ES2233220T3 - Instalacion para el tratamiento de aguas por flotacion. - Google Patents
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Abstract
Instalación de purificación de aguas que comprende una zona de coagulación (1), una zona de floculación (3), una zona de mezcla (5), en una corriente ascendente del agua floculada, suministrándose el agua a presión mediante un sistema de presurización-reducción de presión (8) generador de microburbujas, y una zona de flotación (6) en la parte superior de la cual se evacuan las materias en suspensión llevadas a la superficie mediante las microburbujas, teniendo esta zona de flotación en su parte inferior un medio de recuperación (9) del agua clarificada, caracterizándose esta instalación porque: - el medio de recuperación (9) del agua clarificada en la base de la zona de flotación está constituido de una plataforma provista de perforaciones, o tuberías provistas de orificios, creando una resistencia al escurrimiento a través de esta plataforma que es máxima en el extremo final de la zona de flotación (lado de evacuación) y va disminuyendo en dirección del extremo inicial de esta zona (lado de alimentación); - la geometría de la zona de flotación (6) es tal que la relación entre la altura (H) de la zona situada por encima del medio de recuperación (9) del agua aclarada y la longitud (L) de dicha zona está comprendida entre 0, 3 y 1; y - la relación entre la superficie (Sa) de la lámina de agua en la salida de la zona de mezcla (5) y la superficie (Sp) de la zona de flotación propiamente dicha está comprendida entre 0, 05 y 0, 5, preferentemente entre 0, 1 y 0, 35.
Description
Instalación para el tratamiento de aguas por
flotación.
La presente invención se refiere a una
instalación para el tratamiento de aguas que contiene una cuba de
flotación en la que se admite el agua no tratada, previamente
floculada y después mezclada con agua a presión, y se somete a una
liberación de presión de manera que las materias en suspensión
contenidas en el agua no tratada sean arrastradas por las
microburbujas resultantes de dicha liberación de presión, y son
descargadas en la superficie del líquido contenido en la cuba,
descargándose el agua tratada vía el fundo de dicha cuba.
Se conoce (documento
EP-A-0.659.690) una instalación del
tipo mencionado anteriormente que comprende una zona de
floculación, una zona de mezcla del agua no tratada floculada, en
una corriente ascendente, con agua a presión suministrada mediante
un sistema de presurización-liberación de presión, y
una zona de flotación, en cuya parte superior se descargan las
materias en suspensión contenidas en el agua no tratada y llevadas
a la superficie mediante las microburbujas, estando provista esta
zona de flotación, en su parte inferior, de un dispositivo de
captación perforado (plataforma con o sin manguitos, colectores,
etc.) de manera que toda la superficie de la zona de flotación
presente un flujo uniforme e idéntico del líquido aclarado.
Una característica de este tipo de dispositivo
de flotación reside en la formación de un lecho espeso de
microburbujas gracias al cual la floculación se efectúa en dos
etapas, primero en la zona de floculación, y después en el seno del
lecho de microburbujas gracias a la gran masa de contacto debida a
las microburbujas, asegurando por otra parte la separación por
flotación de las materias en suspensión.
Una de las limitaciones del uso de tales
instalaciones reside en la determinación de sus dimensiones. Según
H.J. KIURI, en un artículo titulado "Development of disolved air
flottation technology from the first generation to the newest
(third) one (DAF in turbulent flow conditions)" publicado en
"Water Science and Technology", vol. 43, Nº 8,
p.1-7, IWA Publishing 2001, una regla básica para
determinar las dimensiones de las cubas de flotación es que la
relación de la profundidad (o altura H) de la zona de flotación,
situada sobre el sistema de captación, dividida entre la longitud
horizontal L entre la entrada del agua y la pared opuesta (relación
H/L) sea mayor que 1. El respeto de esta regla lleva a construir
instalaciones de altura importante muy costosas.
Otra dificultad que aparece durante el
desarrollo industrial de este tipo de instalación se refiere a la
formación de un lecho de microburbujas de gran altura en la cuba de
flotación (altura del lecho de microburbujas frecuentemente mayor
que 3 metros).
Esta altura, por una parte, debe de ser mayor
que un valor mínimo para asegurar una buena terminación de la
floculación, para optimizar la adhesión entre las microburbujas y
los flóculos, e igualmente para permitir los fenómenos de
coalescencia o de aglomeración que causan el engrosamiento de las
microburbujas y por lo tanto el aumento de su velocidad ascendente
(30 hasta 60 m/h), y, por otra parte, se debe de limitar a fin de
reducir la profundidad de las estructuras (es decir su altura), y
por lo tanto su coste, y las sobresaturaciones elevadas de gas. Es
así que una altura de 1,5 m se puede traducir en una sobresaturación
de + 15%, mientras que una altura de 4 m puede conllevar a una
sobresaturación de + 40%, lo que constituye un inconveniente
importante cuando la cuba de flotación se implanta aguas arriba de
una zona de tratamiento por filtración, por ejemplo en lecho de
arena o a través
membranas.
membranas.
Factores susceptibles de aumentar la altura del
lecho de microburbujas son especialmente los siguientes:
- -
- una alimentación hidráulica de mala calidad (heterogénea) que conlleva, por ejemplo, a aumentar el porcentaje de presurización a fin de aumentar la altura del lecho de microburbujas para hacerlo más estable, y
- -
- una longitud importante de la cuba de flotación que conlleva a alturas importantes (H/L > 1 según el estado anterior de la técnica).
La presente invención se ha fijado como objetivo
resolver, por una parte, el problema de la gran profundidad
necesaria para la obtención del lecho de microburbujas, y, por otra
parte, el problema de la estabilidad de dicho lecho de
microburbujas, en tales instalaciones de tratamiento.
Por consecuencia, esta invención se refiere a
una instalación para la purificación de aguas que comprende una
zona de coagulación, una zona de floculación, una zona de mezcla, en
una corriente ascendente, del agua floculada con el agua a presión
suministrada mediante un sistema de
presurización-liberación de presión, generador de
microburbujas, y una zona de flotación, en cuya parte superior se
descargan las materias en suspensión llevadas a la superficie
mediante las microburbujas, comprendiendo esta zona de flotación, en
su parte inferior, un medio de captación del agua aclarada, estando
esta instalación caracterizada porque:
- -
- la geometría de la zona de flotación es tal que la relación entre la altura de la zona situada encima del medio de captación del agua aclarada, y la longitud de dicha zona, está comprendida entre 0,3 y 1; y
- -
- la relación entre la superficie de la lámina de agua por encima de la salida de la zona de mezcla, y la superficie de la zona de flotación propiamente dicha, está comprendida entre 0,05 y 0,5, preferentemente entre 0,1 y 0,35.
Otras características y ventajas de la presente
invención destacaran de la descripción dada a continuación, con
referencia a la figura única del dibujo anejo que ilustra, de manera
esquemática, un modo de realización dado a título no
limitativo.
Tal como se ve en la figura, la instalación
comprende: una zona de coagulación 1 en la que el agua no tratada
se mezcla con un coagulante, pudiendo este coagulante, en algunos
casos, ser inyectado aguas arriba de esta zona 1; una zona de
floculación 3, separada de la zona de coagulación 1 mediante un
sistema de desagüe 2, una zona de mezcla 5 en la que el agua no
tratada floculada, introducida a través de una abertura de
alimentación 4, se mezcla, en una corriente ascendente, con
microburbujas producidas por un sistema de
presurización-reducción de presión 8, y una zona de
flotación 6. La zona de flotación 6 está separada de la zona de
mezcla 5 por un desagüe inclinado 11. En dicha zona de flotación 6,
se produce una acumulación de microburbujas que forman un lecho
espeso en una corriente descendente, las materias en suspensión en
el agua no tratada, arrastradas por las microburbujas, se acumulan
en la superficie 7 para ser descargadas en 10, eliminándose el agua
aclarada en la parte inferior de esta zona de flotación, tras haber
sida recogida a través de una plataforma 9, o medio similar que
permite funcionar a velocidades importantes de flotación.
En la entrada de la zona de floculación 3, el
agua no tratada se reparte, de manera homogénea, sobre toda la
longitud de esta zona, mediante el sistema de desagüe 2 producido,
por ejemplo, en forma de desagües continuos, festoneados, con tubos
perforados, ramificados o no. Este sistema de desagüe y de
distribución homogénea 2 permite asegurar eventualmente la
incorporación, y la mezcla con el agua no tratada coagulada, de
producto(s) tal(es) como un adyuvante de floculación,
estando la floculación propiamente dicha asegurada por un sistema
estático o mediante barreras giratorias horizontales. La combinación
del sistema de distribución 2 y de los floculadores estáticos en un
eje horizontal asegura una alimentación homogénea de la zona de
flotación sobre toda su longitud. La floculación se puede
igualmente asegurar mediante un sistema de agitador(es)
mecánico(s) en un eje vertical combinado con orificios
calibrados situados en la entrada 4 de la zona de mezcla 5. Este
último dispositivo permite reequilibrar los flujos y compensar las
perturbaciones hidráulicas y los movimientos de rotación inducidos
por la agitación en un eje vertical.
En la zona de mezcla 5, el agua no tratada
floculada se mezcla con las microburbujas, generadas en el seno del
agua a presión producida mediante el tanque de presurización 8, en
una corriente ascendente que parte de la zona baja, produciéndose
la reducción de presión y la formación de las microburbujas mediante
una pluralidad de sistemas de inyección del agua a presión,
distribuidos sobre toda la longitud de la zona, estando esta
corriente ascendente seguida de una corriente descendente hasta el
sistema de recuperación. El flujo descendente presenta una
velocidad menor que la del flujo ascendente, siendo las materias en
suspensión arrastradas por las microburbujas, en gran parte,
liberadas durante el cambio de dirección del flujo, que se acumula
en 7 en la superficie de la zona de flotación.
Según la presente invención, la altura del lecho
de microburbujas se mantiene en al menos 1 metro hasta 1,5 m, para
obtener los efectos beneficiosos del lecho de microburbujas que
tiene el papel de filtro y de coalescedor de estas últimas (el
lecho tiene el papel de acelerador de velocidad ascensional de las
microburbujas coalesceadas). La altura de la zona de flotación 6
debe de ser por lo tanto mayor que 1,5 ó 2 metros y, según la
invención, la relación entre la altura (H) de la zona situada por
encima del sistema de recuperación 10 y la longitud (L) de esta
zona está comprendida entre 0,3 y 1 (0,3<H/L<1). Esta
característica que va en contra de las recomendaciones del experto
en la técnica (Artículo de K.J. KIURU, página 1, citado
anteriormente) permite restringir la profundidad de las
instalaciones, permaneciendo constante la superficie de estas
últimas, y correspondiendo en general a una velocidad de
tratamiento (expresada con relación a la superficie Sp, es decir,
la superficie de la zona de flotación 6 que corresponde a la
longitud L de esta zona designada en la figura) comprendida entre
15 y 60 m^{3}/m^{2}.h, lo que tiene una repercusión notable
sobre los costes de construcción de las instalaciones. Esta
reducción de la profundidad de las instalaciones permite igualmente
evitar las sobresaturaciones de aire disuelto y sus repercusiones
aguas abajo de la cadena de tratamiento, en particular sobre los
filtros de arena y/o membranas.
Según otra característica de esta instalación
según la invención, la relación entre la superficie Sa de la altura
media de agua que está situada verticalmente por encima de la salida
de la zona de mezcla 5 (es decir, la superficie de la sección
vertical comprendida entre el borde superior del desagüe inclinado
11 y el plano de agua de la zona de flotación 6), y la superficie
Sp de la zona de flotación 6 (superficie de esta zona que
corresponde a la longitud L) debe de estar comprendida entre 0,05 y
0,5 (0,05<Sa/Sp<0,5), y preferentemente entre 0,1 y 0,35
(0,1<Sa/Sp<0,35). Esta característica permite definir un
intervalo de velocidades de la altura media de agua verticalmente
por encima de la salida de la zona de mezcla 5 de forma que no se
supere:
- -
- un límite superior de velocidad, más allá del cual, por una parte, se crea un movimiento de rotación generalizado que disgrega el lecho de burbujas en la zona de flotación 6 y lo arrastra en el efluente tratado, y, por otra parte, se erosionaría gravemente el lecho de lodos 7 situado en la superficie del flotador. Se observará que un aumento del porcentaje de presurización, y por lo tanto de la cantidad de microburbujas producidas, podría estabilizar el lecho de burbujas con, como consecuencia, un aumento de la altura relativamente importante, y por lo tanto, en el límite, incompatible con la geometría de instalación definida por la invención;
- -
- un límite inferior de velocidad, por debajo del cual el régimen turbulento en la zona de flotación 6 no es suficiente para asegurar la formación y la estabilidad del lecho de microburbujas, lo que conlleva a una degradación rápida de la calidad del agua tratada.
El sistema de recuperación 9 del agua aclarada
está constituido de una plataforma provista de perforaciones o de
tubos provistos de orificios, tal como se describe en el documento
EP-A-0.659.690, creando una
resistencia al flujo a través de esta plataforma que es máxima en
el extremo final de la zona de flotación (lado de descarga), y va
disminuyendo en dirección del extremo inicial de esta zona (lado de
alimentación). Esta característica permite instaurar un régimen
turbulento en el seno de la zona de flotación, lo que favorece la
obtención de un lecho de microburbujas estable y suficientemente
espeso, permitiendo una velocidad importante de tratamiento.
Estas características de que determinan la
dimensión permiten, de manera sorprendente para el experto en la
técnica, alcanzar velocidades de tratamiento que pueden oscilar de
15 a 60 m/h, con aparatos "planos" (relación H/L comprendida
entre 0,3 y 1).
Un cierto número de ventajas deriva de la
invención, entre las cuales se pueden mencionar:
- -
- la posibilidad de crear instalaciones de capacidad importante de tratamiento, de altura limitada. Es así que, por ejemplo, la invención permite producir una instalación que tiene una longitud de 7 m para una altura de 3 m (en lugar de una altura de 7 m o más como lo recomiendo el estado de la técnica anterior);
- -
- la limitación en altura de las dimensiones de la instalación se traduce, por una parte, en una reducción de los costes de construcción, y, por otra parte, en una limitación de las sobresaturaciones de gas disuelto negativas para los sistemas de filtración situados aguas abajo de la zona de flotación.
En el ejemplo mencionado aquí arriba, la
elección de una altura limitada a 3 metros reduce considerablemente
la sobresaturación del agua aclarada, puesto que sólo puede ser de
30% superior a la dosis de saturación, mientras que podría alcanzar
70% con una altura de 7 m, según el estado de la técnica
anterior.
Se dan a continuación dos ejemplos de
realización, destinados a destacar el interés de la elección según
la invención de una relación de Sa (superficie de la altura media
del agua localizada verticalmente por encima de la salida de la
zona de mezcla 5) dividida entre la superficie Sp de la zona de
flotación 6 (es decir, la superficie del sistema de recuperación 9)
comprendida entre 0,05 y 0,5.
Estos ejemplos se han llevado a cabo en una
unidad piloto que comprende un coagulador, un floculador de tipo
estático y una cuba de flotación de una longitud de plataforma (L)
de 2,50 m y una altura (H) por encima de la plataforma (sistema de
recuperación 9) de 3,6 m. La altura de la altura media del agua por
encima de la parte superior de la zona de mezcla (Ha) varió entre
0,07 m y 1,50 m. La velocidad de tratamiento era de 35
m^{3}/m^{2}.h. La unidad piloto contenía además un circuito de
presurización a 5.10^{5} Pa, y de reducción de presión que
permite inyectar un caudal de agua a presión entre 10 y 20% del
producto tratado. Con el fin de simular una distorsión hidráulica,
la entrada 4 de la zona de flotación podía ser parcialmente
obstruida y, durante los ensayos, se neutralizó 50% del
paso.
paso.
Estos ensayos se llevaron a cabo en agua de río
poco cargada con materia en suspensión. El caudal de alimentación
se ajustó para obtener una velocidad en la plataforma 9 de 40
m/h.
Los objetivos de estos ensayos eran estudiar las
condiciones hidráulicas necesarias para la formación y para la
estabilidad del lecho de microburbujas, y las condiciones de altura
mínima de este lecho de microburbujas para mantener la
estabilidad.
Los dos principales parámetros estudiados fueron
la altura de la altura media del agua por encima del punto elevado
de la zona de mezcla, y la homogeneidad o no de la distribución
aguas arriba de esta zona. El porcentaje o contenido óptimo de agua
a presión es de aproximadamente 10%, y para obtener la
estabilización se ajustó a 15 y 20%.
Los criterios de calidad son la formación del
lecho de microburbujas, su altura y finalmente la calidad del agua
flotada, que se expresa aquí mediante la turbidez de NTU (unidad
nefelométrica de turbidez). Si la turbidez es menor que 2 NTU, se
considera como aceptable, y si es menor que 1 NTU se puede calificar
de excelente.
Los resultados obtenidos se han especificado en
forma de las dos tablas siguientes.
La primera tabla ilustra los resultados
relativos al ejemplo 1, y muestra la influencia de la velocidad de
la altura media del agua por encima de la salida de la zona de
mezcla 5 (esta salida corresponde a una altura media del agua que
tiene una altura Ha y una superficie Sa) sobre la estabilidad del
lecho de burbujas y sobre la turbidez del agua
tratada.
tratada.
La segunda tabla ilustra los resultados
obtenidos durante la realización del ejemplo 2, y destaca la
influencia de la homogeneidad de distribución aguas arriba de la
zona de mezcla 5, para una relación Sa/Sp igual a 0,15.
Primera serie de
ensayos
Los resultados de estos ensayos permiten
adelantar las siguientes conclusiones:
- -
- una velocidad demasiado alta en la sección de altura Ha, relación Sa/Sp baja, tiende a hacer girar fuertemente el lecho de microburbujas impidiendo, con eso, su estabilización, y por lo tanto su formación. Sin embargo, es posible, aumentando el porcentaje de presurización, contrarrestar este movimiento y obtener un lecho de burbujas. Así, con un porcentaje de 15%, fue posible estabilizar el lecho de burbujas (4º y 6º caso de la tabla anterior), pero con un aumento importante de este lecho de microburbujas (respectivamente 3,3 m y 2,3 m en lugar de 1,5 m);
- -
- una velocidad demasiado baja, relación Sa/Sp alta (10º caso de la tabla), por el contrario, no provoca la rotación mínima, el régimen de turbulencia no se alcanza, y el lecho de burbujas no se puede formar. Aquí, un exceso de aire es inoperante;
- -
- las relaciones Sa/Sp correctas se sitúan en el intervalo de 0,05 y 0,5, y permiten obtener un lecho de burbujas de altura limitada (relación H/L<1). Fuera de este intervalo, el lecho de burbujas no se forma, o la altura del lecho de burbujas es importante. En el 4º caso de la tabla: altura del lecho 3,3 m (o sea H/L = 1,32).
En la segunda serie de ensayos, cuyos resultados
se dan en la tabla siguiente, se mantuvo la relación Sa/Sp de 0,15.
Se realizaron dos ensayos, uno con una alimentación homogénea
garantizada mediante un desagüe en la entrada del floculador y una
floculación estática, el otro neutralizando 50% de la entrada 4 de
la cuba de flotación (alimentación baja de la cuba de
flotación).
Segunda serie de
ensayos
Los resultados aportados por estos ensayos
permiten adelantar las conclusiones siguientes:
- -
- una alimentación no homogénea sobre la longitud de la cuba de flotación no permite siempre formar un lecho de burbujas.
- -
- en el presente caso, se debió aumentar el porcentaje de presurización. La altura del lecho de burbujas es entonces importante, aquí 3,1 m, y la relación H/L de la cuba de flotación sería mayor que 1, y
- -
- una alimentación homogénea es necesaria para obtener lechos de burbujas de baja altura.
Se entiende que la presente invención no está
limitada a los ejemplos de realización descritos y representados
aquí arriba, sino que engloba todas las variantes.
Claims (6)
1. Instalación de purificación de aguas que
comprende una zona de coagulación (1), una zona de floculación (3),
una zona de mezcla (5), en una corriente ascendente del agua
floculada, suministrándose el agua a presión mediante un sistema de
presurización-reducción de presión (8) generador de
microburbujas, y una zona de flotación (6) en la parte superior de
la cual se evacuan las materias en suspensión llevadas a la
superficie mediante las microburbujas, teniendo esta zona de
flotación en su parte inferior un medio de recuperación (9) del agua
clarificada, caracterizándose esta instalación porque:
- -
- el medio de recuperación (9) del agua clarificada en la base de la zona de flotación está constituido de una plataforma provista de perforaciones, o tuberías provistas de orificios, creando una resistencia al escurrimiento a través de esta plataforma que es máxima en el extremo final de la zona de flotación (lado de evacuación) y va disminuyendo en dirección del extremo inicial de esta zona (lado de alimentación);
- -
- la geometría de la zona de flotación (6) es tal que la relación entre la altura (H) de la zona situada por encima del medio de recuperación (9) del agua aclarada y la longitud (L) de dicha zona está comprendida entre 0,3 y 1; y
- -
- la relación entre la superficie (Sa) de la lámina de agua en la salida de la zona de mezcla (5) y la superficie (Sp) de la zona de flotación propiamente dicha está comprendida entre 0,05 y 0,5, preferentemente entre 0,1 y 0,35.
2. Instalación según la reivindicación 1,
caracterizada porque comprende medios (2) concebidos para
repartir de manera homogénea el agua no tratada coagulada en la
zona de coagulación (1), sobre toda la longitud de la zona de
floculación (3).
3. Instalación según una de las reivindicaciones
1 ó 2, caracterizada porque la homogenización y la
floculación se aseguran mediante un sistema de floculación
estático.
4. Instalación según una de las reivindicaciones
1 ó 2, caracterizada porque la homogenización y la
floculación se aseguran mediante barreras giratorias
horizontales.
5. Instalación según una de las reivindicaciones
1 ó 2, caracterizada porque la homogenización y la
floculación se aseguran mediante un sistema de agitadores mecánicos
de eje vertical, proporcionándose orificios calibrados en la
entrada (4) de la zona de mezcla (5).
6. Instalación según la reivindicación 2,
caracterizada porque los medios (2) que aseguran la
repartición homogénea del agua no tratada sobre toda la longitud de
la zona de floculación (3) están especialmente en forma de desagüe
continuos, almenados, de tubos perforados, eventualmente
ramificados.
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