1 duplicacion por 24 horas, el crecimiento correspondiente de las algas es del 100%/24 horas = 4,16% por hora. Para un tiempo de retencion del sistema de 1 hora, la tasa de cosecha continua del volumen del sistema es de 1 hora x 4,16%/hora = 4,16%.
La porcion del flujo de la mezcla que no se desvfe como WAA continua a un tanque de igualacion del filtro 220 donde los medidores de flujo y las bombas asociados se disenan para monitorear y para mantener un flujo constante en la etapa de separacion y de recuperacion de los solidos del proceso de tratamiento.
Despues de salir del tanque de ecualizacion del filtro 220, el flujo de mezcla entra en un proceso de separacion y recuperacion de solidos que elimina los solidos (algas) del lfquido (agua). Al termino de esta etapa, los solidos en forma de un flujo denso de las microalgas (RAA) se bombean al tanque de mezcla 210 donde se mezclan con flujo acondicionado corriente arriba y comienzan el proceso de extraccion de nutrientes y/o metales en trazas. Mantener un suministro continuo de algas sanas a la densidad optima que circula consistentemente a traves de la mezcla, PBR, y las etapas de separacion proporciona la capacidad de tratar un flujo continuo de agua. Las realizaciones preferidas de la invencion normalmente regresan al tanque de mezcla 210 el 100% del flujo denso de microalgas vivas (RAA) que salen de la etapa de separacion, aunque es posible devolver menos, por ejemplo, el 50%.
En una realizacion preferida, el proceso de separacion y recuperacion de solidos se implementa bombeando la mezcla del tanque de ecualizacion del filtro 220 a traves de un filtro de flujo cruzado 222.Dentro del filtro de flujo cruzado 222, el flujo de la mezcla viaja a traves de la superficie de una membrana filtrante a una presion de entre 20 y 80 psi para mantener un flujo turbulento. El mantenimiento de esta presion, con medidores de caudal y bombas, en el filtro de flujo transversal 222, obliga a una porcion del agua en el flujo de la mezcla a traves de poros de diametro submicronico de la membrana del filtro mientras que las partfculas suspendidas (es decir, las algas) permanecen en una corriente de retenido, o RAA. El flujo de RAA que sale del filtro normalmente tiene al menos el doble de densidad de algas en volumen que el flujo de mezcla que ingresa en el filtro. El agua que se ve forzada a traves de los poros del filtro de membrana forma un flujo de agua totalmente tratada y se conoce como el permeado. Las realizaciones logran facilmente flujos de permeado con menos de 50 mg/l de microalgas. En una realizacion preferida, el flujo de permeado tiene menos de 2 mg/l de microalgas. El permeado puede descargarse en el ambiente de acuerdo con las regulaciones apropiadas o puede ser reutilizado en procesos contracorriente. En algunas realizaciones, el permeado se puede pulir adicionalmente antes de la descarga o de la reutilizacion por el aparato de pulido opcional 226 que realiza la filtracion y la desinfeccion, por ejemplo, por la irradiacion ultravioleta.
El retentado se bombea desde el filtro de flujo cruzado 222 hasta el tanque de ecualizacion de RAA opcional 224, que esta disenado para recibir y sostener la RAA con el fin de garantizar un caudal constante de RAA en el tanque de mezcla 210.Un mmimo del 50% en volumen del flujo denso de microalgas vivas (RAA) se devuelve a traves de una lmea de retorno al recipiente de mezcla. Mas preferiblemente, del 99% al 100% en volumen del flujo denso de microalgas vivas (RAA) se devuelve al recipiente de mezcla.
En la fig. 2B, se muestra una realizacion alternativa de la etapa de separacion y recuperacion de solidos. En esta realizacion, el flujo de mezcla tratada se bombea desde el tanque de ecualizacion de filtracion 219 a un tanque de condensacion de filtro 221.La mezcla en el tanque de condensacion del filtro 221 se bombea luego en el filtro de flujo cruzado 223.En el filtro de flujo cruzado 223, una membrana filtrante separa la mezcla en una corriente de permeado y una corriente de retenido, al igual que en la realizacion descrita anteriormente. En este caso, sin embargo, el retenido del filtro de flujo cruzado 223 se distribuye de nuevo en el tanque de condensacion del filtro 221, aumentando la densidad de algas en el tanque. Un flujo denso de algas (RAA) se bombea desde el tanque de condensacion del filtro 221 hasta el tanque de ecualizacion opcional 225 antes de ser devuelto al tanque de mezcla corriente arriba. De lo contrario, esta realizacion alterna es identica a la de la realizacion mostrada en la fig. 2A.
La fig. 3 ilustra los detalles de un filtro de flujo cruzado segun las realizaciones descritas anteriormente en relacion con las figs. 2A y 2B. El flujo de mezcla entra en el filtro en un puerto superior 300 y fluye hacia abajo a traves de un tubo de 1,5 mm de diametro 302 encerrado en una carcasa cilmdrica 304.Las paredes del tubo 302 estan hechas de una membrana (compuesta, por ejemplo, de polisulfona o polfmero de acrilonitrilo) con poros de 0,5 micrometres de diametro. La mezcla experimenta un flujo turbulento a medida que viaja hacia abajo a traves del tubo 302 a una presion de operacion tfpica de entre 20 y 80 psi. Como resultado, una porcion del agua en la mezcla pasa a traves de las paredes de la membrana del tubo 302 y en el espacio entre el tubo 302 y la cubierta exterior 304.Este permeado de agua limpia luego sale del dispositivo a traves de los puertos 306 y 308 cerca de la parte superior e inferior de la carcasa cilmdrica 304, respectivamente. Mientras tanto, el flujo concentrado de algas (retenido) sale del filtro en un puerto inferior 310.En las realizaciones preferidas, la concentracion de algas en el retenido que sale del filtro es al menos un factor de dos mayor que la concentracion de algas en la mezcla que ingresa en el filtro.
Las figs. 4A-B son ilustraciones esquematicas de los detalles asociados a la filtracion de flujo cruzado y la etapa de separacion en una realizacion preferida que preve un proceso de limpieza del filtro de retro lavado, es decir, un proceso de limpieza in situ (CIP).Durante el funcionamiento normal, mostrado en la fig. 4A, el caudal de la mezcla tratada se bombea desde el tanque de ecualizacion del filtro 400 por la bomba 402 a traves de la valvula 404 y en el filtro de flujo cruzado 408.La bomba 402 es controlada por una unidad de frecuencia variable (VFD) para proporcionar un caudal constante que equivale a una presion de 20 a 80 psi en el filtro 408.El retenido del filtro 408 pasa a traves de la valvula 414 y vuelve al tanque de ecualizacion 400.La rAa fluye desde el tanque de ecualizacion del filtro 400 hasta el tanque de ecualizacion de RAA 418 y luego se bombea corriente arriba. Mientras tanto, el permeado del filtro de flujo cruzado 408 fluye a traves de la valvula 410 y en el tanque de retencion de permeado 412 (opcional) y luego sale de la etapa de filtracion y separacion.
Durante la operacion de retro lavado, mostrada en la fig. 4A, se abren las valvulas 406, 416, 420, 422, que se cerraron durante el funcionamiento normal; y las valvulas 404, 410, 414, que estaban abiertas durante el funcionamiento normal, se cierran. Ademas, la bomba 402, que estaba encendida durante el funcionamiento normal, se apaga; y la bomba 424, que estaba apagada durante el funcionamiento normal, se enciende. Consecuentemente, el permeado del tanque 412 fluye a traves de la valvula 422, la bomba 424, la valvula 420, y en el filtro de flujo cruzado 408 en un flujo inverso. Alternativamente, se puede utilizar una fuente de agua limpia externa para la fuente de retro lavado en lugar de agua del tanque de permeado 412.Los limpiadores 426 pueden inyectarse y mezclarse con el flujo de retrolavado antes de entrar en el filtro de flujo cruzado 408.Por ejemplo, los limpiadores pueden incluir disolventes como lejfa, hipoclorito de sodio o acido cftrico que ayudan a mantener el rendimiento del filtro. El flujo de retrolavado sale del filtro 408 tanto a traves de la entrada de mezcla como de la salida de retenido. Este ultimo fluye a traves de la valvula 416 y se combina con el primero, y el flujo de retrolavado combinado pasa a traves de la valvula 406 y fuera de una lmea de desecho donde se maneja de acuerdo con los requisitos reglamentarios y/o cualquier hoja de datos de seguridad de materiales (MSDS).Durante la operacion de retrolavado, la RAA puede continuar fluyendo desde el tanque 418 y el permeado puede continuar fluyendo desde el tanque 412.Cuando se completa el modo de retrolavado, las valvulas y las bombas se devuelven a sus estados de funcionamiento normales, como se describe con referencia a la fig. 4A.
El subsistema de filtracion de flujo cruzado mostrado en las figs. 4A-B puede estar compuesto por una serie de tubos interconectados que generalmente utilizan tubenas de PVC de programacion 80, bombas, equipos de control (es decir, rotometro, restrictor, etc.) e instrumentacion para controles y retroalimentacion del rendimiento de la filtracion. Se pueden utilizar una serie de controles manuales y automaticos que incluyen medidores de presion, temperatura y flujo para monitorear, controlar y optimizar el rendimiento del sistema. Los datos pueden adquirirse constantemente a traves de telemetna digital y almacenarse y grabarse en un controlador logico programable (PLC). Este sistema de monitorizacion y control se puede utilizar para activar periodica y automaticamente el modo de operacion de retrolavado y volver al funcionamiento normal. En una realizacion preferida, el modo de retrolavado puede activarse durante 1 minuto de cada 60 minutos.

Claims (19)

REIVINDICACIONES
1. Un metodo para el tratamiento avanzado de agua, que comprende:
a) recibir (100) un flujo continuo de agua;
b) prefiltrar (102) el caudal de agua recibido para reducir los solidos suspendidos;
c) anadir CO2 (104) al flujo prefiltrado de agua para aumentar la biodisponibilidad de los constituyentes de nutrientes en el flujo prefiltrado, acondicionando asf el flujo prefiltrado;
d) mezclar (106) en un recipiente de mezcla (210) el flujo acondicionado con un flujo de microalgas vivas (RAA) para producir un flujo de mezcla;
e) pasar (108) el flujo de la mezcla una vez a traves de un fotobiorreactor de tubo cerrado (PBR) para que las microalgas en el flujo de la mezcla se reproduzcan y tomen los nutrientes y los metales en trazas en el flujo de la mezcla;
f) separar continuamente (110) microalgas del caudal de la mezcla que sale del fotobiorreactor para producir un flujo tratado (permeado) y el flujo de microalgas vivas (RAA), y ademas comprende la medicion de la turbidez del caudal de la mezcla que sale del fotobiorreactor y eliminar una fraccion del caudal de la mezcla (denominada flujo de WAA) del caudal de la mezcla, donde el tamano de la fraccion se basa en la turbidez medida; Y
g) el retorno continuo (112) del flujo de microalgas vivas (RAA) al recipiente de mezcla (210), en donde el 50% o mas en volumen del flujo de microalgas vivas (RAA) separado del flujo de mezcla que sale del fotobiorreactor se devuelve al recipiente de mezcla (210).
2. El metodo segun con la reivindicacion 1 que comprende, ademas, la eliminacion del flujo prefiltrado el total de solidos suspendidos y taninos (color).
3. El metodo segun la reivindicacion 1 que comprende, ademas, la esterilizacion del flujo prefiltrado con irradiacion UV.
4. El metodo segun la reivindicacion 1 que comprende, ademas, la medicion de los niveles de pH del flujo prefiltrado y la adicion de CO2 al flujo prefiltrado en base a los niveles de pH medidos para alcanzar el nivel de pH deseado.
5. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que el acondicionamiento se realiza en un tanque de acondicionamiento distinto del recipiente de mezcla (210).
6. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que el acondicionamiento se realiza en el recipiente de mezcla (210).
7. El metodo segun la reivindicacion 1 que comprende, ademas, la medicion de los niveles de nutrientes del flujo acondicionado y la adicion de nutrientes al flujo acondicionado en base a los niveles de nutrientes medidos para lograr un nivel deseado de nutrientes.
8. El metodo segun la reivindicacion 1 que comprende, ademas, la medicion de los niveles de metales en trazas del flujo acondicionado y la adicion de metales en trazas al flujo acondicionado en base a los niveles de metales en trazas medidos para lograr un nivel deseado de metales en trazas.
9. El metodo segun la reivindicacion 1 que comprende, ademas, la medicion del pH del flujo de la mezcla en el fotobiorreactor y la adicion de CO2 al fotobiorreactor en base al pH medido para alcanzar el nivel de pH deseado.
10. El metodo segun la reivindicacion 1 que comprende, ademas, la medicion de un nivel de luz ambiente cerca del fotobiorreactor y la exposicion del fotobiorreactor a luz suplementaria, donde la cantidad de luz suplementaria se basa en el nivel de luz ambiente medido para lograr un nivel de luz ambiente deseado.
11. El metodo segun la reivindicacion 1, en donde el flujo de microalgas (RAA) contiene algas fototroficas seleccionadas del grupo que consiste en Spirulina, Nannochloropsis, Scenedesmus y Chlamydomonas.
12. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que la separacion de las microalgas comprende la filtracion del flujo de la mezcla que sale del fotobiorreactor mediante filtracion de flujo cruzado.
13. El metodo segun reivindicacion 1 que comprende, ademas, el pulido del flujo tratado (permeado) por filtracion.
14. Un sistema para el tratamiento avanzado de agua, que comprende:
un prefiltro (200) para la reduccion de solidos suspendidos de un flujo de agua recibido para producir un flujo prefiltrado;
un recipiente de acondicionamiento (202) acoplado al prefiltro para aumentar la biodisponibilidad de los constituyentes de nutrientes en un flujo prefiltrado para producir un flujo acondicionado;
un recipiente de mezcla (210) acoplado al recipiente de acondicionamiento (202) para mezclar el flujo acondicionado con un flujo de microalgas vivas (RAA) para producir un flujo de mezcla;
un fotobiorreactor de tubo cerrado (PBR) (212) acoplado al recipiente de mezcla (210) para recibir el flujo de la mezcla y permitir que las microalgas en el flujo de la mezcla se reproduzcan y tomen nutrientes y metales en trazas en el flujo de la mezcla para producir un flujo de mezcla tratada;
un filtro de separacion (222) acoplado al fotobiorreactor de tubo cerrado para separar continuamente las microalgas del flujo de la mezcla tratada que sale del fotobiorreactor (212) para producir un flujo de agua limpia (permeado) y el flujo de microalgas vivas (RAA), donde el sistema comprende, ademas, los medios para medir la turbidez del flujo de la mezcla que sale del fotobiorreactor y un desviador (218) para eliminar una fraccion del flujo de la mezcla (denominada flujo de WAA), donde el tamano de la fraccion se basa en la turbidez medida; y
un retorno de flujo de microalgas vivas (RAA) acoplado al filtro de separacion para devolver continuamente el flujo de microalgas vivas (RAA) al recipiente de mezcla (210), y que esta configurado para devolver el 50% o mas del flujo de microalgas vivas (RAA) separados del flujo de mezcla de la salida del fotobiorreactor (212) al recipiente de mezcla (210).
15. El sistema segun la reivindicacion 14 que comprende, ademas, un dispositivo dosificador de CO2 acoplado a una lmea de transito que conecta el prefiltro al recipiente de acondicionamiento (202) para inyectar CO2 en el flujo prefiltrado para lograr un nivel de pH deseado.
16. El sistema segun la reivindicacion 14 que comprende, ademas, un dispositivo dosificador acoplado a una lmea de transito que conecta el recipiente de acondicionamiento (202) al recipiente de mezcla (210) para inyectar nutrientes en el flujo condicionado para lograr un nivel de nutrientes deseado.
17. El sistema segun la reivindicacion 14 que comprende, ademas, un dispositivo dosificador acoplado a una lmea de transito que conecta el recipiente de acondicionamiento (202) al recipiente de mezcla (210) para inyectar metales en trazas en el flujo acondicionado para lograr un nivel de metales en trazas deseado.
18. El sistema de la reivindicacion 15 que comprende, ademas, un dispositivo de dosificacion de CO2 acoplado al fotobiorreactor de tubo adjunto (212) para inyectar CO2 en el flujo de mezcla para lograr un nivel de pH deseado.
19. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 14 a 18, en el que el recipiente de acondicionamiento (202) y el recipiente de mezcla (210) forman un recipiente de acondicionamiento y mezcla integrado para recibir un flujo de agua recibido para aumentar la biodisponibilidad de los constituyentes de los nutrientes en el flujo recibido y para mezclar el flujo recibido con un flujo de microalgas vivas (RAA) para producir un flujo de la mezcla.
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