ES2282409T3 - Metodo de separacion de suspensiones, en particular para el tratamiento de aguas residuales y un aparato para llevar a cabo el mismo. - Google Patents
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Abstract
Método de separación de suspensiones, en particular para el tratamiento de aguas residuales, en el que se separa una suspensión floculante del líquido mediante filtración en una capa fluidizada de un manto de lodo que tiene un margen externo esencialmente inclinado y así la suspensión se espesa y la fluidización se mantiene mediante la corriente ascendente de líquido, mientras que el líquido con suspensión entra en la capa fluidizada desde la parte inferior, el líquido liberado de la suspensión se descarga por encima de la superficie del manto de lodo representada por la interfase entre la capa fluidizada y el líquido sin suspensión y la suspensión espesa se retira de la capa fluidizada, y la velocidad de flujo ascendente en la capa fluidizada disminuye sustancialmente en sentido ascendente, caracterizado porque se retira la suspensión espesa en exceso en el margen externo inclinado de la capa fluidizada de corrientes de densidad que caen a lo largo del margen externo inclinado de la capa fluidizada.
Description
Método de separación de suspensiones, en
particular para el tratamiento de aguas residuales, y un aparato
para llevar a cabo el mismo.
La invención se refiere a un método de
separación de suspensiones, en particular para el tratamiento de
aguas residuales, en el que una suspensión floculante se separa del
líquido mediante filtración en una capa fluidizada de un manto de
lodo y así se espesa la suspensión y se mantiene la fluidización
mediante la corriente ascendente del líquido, mientras que el
líquido con suspensión se introduce en la capa fluidizada desde la
parte inferior, se descarga el líquido liberado de la suspensión
por encima de la superficie del manto de lodo representado por la
interfase entre la capa fluidizada y el líquido sin suspensión y se
retira la suspensión espesada de la capa fluidizada, y la velocidad
de flujo ascendente en la capa fluidizada disminuye sustancialmente
en sentido ascendente.
Además se refiere a un aparato para la
separación de una suspensión floculante mediante filtración en una
capa fluidizada de un manto de lodo, en particular para el
tratamiento de aguas residuales, que contiene un separador de
ensanchamiento esencialmente ascendente que tiene paredes externas
inclinadas, cuyo volumen interno contiene un espacio de separación
y está dotado de la entrada de líquido con suspensión en su parte
inferior y medios para la retirada del líquido sin suspensión en su
parte superior, formándose en el espacio de separación en
funcionamiento una capa fluidizada de manto de lodo, por encima de
cuyo nivel se sitúa el agua purificada, y la suspensión espesada se
retira del espacio de separación.
Uno de los métodos más avanzados para la
separación de una suspensión floculante durante la purificación y
el tratamiento de agua es la filtración de fluidos en un manto de
lodo. El manto de lodo consiste en una capa fluidizada de
floculación que se producen por aglomeración de partículas de la
suspensión separada. El agua con la suspensión que ha de eliminarse
se introduce en el manto de lodo mediante corriente ascendente. Este
flujo mantiene la capa de flóculos en una estado fluidizado.
Durante el flujo a su través de aguas con suspensión a través de la
capa fluidizada las partículas en suspensión entran en contacto con
los flóculos con la posterior captura de partículas en suspensión
debido a su adhesión a los flóculos. Esta filtración libera agua
desde la suspensión que se transforma en flóculos que son
sustancialmente mayores que las partículas en suspensión
entrantes.
La capa fluidizada produce una interfase
superior entre la capa fluidizada y el líquido sin suspensión, la
denominada superficie de manto de lodo, retirándose el líquido
liberado de la suspensión separada por encima de la superficie de
manto de lodo. Se establece la interfase, si la velocidad de flujo
del líquido directamente por encima de la interfase es inferior a
la velocidad de sedimentación no retardada de las distintas
partículas que producen la capa fluidizada. Puesto que los flóculos
producidos en el manto de lodo mediante aglomeración de la
suspensión son sustancialmente mayores que las partículas en
suspensión entrantes, esta velocidad supera sustancialmente la
velocidad de sedimentación de la suspensión separada. La retirada de
líquido transparente se separará suficientemente de la superficie
del manto de lodo, para impedir que los flóculos salgan del manto
de lodo debido a irregularidades de la retirada. Debido a eso, una
capa de líquido transparente en la zona de separación por encima
del manto de lodo siempre es indispensable.
La capa fluidizada estará soportada desde la
parte inferior. Un método usado frecuentemente para soportar la
capa fluidizada es el soporte hidrodinámico que consiste en que el
flujo rápido de líquido por debajo de la capa de fluido impide su
caída. En tal caso, la velocidad de flujo del líquido en la capa
fluidizada disminuye en sentido ascendente.
Un manto de lodo con flóculos producidos por la
suspensión floculante se caracteriza por el equilibrio dinámico que
determina el tamaño de los flóculos en el punto dado. Atrapando
partículas de la suspensión y mediante aglomeración, crecen los
flóculos individuales, mientras que los flóculos grandes se
disgregan en flóculos más pequeños bajo la influencia de fuerzas
hidrodinámicas. La capa fluidizada por su parte afecta al flujo de
líquido, estableciéndose así retroalimentación.
La continua intercepción de la suspensión da
como resultado el aumento del volumen total de flóculos y, en
consecuencia, los flóculos superfluos deben eliminarse del manto de
lodo. Así, se retira la suspensión separada del manto de lodo en
forma de flóculos en exceso.
Se conocen dos tipos de mantos de lodo: el
completamente fluidizado, también especificado como perfectamente
fluidizado, y el parcialmente fluidizado, especificado también como
imperfectamente fluidizado. Difieren en cuanto a la velocidad del
líquido en la superficie del manto de lodo y en cuanto al tipo de
retirada de los flóculos en exceso. En un manto de lodo
parcialmente fluidizado, la velocidad del líquido en la superficie
del manto de lodo es menor que el límite de fluidización y los
flóculos en exceso se retiran de la parte inferior, en un manto de
lodo completamente fluidizado, la velocidad del líquido en la
superficie del manto de lodo supera el límite de fluidización y los
flóculos en exceso se retiran de la superficie del manto de
lodo.
Debido al hecho de que la velocidad del líquido
tiende a ser inferior al límite de fluidización en la superficie
del manto de lodo parcialmente fluidizado, se encuentran ahí fallos
de fluidización. Se producen aglomeraciones grandes de flóculos que
caen a través de la capa fluidizada. Su caída conduce a corrientes
ascendentes en las proximidades, aumentando así la velocidad local
del flujo ascendente, que contribuye al mantenimiento de la
fluidización en otras zonas cerca de la superficie del manto de
lodo. Puesto que la velocidad promedio del flujo ascendente en una
capa fluidizada aumenta en sentido descendente, algunos aglomerados
se descomponen en el flujo más rápido y sus flóculos vuelven al
manto de lodo. Sin embargo, algunos aglomerados, caen por debajo de
la capa fluidizada de la que se eliminan. Dentro de un determinado
intervalo de parámetros, se alcanza un equilibrio entre la cantidad
de suspensión que fluye en el manto de lodo y la cantidad de
suspensión que cae fuera del manto de lodo y se retira por medio
del mecanismo descrito. Si la cantidad de suspensión entrante
supera la cantidad de suspensión que cae fuera, el volumen del manto
de lodo aumenta, y si supera la capacidad de la planta, el manto de
lodo comienza a eliminarse por lavado en la retirada de agua
purificada, es decir, rebosa. Si la cantidad de suspensión entrante
es menor que la cantidad de suspensión que cae fuera, el volumen
del manto de lodo disminuye, y si cae por debajo de un valor
crítico, el manto de lodo cae por debajo del separador o, en otras
palabras, cae fuera del espacio de separación.
La concentración de flóculos en el manto de lodo
depende de la velocidad de flujo ascendente. Cuanto menor es la
velocidad de flujo, mayor es la concentración. La concentración de
flóculos en los aglomerados que caen fuera de un manto de lodo
parcialmente fluidizado es mayor que la que correspondería a la
velocidad del límite de fluidización. Esto es por lo que la
concentración de la suspensión separada eliminada de un manto de
lodo parcialmente fluidizado puede ser superior que la
concentración de una suspensión eliminada de un manto de lodo
completamente fluidizado. Por el contrario, sin embargo, la
velocidad de flujo en la superficie del manto de lodo y, en
consecuencia, el comportamiento hidráulico de un manto de lodo
completamente fluidizado es superior que el de un manto de lodo
parcialmente fluidizado. Esto es por lo que el uso de un manto de
lodo completamente fluidizado es favorable para la separación de
suspensiones diluidas, mientras que el manto de lodo parcialmente
fluidizado es adecuado para separar suspensiones concentradas.
Por esta razón se ha usado el manto de lodo
completamente fluidizado en el tratamiento químico de agua en la
que la concentración de la suspensión, por lo general, es de décimas
partes de gramos de materia seca por metro cúbico. La velocidad de
flujo del líquido en la superficie del manto de lodo alcanza
actualmente los valores de 4 - 4,5 m por hora mientras que la
suspensión retirada de la superficie del manto de lodo es de cuatro
veces a ocho veces más espesa, sometiéndose después los flóculos
retirados a un espesamiento secundario mediante sedimentación.
Puede usarse un manto de lodo parcialmente fluidizado en el
tratamiento biológico de aguas fecales en las que las
concentraciones actuales de la suspensión son de 4 a 6 kg de materia
seca por metro cúbico y la suspensión espesada separada se devuelve
al procedimiento de tratamiento. La velocidad de flujo del líquido
en la superficie del manto de lodo alcanza actualmente valores de
0,8 - 1 metro por hora y la suspensión retirada puede espesarse
desde 1,5 veces hasta el doble.
Por supuesto todos los valores límite dependen
de varios parámetros, de los cuales especialmente la temperatura
del agua y la naturaleza de la suspensión tienen una influencia
extraordinaria. Mediante la monitorización de muchas plantas
durante varios años, se ha descubierto que estos parámetros tienen
influencia en los valores límite dentro del 10 al 30 por ciento,
por lo general.
Los espacios de separación en los que tiene
lugar la filtración descrita en el manto de lodo tienen normalmente
la forma de un prisma, pirámide o cono de ensanchamiento ascendente,
que garantiza la disminución de la velocidad de flujo del líquido
en sentido ascendente. Están limitados por paredes inclinadas,
normalmente con una inclinación de 5 a 60 grados que, por un lado,
impide que los flóculos depositen capas sobre estas paredes y por
otro lado, proporciona suficiente superficie para la superficie del
manto de lodo.
Los separadores para el manto de lodo están
equipados además con la retirada del líquido puro sin suspensión en
la parte superior, normalmente en la forma de surcos de rebosamiento
o tubos perforados, y en la parte inferior están dotados con una
entrada de líquido con suspensión que va a separarse.
La solución más sencilla de esta entrada es un
simple orificio que conecta el espacio de separación con otro
espacio funcional, tal como un espacio de activación en el caso de
tratamiento de residuos biológicos o un espacio de coagulación en
el caso de tratamiento de aguas químicas. Sin embargo, también se
conocen soluciones más complejas, tales como en forma de canales de
alimentación inclinados a lo largo de las paredes del espacio de
separación, o en forma de una tubería de entrada central que pasa
verticalmente a través del centro del espacio de separación. Tales
canales o tuberías de entrada se conectan entonces con otro espacio
funcional desde el que fluye normalmente el líquido con suspensión
hacia abajo hasta el punto de la entrada real al espacio de
separación en el que el líquido fluye hacia arriba. Si la
disposición global de la entrada al espacio de separación es más
compleja, entonces, en relación al mecanismo descrito anteriormente
de soporte hidrodinámico de la capa fluidizada del manto de lodo,
bajo el concepto de entrada al espacio de separación se entiende la
superficie horizontal al nivel superior del orificio a través del
que fluye el agua hasta dicha entrada al espacio de separación. La
parte superior del espacio de separación para un manto de lodo
completamente fluidizado esta dotada con la retirada de la
suspensión separada que delimita la posición de la superficie del
manto de lodo, mientras que para un manto de lodo parcialmente
fluidizado la retirada de la suspensión separada está dispuesta por
debajo del nivel de entrada del líquido con suspensión al espacio de
separación. El área de flujo a su través de la entrada del líquido
con suspensión al espacio de separación, por lo general, es del 2,2
al 2,5 por ciento del espacio de separación para un manto de lodo
completamente fluidizado, y del 10 al 15 por ciento del mismo para
un manto de lodo parcialmente fluidizado. Cuanto mayor sea el área
de flujo a su través de la entrada al espacio de separación en un
manto de lodo parcialmente fluidizado, mayores concentraciones de
suspensión pueden separarse mediante este manto de lodo, pero
también es mayor el límite para que este manto de lodo caiga
fuera.
Los principios descritos todavía aclaran otra
diferencia sustancial entre un manto de lodo parcialmente fluidizado
y uno completamente fluidizado. La altura de la superficie del
manto de lodo en un manto de lodo completamente fluidizado es
constante, y si hubiese cualquier cambio del flujo a su través o de
la concentración de la suspensión entrante, solo varía la
concentración de la suspensión espesada retirada. La superación del
rendimiento máximo se manifiesta por la extracción de flóculos
fuera del manto de lodo o porque su superficie se elimina por
lavado. En un manto de lodo parcialmente fluidizado su altura
superficial varía con los cambios del flujo a su través y de la
concentración de la suspensión entrante, y la superación del
rendimiento máximo se manifiesta por la subida del manto de
lodo hasta el nivel de retirada del líquido purificado, con el subsiguiente rebosamiento del manto de lodo a la retirada.
lodo hasta el nivel de retirada del líquido purificado, con el subsiguiente rebosamiento del manto de lodo a la retirada.
La experiencia de funcionamiento ha demostrado
que el manto de lodo es funcional de forma apropiada siempre sólo
dentro de un determinado intervalo de parámetros de diseño. Si el
flujo a su través cae por debajo de aproximadamente el 50 por
ciento del rendimiento nominal en un manto de lodo completamente
fluidizado usado para el tratamiento de aguas químicas, tienen
lugar alteraciones de fluidización que tienen la tendencia a
empeorar, y en el plazo de un tiempo determinado dan como resultado
fallos funcionales. Si la concentración del lodo activado cae por
debajo de 1 - 2 kg de materia seca por metro cúbico en el caso de un
manto de lodo parcialmente fluidizado usado para el tratamiento
biológico de aguas, no se establece un manto de lodo en el espacio
de separación, o si la concentración de la suspensión ha caído por
debajo del límite mencionado, es probable que el manto de lodo
caiga fuera del espacio de separación, es decir, se hundirá por
debajo del espacio de separación.
Los principios del manto de lodo completamente
fluidizado y diversas disposiciones de los aparatos correspondientes
se describen, por ejemplo, en la memoria descriptiva de la patente
checa número 88634 (S. Mackrle, V. Mackrle, I. Tesa\check{r}ík,
V. Mi\check{c}an, Reactor for water treatment by sludge
blanket) y la memoria descriptiva de la patente checa número
123929 (S. Mackrle, V. Mackrle, O. Dra\check{c}ka, L. Paseka,
Clarifier for water treatment by coagulation and filtration by
perfectly fluidized sludge blanket) y su correspondiente memoria
descriptiva de la patente canadiense número 769769. Se describe un
manto de lodo parcialmente fluidizado con caída espontánea de la
suspensión separada de nuevo al procedimiento de tratamiento, por
ejemplo, en la memoria descriptiva de la patente checa número
159811 (S. Mackrle, V. Mackrle, Modular apparatus for biological
treatment of organically polluted liquids) y sus
correspondientes memorias descriptivas de patentes extranjeras, la
memoria descriptiva canadiense número 921626 y la memoria
descriptiva estadounidense número 3627136, y también se describe en
la memoria descriptiva de la patente checa número 173893 (S.
Mackrle, V. Mackrle, O. Dra\check{c}ka, Reactor for biological
purification of liquid, in particular sewage water) y sus
correspondientes memorias descriptivas de patentes extranjeras, la
canadiense número 1038090, alemana número 2456953, francesa número
7439337 y la japonesa número 1044405. Un manto de lodo parcialmente
fluidizado con la aplicación de eliminación por succión de la
suspensión separada caída se describe en la memoria descriptiva de
la patente checa número 275746 (S. Mackrle, V. Mackrle Method of
biological activation purification of water y apparatus for
performing the same), con la correspondiente memoria
descriptiva de patente estadounidense número 5032276 y EP
345669.
Además de los dos modos básicos de retirada de
flóculos en exceso descritos anteriormente, de la superficie del
manto de lodo y de la parte inferior del manto de lodo, también se
conocen soluciones que consisten en la retirada de los flóculos en
exceso del interior del manto de lodo (es decir, documento JP 56
010394 A - Tamaki Yukihiko/Toyo Giken KK Kawasaki Heavy Ind. Ltd.,
Disposing device for sewage at high capability, documento JP 61
192391 A - Kitawaga Masami, Yamamoto Koitchi, Iritani Mohorito/Ebara
Infilco Co. Ltd., Method and apparatus for treatment of organic
sewage, documento EP 1 023 117 B1 - Dieter Eppler/Dieter Eppler
Wasseraufbereitung, Schwebefilteranlage zur
Trinkwaseraufbereitung). Se ha mostrado un análisis detallado de que
estas soluciones no proporcionan ninguna ventaja en comparación con
los modos básicos descritos anteriormente. Por el contrario, una
desventaja en comparación con el manto de lodo completamente
fluidizado es la sustitución de un procedimiento inherentemente
automático por un procedimiento que requiere regulación externa.
Además, en el caso de que la retirada se realice mediante una bomba
(documento EP 1 023 117 B1) los flóculos se rompen, lo que complica
el espesamiento adicional del lodo retirado. En comparación con el
manto de lodo parcialmente fluidizado, la desventaja de estas
soluciones consiste en la baja concentración de la suspensión
retirada.
Los inconvenientes de la técnica anterior se
eliminan sustancialmente mediante el método y aparato según la
presente invención.
El fundamento del método según la invención
consiste en que se retira una suspensión espesada en exceso en el
margen externo inclinado de la capa fluidizada de corrientes de
densidad que caen a lo largo del margen externo inclinado de la
capa fluidizada.
Es beneficioso que por encima del nivel de la
retirada de la suspensión espesada en exceso, se forme una capa
fluidizada como un manto de lodo parcialmente fluidizado, en la que
se producen aglomerados de flóculos de la suspensión espesada que
caen a lo largo del margen externo inclinado al punto de retirada, y
por debajo del nivel de la retirada se forme una capa fluidizada
como un manto de lodo completamente fluidizado, en la que la
corriente del líquido con suspensión se distribuye en el manto de
lodo parcialmente fluidizado.
También es importante que en la interfase del
manto de lodo parcialmente fluidizado y manto de lodo completamente
fluidizado la velocidad de flujo ascendente disminuya
bruscamente.
Es preferible si la concentración de la
suspensión de flujo entrante supera 1 kg de materia seca por metro
cúbico, la velocidad de flujo del agua ascendente inmediatamente por
encima de la superficie de manto de lodo está en el intervalo de
1,6 a 2,2 metros por hora.
Es preferible que la velocidad de flujo de agua
en la entrada al manto de lodo esté dentro del intervalo de 2 a 6
cm por segundo y el volumen de la suspensión espesada en exceso
retirada sea múltiplo de 1,5 a múltiplo de 3 del volumen de agua
sin suspensión retirado por encima de la superficie del manto de
lodo.
El fundamento del aparato según la invención
consiste en que el espacio de separación en el separador que tiene
paredes externas inclinadas al menos en un lugar por encima de la
entrada al separador y por debajo de la superficie del manto de
lodo se ensancha bruscamente hacia arriba, y al nivel de este
ensanchamiento brusco, al menos cerca de una de dichas paredes
externas inclinadas, al menos un punto de retirada de un exceso de
suspensión espesada en exceso que cae como corrientes de densidad a
lo largo de dicha pared externa inclinada desde una capa fluidizada
del manto de lodo se sitúa dentro del espacio de separación en el
separador.
El fundamento de una realización del aparato
consiste también en que el espacio de separación dentro del
separador, en su parte inferior, se limita al menos en una parte al
menos por una pared interna inclinada, mientras que el espacio
entre la parte inferior de la pared externa y la pared interna crea
un espacio de espesamiento, mientras que el hueco entre el borde
superior de esta pared interna y la pared externa representa el
lugar del ensanchamiento brusco y también el punto de retirada de
la suspensión espesada en exceso del espacio de separación.
Es beneficioso que el hueco entre el borde
superior de la pared interna y la pared externa cree una entrada al
espacio de espesamiento que está dotado con medios para retirar la
suspensión espesada en exceso en su parte inferior.
También se ofrece una contribución mediante una
realización en la que la pared externa inclinada del separador
incluye un ángulo en la zona de retirada de la suspensión espesada y
su parte superior por encima de este nivel está más inclinada que
la parte inferior de la misma situada por debajo.
En una realización preferida en el punto de
retirada se sitúan y se crean medios para retirar la suspensión
espesada mediante un tubo de recogida perforado y el ensanchamiento
brusco del espacio de separación en este lugar se realiza mediante
una desviación de la pared externa, que tanto desde arriba como
desde abajo está unida al tubo de recogida, realizándose orificios
para retirar la suspensión espesada en exceso en el lateral del
tubo de recogida orientado hacia la parte superior de la pared
externa inclinada desviada.
Es una estructura preferida del aparato en la
que el área de entrada al espacio de separación es superior al 3
por ciento e inferior al 6 por ciento de la superficie del espacio
de separación al nivel de retirada de líquido sin suspensión, el
área del espacio de separación inmediatamente por debajo del nivel
de retirada de la suspensión espesada en exceso es superior al 20
por ciento, e inmediatamente por encima del nivel de eliminación de
la suspensión espesada en exceso es inferior al 70 por ciento de la
superficie del espacio de separación al nivel de retirada de
líquido sin suspensión, y tanto el nivel de entrada al espacio de
separación como el nivel de retirada del líquido sin suspensión
están a una distancia vertical de más de un metro desde el nivel de
retirada de la suspensión espesada.
Para la función del aparato es beneficioso que
la altura del nivel de retirada de la suspensión espesada en exceso
por encima del nivel de entrada al espacio de separación esté en el
intervalo de desde ¼ hasta ¾ de la altura del nivel de retirada del
líquido sin suspensión por encima del nivel de entrada al espacio de
separación, además de que el aparato esté dotado con tubos
funcionales, al menos un tubo funcional del grupo creado por tubos
de recogida de la suspensión espesada en exceso, tubos de recogida
para retirar la suspensión espesada en exceso, tubos de recogida
para retirar líquido sin suspensión, tubos de descarga, tuberías de
entrada de aire comprimido y los tubos de enjuague, formando parte
también de la estructura de soporte de las paredes externas del
espacio de separación y que el ángulo de la pared externa inclinada
en su parte superior esté dentro del intervalo de 52° a 60°.
El ángulo de la pared interna inclinada está
preferiblemente dentro del intervalo de 52° a 60°, mientras que el
ángulo de la pared externa inclinada en su parte inferior está
dentro del intervalo de 30° a 40°.
La ventaja más esencial del método y el aparato
según la presente invención es una mejora sustancial de la eficacia
de separación, que se permite en particular mediante el aumento de
la carga de sólidos de la separación cuando se separa una
suspensión concentrada, y concretamente hasta el doble que puede
alcanzarse mediante los sistemas conocidos de filtración de fluidos
usando un manto de lodo parcialmente fluidizado. Esto puede usarse
para, o bien aumentar la carga hidráulica y, en consecuencia, para
potenciar la capacidad de separación, o bien para aumentar la
concentración de la suspensión que entra en el manto de lodo o,
posiblemente, para una combinación óptima de ambos efectos. Tal
mejora cuantitativa de la eficacia de separación será una
contribución especial para el tipo de activación del tratamiento de
aguas residuales biológicas en relación al ahorro en el diseño de
reactores biológicos integrados. El aumento de la carga hidráulica
debido a la aplicación del método y aparato según la presente
invención permite acortar el espacio de separación, y concretamente
hasta el 50 por ciento frente a las dimensiones de las plantas
conocidas hasta la fecha que usan un manto de lodo parcialmente
fluidizado. Esto no sólo conlleva ahorros en relación a la
construcción del separador, sino también ahorros de construcción
adicionales, tales como por la reducción de la altura necesaria del
reactor biológico integrado y un alojamiento más fácil del
separador en el reactor. La concentración aumentada de lodo activado
en el reactor biológico se refleja también en la reducción de los
volúmenes funcionales que son necesarios para los procesos
biológicos y de ese modo reduciendo también el tamaño global del
reactor. La reducción del tamaño del separador y la optimización de
la construcción y de las dimensiones del reactor permiten conseguir
ahorros considerables de material, coste de fabricación, transporte
e instalación. Otra ventaja del método y el aparato para poner en
práctica el método según la presente invención es su funcionamiento
dentro de un intervalo sustancialmente más amplio de parámetros
que, en el caso de un manto de lodo parcialmente fluidizado. Esto
amplía el alcance de
la utilización del método y el aparato y permite su flexibilidad sustancialmente mejorada durante el funcionamiento.
la utilización del método y el aparato y permite su flexibilidad sustancialmente mejorada durante el funcionamiento.
Se describirán cuatro realizaciones a modo de
ejemplo de la invención, en la que la figura 1 muestra el primer
ejemplo de realización de un aparato según la invención en sección
lateral, la figura 2 muestra el primer ejemplo de realización de un
aparato según la invención en representación axonométrica, la figura
3 es una integración del primer ejemplo de la realización en un
reactor integrado a modo de ejemplo para el tratamiento de
activación de aguas residuales, la figura 4 es una segunda
realización a modo de ejemplo del aparato en sección lateral, la
figura 5 es la segunda realización a modo de ejemplo en
representación axonométrica, la figura 6 es una tercera realización
a modo de ejemplo del aparato en sección lateral dentro de un
reactor biológico integrado a modo de ejemplo, la figura 7 es una
representación axonométrica de una realización a modo de ejemplo
según la figura 6, la figura 8 muestra las cuatro realizaciones a
modo de ejemplo del aparato en sección lateral y la figura 9 es la
cuarta realización a modo de ejemplo en representación axonométrica
dentro de un reactor biológico integrado a modo de ejemplo.
Para el completo entendimiento se describen
siempre los ejemplos de los aparatos como partes de un reactor
integrado a modo de ejemplo para el tratamiento de activación de
aguas residuales, con nitrificación y desnitrificación mediante
lodo activado suspendido uniforme; los ejemplos de aparatos en tal
reactor integrado a modo de ejemplo sirven para separar la
suspensión floculante que se produce durante el tratamiento
mencionado. Se designan las partes que son similares en la forma de
funcionamiento y construcción con los mismos números de referencia
en diversos ejemplos de realización.
La parte básica del aparato para la separación
de la suspensión floculante según esta invención es un separador 1
en forma de un cono de ensanchamiento ascendente limitado por una
pared 2 externa con forma de una cubierta cónica (figuras 1, 2). La
forma del cono del separador 1 también puede ser discontinua en el
sentido de que puede comprender partes cilíndricas cortas no
ilustradas, o incluso partes ahusadas de inclinación opuesta, por
ejemplo, debido a razones de fabricación o diseño.
El espacio interno del separador 1 contiene un
espacio de separación; según este ejemplo de realización, el
espacio interno del separador 1 coincide prácticamente con el
espacio de separación. La pared 2 externa comprende un medio
insertado para retirar la suspensión espesada, y concretamente en
forma de un tubo 3 de recogida enrollado circular de sección
angular y su parte superior alberga otro medio para retirar líquido
sin suspensión en forma del tubo 4 de recogida enrollado circular
de sección triangular.
La altura del nivel de retirada de la suspensión
espesada por encima del nivel de entrada 5 en el separador 1 y, en
consecuencia, en el espacio de separación, está dentro del intervalo
de ¼ a ¾ de la altura del nivel de retirada de líquido sin
suspensión por encima del nivel de entrada 5 en el espacio de
separación. Es preferible disponer el medio para retirar la
suspensión espesada a una altura media del separador 1. Los tubos 3
y 4 de recogida pueden tener otras secciones, siendo sólo
ventajosas las formas mencionadas.
Se proporciona un retranqueo de la pared 2
externa en el diámetro al nivel del tubo 3 de recogida inferior,
pero la pared 2 externa puede realizarse también como un área cónica
continua sin ningún cambio abrupto. La parte inferior de la pared 2
externa se termina por la entrada 5 en el separador 1 que se realiza
como la abertura de entrada.
El tubo 4 de recogida superior para retirar
líquido sin suspensión está dotado de un orificio 6 en su lateral
inclinado externo, mientras que el tubo 3 de recogida inferior para
retirar la suspensión espesada está dotado de orificios 7 en su
lateral horizontal superior. Ambos tubos 3 y 4 perforados
representan también elementos de construcción que crean la
estructura de soporte del separador 1. El tubo 4 de recogida
superior desemboca en la descarga 8 que dispone el rebosamiento 9
para mantener constante la superficie 10 del agua en el separador
1. Se conecta el tubo 3 de recogida inferior a una bomba 12 de
recirculación a través del tubo 11. La pared 2 externa por encima
del tubo 4 de recogida superior puede terminar con otra forma en
lugar de un cono, debido a razones de funcionamiento, tal como una
pieza 13 de extremo cilíndrica. Durante el funcionamiento del
aparato, la superficie 14 del manto de lodo se sitúa entre el tubo
3 de recogida inferior perforado y el tubo 4 de recogida superior
perforado.
El ejemplo descrito de una realización para
separar una suspensión floculante crea una parte de un reactor para
el tratamiento de activación biológico de aguas residuales que
consiste, según este ejemplo de realización, en un tanque 15
dividido de modo que forma un espacio 16 óxico y un espacio 17
anóxico que se comunican a través de una conexión 18. Esta conexión
18, por ejemplo, puede realizarse como una muesca en la pared 19
divisoria que separa el espacio 16 óxico del espacio 17 anóxico.
El espacio 16 óxico del reactor según el ejemplo
de realización alberga al separador 1 descrito cuya entrada 5 se
comunica por tanto con el espacio 16 óxico, mientras que la salida
20 de la bomba 12 de recirculación desemboca en el espacio 17
anóxico. La parte 21 inferior del tanque 15, por debajo de la
entrada 5 en el separador 1, alberga un cono 22 invertido (figura
3) que tiene orificios 23 en su parte superior. El espacio 16 óxico
está dotado de elementos 24 de aireación conectados con la tubería
25 de entrada de aire comprimido (figura 3); mientras que el
espacio 17 anóxico está dotado de una entrada 26 de aguas residuales
y un agitador 27 dirigido entre dos paredes 28 deflectoras
paralelas que están dispuestas verticalmente en el espacio 17
anóxico. La entrada 26 de aguas residuales y la salida 20 de la
bomba 12 de recirculación desembocan en esquinas opuestas del
espacio 17 anóxico a la parte 21 inferior o, posiblemente, a una
profundidad media del tanque 15, realizándose la conexión 18 con el
espacio de separación cerca de la superficie 10 de agua en el tanque
15.
El aparato descrito funciona como sigue. El agua
con la suspensión floculante compuesta de lodo activado
biológicamente fluye hacia el espacio de separación a través de la
entrada 5. En el espacio de separación el agua fluye hacia arriba,
y puesto que el espacio de separación en el separador 1 se ensancha
sustancialmente en sentido ascendente, la velocidad de flujo de
agua disminuye sustancialmente en sentido ascendente. Dentro del
espacio de separación, un procedimiento conocido da como resultado
una capa fluida de un manto de lodo en la que queda atrapada la
suspensión del líquido que fluye. La capa fluidizada del manto de
lodo en el espacio de separación crea la superficie 14 del manto de
lodo por encima del nivel del tubo 3 de recogida inferior para
retirar la suspensión espesada y por debajo del nivel del tubo 4 de
recogida superior para retirar líquido sin suspensión, mientras que
por encima de la superficie 14 del manto de lodo se sitúa una capa
de líquido sin suspensión (figuras 1, 2).
Puede resumirse que la suspensión floculante se
separa del líquido mediante filtración en la capa fluidizada del
manto de lodo en la que se crean los flóculos de la suspensión
separada y se mantiene la fluidización mediante el flujo ascendente
de líquido. El líquido con suspensión entra en la capa fluidizada
desde la parte inferior y el líquido liberado de la suspensión se
retira por encima de la superficie 14 del manto de lodo
representada mediante una interfase entre la capa fluidizada y el
líquido sin suspensión. Se retira la suspensión espesada separada
en forma de flóculos del manto de lodo de la zona de la capa
fluidizada, mientras que la velocidad de flujo ascendente en la
capa fluidizada disminuye esencialmente en sentido ascendente.
La capa del manto de lodo por encima del nivel
de retirada de la suspensión espesada funciona como un manto de
lodo parcialmente fluidizado en el que la suspensión espesada se
densifica adicionalmente, concretamente se forman aglomerados de la
suspensión espesada y después se retiran. La capa del manto de lodo
por debajo del nivel de retirada de la suspensión espesada funciona
como un manto de lodo completamente fluidizado en el que el flujo
de líquido está distribuido uniformemente en el manto de lodo
parcialmente fluidizado. Tal distribución se debe al hecho de que
una capa fluidizada funciona como un entorno poroso cuya resistencia
distribuye el flujo, especialmente el flujo ascendente, hasta el
perfil de todo el flujo a su través. En consecuencia, en la capa
fluidizada inferior del manto de lodo completamente fluidizado, se
distribuye la corriente de suspensión en todo el perfil del espacio
de separación, entrando así uniformemente la capa fluidizada del
manto de lodo parcialmente fluidizado. En analogía, cerca de la
superficie 14 del manto de lodo, el flujo está distribuido
uniformemente en todo el área.
Estando conectado el separador 1 mediante una
entrada 5 con el espacio 16 óxico que está conectado a través de
una conexión 18 con el espacio 17 anóxico, el rebosamiento 9
mantiene la superficie 10 de agua constante en todo el tanque 15.
En consecuencia, exactamente el mismo volumen de líquido que ha
entrado en el tanque 15 a través de la entrada 26 de aguas
residuales (figura 3) fluirá fuera del tanque 15 a través del tubo 4
de recogida superior y los orificios 6 en el mismo y adicionalmente
a través de la descarga 8 sobre el rebosamiento 9. Si el volumen de
agua sin suspensión que ha fluido a través de la descarga 8 desde el
espacio de separación es Q_{o}, y el volumen de la suspensión
espesada retirada mediante la bomba 12 de recirculación desde el
espacio de separación es Q_{s}, entonces el volumen de agua con
suspensión que va a través de la entrada 5 al espacio de separación
es igual a Q_{o} + Q_{s}. Si la concentración de suspensión en
el agua que fluye hacia el espacio de separación a través de la
entrada 5 es C, mientras que la concentración de suspensión
espesada que se está retirando es C_{s}, entonces el volumen de
suspensión que ha ido hacia el espacio de separación es
C(Q_{o}+Q_{s}), mientras que el volumen de suspensión que
se retira del espacio de separación es C_{s}Q_{s}. En un estado
de equilibrio ambos volúmenes serán iguales y, en consecuencia, es
válido para la concentración de la suspensión espesada retirada en
estado de equilibrio: C_{ss} = C(Q_{o}+Q_{s})/Q_{s}.
Si la concentración de la suspensión espesada retirada es inferior a
C_{ss}, el volumen de suspensión en el manto de lodo crece y
debido a eso la superficie 10 de manto de lodo asciende, si la
concentración de la suspensión espesada retirada es superior a
C_{ss}, el volumen de suspensión en el manto de lodo disminuye y
la superficie 10 del manto de lodo se hunde. Se especifican todas
las cantidades Q en unidades de volumen por unidad de tiempo, tal
como metros cúbicos por hora, mientras que se especifican las
concentraciones, por ejemplo, como kg por metro cúbico. En
consecuencia, la altura de la superficie 14 del manto de lodo varía
y depende del equilibrio de masas, del mismo modo que en el manto de
lodo parcialmente fluidizado. En un determinado intervalo de
parámetros, un manto de lodo tiene propiedades autorreguladoras: la
concentración C_{s} de la suspensión espesada retirada crece
junto con la altura ascendente de la superficie 14 del manto de
lodo, y debido a eso; para un determinado valor ajustado de Q_{s}
y el valor Q_{o} dado, la superficie 14 del manto de lodo se
estabilizará automáticamente a un nivel que permite cumplir la
condición de C_{s} = C_{ss}. Los símbolos aplicados deben
entenderse como sigue:
- C concentración de suspensión en la mezcla de activación que fluye hacia el espacio de separación
- Q_{o} cantidad de volumen de agua sin suspensión que fluye fuera del espacio de separación
- Q_{s} cantidad de volumen de suspensión espesada retirada del espacio de separación
- C_{s} concentración de suspensión espesada retirada
- C_{ss} concentración de suspensión espesada retirada en estado de equilibrio.
La corriente de líquido en las zonas de
separación tiene, debido a su forma, además de un componente
ascendente vertical, también un componente horizontal dirigido a
las paredes inclinadas. Contra el componente vertical de flujo, los
flóculos están sometidos a fuerzas gravitatorias en sentido
descendente. La combinación de estas fuerzas da como resultado una
fuerza horizontal que impulsa los flóculos en la dirección de las
paredes inclinadas. Debido a eso, la concentración de la suspensión
aumenta en las paredes inclinadas, dando como resultado corrientes
de densidad descendentes a lo largo de estas paredes. En un manto de
lodo parcialmente fluidizado, los aglomerados de flóculos que caen
continúan, tras haber entrado en contacto con la pared inclinada,
también como corrientes de densidad. La concentración de la
suspensión en las corrientes de densidad está influenciada además
por dos efectos contrarios: por un lado, debido a la fuerza
gravitatoria, tiene lugar un espesamiento adicional de la
suspensión en la corriente de densidad que fluye hacia abajo a lo
largo de una pared inclinada; por otro lado, el flujo en sentido
contrario del líquido que fluye hacia el espacio de separación en
sentido ascendente se lava a través del flujo de densidad
diluyendo, por el contrario, la suspensión en el flujo de
densidad.
Corrientes de densidad con la suspensión
espesada que fluyen por debajo de la superficie 14 del manto de lodo
a lo largo del lado interno de la pared 2 externa inclinada del
separador 1 en sentido descendente, bajan hasta el tubo 3 de
recogida para la retirada de la suspensión espesada, desde el que se
eliminan por succión mediante el funcionamiento de la bomba 12 de
recirculación. Puesto que los orificios 7 en la tubería de recogida
sirven para la retirada de la suspensión espesada están situados en
el lateral superior, se someten las corrientes de densidad por
encima del tubo 3 de recogida a retirada. Tal disposición reduce la
dilución de la suspensión espesada retirada.
Un límite viable teóricamente para la velocidad
de flujo máxima a la altura de la superficie 14 del manto de lodo
corresponde con una velocidad de aproximadamente 2 - 2,2 mph,
durante la que el manto de lodo completamente fluidizado empieza a
convertirse en un manto de lodo parcialmente fluidizado, es decir,
el 50 por ciento de las velocidades alcanzadas actualmente, 4 - 4,5
metros por hora en un manto de lodo completamente fluidizado.
Experimentos con el aparato descrito en el que
el área de flujo a su través del espacio de separación justo por
debajo del nivel de retirada de la suspensión espesada a través del
tubo 3 de recogida ascendía al 25 por ciento del área del espacio
de separación al nivel de retirada de líquido sin suspensión a
través del tubo 4 de recogida, demostraron que la velocidad de
flujo máxima en la superficie 14 del manto de lodo en este aparato
está dentro del intervalo de 1,6 - 1,9 mph. En caso de superar este
valor, el manto de lodo ya rebosaría a los medios de retirada de
líquido purificado. La consecuencia es un rendimiento
aproximadamente del doble comparada con los equipos conocidos hasta
la fecha con manto de lodo parcialmente fluidizado. Los
experimentos demuestran que es preferible si la cantidad de volumen
de suspensión espesada eliminada mediante la bomba 12 de
recirculación iguala aproximadamente el doble de la cantidad de
volumen de agua sin suspensión que se ha salido a través de la
descarga 8, es decir, Q_{s} = aprox. 2 Q_{o}.
Puesto que se elimina la suspensión espesada en
exceso del manto de lodo en la zona de su circunferencia externa en
el aparato descrito, sin salir a través de la entrada 5, el área de
flujo a su través de la entrada 5 puede ser inferior que en los
equipos conocidos con manto de lodo parcialmente fluidizado y, en
consecuencia, el manto de lodo por debajo del nivel de retirada de
la suspensión espesada a través de tubo 3 de recogida puede
funcionar como uno completamente fluidizado. Esto permite inhibir el
efecto de salirse del manto de lodo durante un flujo inferior de la
suspensión, que limita actualmente el alcance de la aplicación de un
manto de lodo parcialmente fluidizado. Con el fin de permitir que
el manto de lodo por debajo del nivel de retirada de la suspensión
espesada funcione como uno completamente fluidizado, la velocidad de
flujo del agua en la entrada al manto de lodo debe cumplir con
valores para un manto de lodo completamente fluidizado, es decir,
estará en el intervalo de 2 a 6 centímetros por segundo.
Considerando la cantidad de volumen de suspensión recirculada y la
salida del aparato, es preferible disponer el área de entrada 5 de
modo que sea superior al 3 por ciento e inferior al 6 por ciento
del área del espacio de separación al nivel de retirada del líquido
sin suspensión a través de la trayectoria del tubo 4 de
recogida.
La cantidad de volumen de la suspensión espesada
retirada está en el intervalo de 1,5 veces a 3 veces la cantidad de
volumen de agua sin suspensión retirada por encima de la superficie
del manto de lodo.
En el espacio 16 óxico y el espacio 17 anóxico
del reactor para el tratamiento de activación biológico de aguas
residuales, en presencia de lodos activados devueltos por la bomba
12 de recirculación, se realiza el tratamiento de activación
conocido de aguas residuales que se lleva hasta el reactor mediante
la entrada 26 de aguas residuales, fluyendo el agua purificada
mediante la descarga 8 en el rebosamiento 9. Si las aguas
residuales contienen compuestos de nitrógeno, tales como aguas
fecales, el espacio 17 anóxico funciona como un espacio de
desnitrificación central en el que se reducen los nitratos a
nitrógeno gaseoso. Los nitratos mencionados formados mediante la
oxidación de los compuestos de nitrógeno en el espacio 16 óxico se
devuelven al espacio 17 anóxico en el agua que fluye de nuevo desde
el espacio 16 óxico en el separador 1 junto con los lodos activados
devueltos a través de la salida 20 de la bomba 12 de recirculación.
La disposición de la entrada 26 descrita anteriormente de las aguas
residuales y la salida 20 de la bomba 12 de recirculación, junto
con el flujo inducido mediante el agitador 27 y canalizado mediante
las paredes 28 deflectantes conduce, en una parte del espacio 17
anóxico, a la creación de condiciones anaerobias que apoyan la
eliminación biológica del fósforo, mientras que la ubicación
descrita de la conexión 18 garantiza que las aguas residuales
llevadas pasarán a través de todo el espacio 17 anóxico antes de
rebosar al espacio 16 óxico.
Si se interrumpe el funcionamiento del aparato,
tal como debido a una caída de potencia o durante una parada, se
interrumpe la fluidización del manto de lodo, el manto de lodo
sedimenta y los lodos activados sedimentados se acumulan en la zona
de entrada 5 al separador 1. Si la interrupción dura un tiempo
mayor, los lodos activados sedimentados adquieren una estructura de
gel, lo que puede dar como resultado un tapón en la zona de entrada
5 impidiendo que se reanude la función del aparato cuando se
reinicia el funcionamiento. Este es el motivo por el que entra agua
a presión y aire comprimido en el cono 22 invertido tras el reinicio
del funcionamiento. Se inyectan ambos medios a través de aberturas
23 en la parte superior del cono 22 invertido, lo que provoca una
turbulencia intensiva que rompe las capas de los lodos sedimentados
y limpia la zona de entrada 5 hacia el separador 1. Además de esta
función, el cono 22 invertido tiene otro fin que reside en dirigir
el flujo por debajo de la entrada 5 hacia el separador 1 para
impedir la sedimentación de la suspensión en la parte inferior del
tanque 15 por debajo del centro de la entrada 5.
El segundo ejemplo de realización del aparato
según la invención se ilustra en las figuras 4 y 5. El separador 1
está, en analogía con el ejemplo 1, limitado esencialmente por la
pared 2 cónica de ensanchamiento ascendente. La parte inferior del
separador 1 alberga una pared 29 interna cónica que está unida al
borde inferior de la pared 2 externa con su borde inferior (figura
4). La pared 29 interna limita también el espacio que se amplía en
sentido ascendente y alcanza el nivel de un tercio a la mitad de la
altura del espacio de separación. El espacio de separación, en
consecuencia, está limitado por la pared 29 interna en la parte
inferior del separador 1 y por la pared 2 externa en la parte
superior del espacio de separación. Así el espacio de separación es
una parte del espacio interno de separador 1, que también puede
expresarse diciendo que el espacio interno del separador 1 contiene
un espacio de separación. La pared 2 externa por encima del borde 30
superior de la pared 29 interna tiene forma cónica, mientras que
por debajo del nivel del borde 30 superior tiene la forma de una
cúpula elíptica y su inclinación en esta parte disminuye desde 52° -
60° hasta 30° - 40°.
La zona entre la pared 2 externa y la pared 29
interna produce un espacio 31 de espesamiento de la suspensión
dotado, en su parte inferior, con una retirada de la suspensión
espesa en forma de tubo 32 de recogida enrollado para formar un
círculo. Este tubo 32 de recogida tiene preferiblemente sección
circular y forma también una estructura de soporte que lleva en su
exterior el borde inferior de la pared 2 externa y en el interior el
borde inferior de la pared 29 interna. El borde inferior de la
pared 29 interna produce una entrada que presenta la entrada 5 al
espacio de separación del separador 1. Las aberturas no ilustradas
del tubo 32 de recogida para la retirada de la suspensión espesa se
practican en el borde inferior de la pared 2 externa. El tubo 32 de
recogida está conectado a través del tubo 11 a la bomba 12 de
recirculación de forma similar al ejemplo 1.
Puede resumirse que la parte inferior del
espacio de separación está limitada por al menos una pared 29
interna al menos parcialmente inclinada, produciendo el espacio
entre la parte inferior de la pared 2 externa y la pared 29 interna
el espacio 31 de espesamiento. El hueco, o posiblemente el área del
hueco entre el borde superior de esta pared 29 interna y la pared 2
externa que tiene la forma de un anillo anular en este ejemplo,
representa el punto de eliminación de suspensión espesa en el que se
retira la suspensión espesa del espacio de separación. Este hueco
forma también la entrada al espacio 31 de espesamiento cuya parte
inferior está dotada con medios para la retirada de la suspensión
espesa.
La parte superior de la pared 2 externa, en
analogía con el ejemplo 1, alberga medios para la retirada de
líquido sin suspensión en forma de un tubo 4 de recogida enrollado
de manera circular insertado de sección triangular con aberturas 6
en el lateral interno inclinado para la retirada de líquido sin
suspensión. El tubo 4 de recogida desemboca en la descarga 8 en la
que está instalada el rebosamiento 9 para mantener constante la
superficie 10 de agua en el separador 1.
El reactor para el tratamiento de activación
biológica de aguas residuales que alberga el aparato descrito según
el ejemplo 2 es el mismo que en el ejemplo 1. El aparato según el
ejemplo 2 funciona de la misma manera que el aparato según el
ejemplo 1, con la única diferencia de que las corrientes de densidad
con suspensión espesa que fluyen por debajo de la superficie 14 del
manto de lodo a lo largo del lado interno de la pared 2 externa
inclinada, hacia abajo, fluyen al nivel del borde 30 superior de la
pared 29 interna a través del anillo anular entre este borde 30
superior y la pared 2 externa al espacio 31 de espesamiento. Aquí
tiene lugar un espesamiento adicional de la suspensión antes de que
la elimine por succión la bomba 12 de recirculación a través de los
orificios en el tubo 32 de recogida. Este espesamiento tiene lugar
debido al hecho de que el efecto de dilución del flujo en sentido
contrario del líquido que entra en el espacio de separación se
inhibe en el espacio 31 de espesamiento y, en consecuencia, durante
el flujo de corrientes de densidad a lo largo del lado interno de
la pared 2 externa hacia abajo, prevalece el efecto de
densificación. El líquido o, posiblemente, la suspensión diluida
que se ha empujado fuera de la corriente de densidad durante el
proceso de espesamiento, fluye hacia fuera a lo largo del lado
externo de la pared 29 interna inclinada, hacia abajo, volviendo
así al manto de lodo. Esto está apoyado por el flujo de líquido con
suspensión en el espacio de separación que se une, por encima del
borde 30 superior de la pared 29 interna inclinada, con el flujo de
líquido que se ha empujado hacia fuera. Debido a la densidad
superior de la suspensión eliminada mediante la bomba 12 de
recirculación y, en consecuencia, también la mayor concentración
C_{s} de la suspensión espesa, con los mismos valores de Q_{o}
y Q_{s}, la concentración C de la suspensión en el agua que fluye
al espacio de separación a través de la entrada 5 es mayor que en
el ejemplo 1. Dado que, debido a que la suspensión espesa se está
eliminando por succión mediante el tubo 32 de recogida en la parte
inferior del espacio 31 de espesamiento, el flujo global en el
espacio 31 de espesamiento está disminuyendo, apoyando así el
movimiento descendente de la suspensión, la inclinación de la pared
2 externa en esta región puede ser menor que la inclinación en la
parte superior del separador 1. La experiencia experimental
relacionada con el deslizamiento de una suspensión floculante a lo
largo de las paredes inclinadas en presencia de un flujo descendente
ha mostrado que en el caso de una inclinación de 30º a 40º de las
paredes, no se observan sedimentos de flóculos de suspensión sobre
estas paredes, y en consecuencia, se ha aplicado esta inclinación
para la parte inferior de la pared 2 externa en la parte inferior
del espacio 31 de espesamiento.
El tercer ejemplo de aparato según la invención
se ilustra en las figuras 6 y 7.
Esta realización tiene un separador 1
longitudinal en forma de un prisma de ensanchamiento ascendente
producido por paredes 33 y 34 externas inclinadas de las cuales
cada una alberga en su altura media, de forma similar al ejemplo 1,
tubos 35 y 36 de recogida para la retirada de suspensión espesa que
están conectados con la bomba 12 de recirculación. El espacio
interno del separador 1 representa el espacio de separación. Los
tubos 35 y 36 de recogida son parte de las paredes 33 y 34 externas
inclinadas cuyas partes están unidas a estos tubos. En el lugar de
los tubos 35 y 36 de recogida, las partes superiores de las paredes
33 y 34 externas se desplazan contra las partes inferiores de modo
que el separador 1 y, en consecuencia, también el espacio de
separación, se ensanchan mediante un resalto en este lugar. Los
tubos 35 y 36 de recogida para la retirada de suspensión espesa
están dotados con orificios 37 que se proporcionan en los laterales
de los tubos 35 y 36 que están orientados hacia la parte superior
de las paredes 33 y 34 externas inclinadas desplazadas.
Los bordes inferiores de las paredes 33 y 34
externas inclinadas producen la entrada 38 al separador 1 en forma
de un hueco rectangular alargado. Al nivel de la entrada 38, las
paredes 33 y 34 externas inclinadas están dotadas con tuberías 39 y
40 de enjuague que tienen orificios 41 para la entrada de agua y
aire al menos en dos filas.
La parte superior del separador 1 alberga tubos
42 y 43 de recogida para la retirada de líquido sin suspensión que
tienen rebosamientos 9 en analogía con la realización anterior. Se
ajustan todos los rebosamientos 9 al mismo nivel con el fin de
garantizar un flujo de salida uniforme de líquido. Los tubos 42 y 43
de recogida están dotados con orificios 48 en sus partes superiores
para la entrada de agua purificada (figura 7). El borde superior de
las paredes 33 y 34 externas inclinadas llevan tuberías 44 y 45 de
entrada que sirven para la entrada de aire comprimido.
Al menos algunos de los tubos funcionales o,
posiblemente, todos los tubos funcionales en las paredes 33 y 34
externas, es decir, los tubos 35 y 36 de recogida que sirven para la
retirada de suspensión espesa, los tubos 42 y 43 de recogida para
la retirada de líquido sin suspensión, las tuberías 44 y 45 de
entrada que sirven para la entrada de aire comprimido, y los tubos
39 y 40 de enjuague son partes componentes de la estructura de
soporte de las paredes 33 y 34 externas inclinadas. A esta
estructura de soporte se unen los elementos de pared que producen
la superficie de las paredes 33 y 34 externas inclinadas. El ejemplo
descrito de aparato para la separación de suspensión floculante es
una parte del reactor para el tratamiento de activación biológica
de aguas residuales, que consiste, en esta realización, de un tanque
15 dividido en un espacio 16 óxico y un espacio 17 anóxico que se
comunican a través de la conexión 18. El espacio 16 óxico alberga el
separador 1 descrito cuya entrada 38 se comunica así con el espacio
16 óxico, mientras que la salida 20 de la bomba 12 de recirculación
desemboca en el espacio 17 anóxico.
El separador 1 está cerrado por caras frontales
verticales que están producidas por partes de la pared 19 divisoria
que dividen el tanque 15 en un espacio 16 óxico y un espacio 17
anóxico, y una parte de la pared frontal del tanque 15 que no es
visible en las figuras 6 y 7.
Adyacente al borde inferior de una pared 34
externa inclinada está dispuesta una pared 46 de cierre que llega
por abajo hasta la parte inferior del tanque 15, hasta la pared 19
divisoria y hasta la pared frontal del tanque 15. De este modo, la
parte del espacio 16 óxico entre la pared 34 externa inclinada
derecha y las paredes del tanque 15 está cerrada, mientras que se
comunica con otros espacios solamente a través de la conexión 18 en
la pared 19 divisoria y los conductos 47 (figura 7) que están
dispuestos esencialmente en la parte inferior del tanque 15 en la
pared 46 de cierre en su parte que está más alejada del espacio 17
anóxico. También vale la pena mencionar que la pared 19 divisoria
junto con la pared 34 externa inclinada derecha divide el espacio
16 óxico en dos partes que están interconectadas con conductos 47.
La primera parte del espacio 16 óxico se comunica a través de la
conexión 18 con el espacio 17 anóxico y la otra parte del espacio 16
óxico se comunica con el separador 1 a través de la entrada 38. La
pared 46 de cierre también puede estar unida a la pared 33 externa
inclinada izquierda, aunque en tal caso la conexión 18 debe
realizarse en el lado izquierdo, puesto que ambos elementos deben
situarse en la misma parte del espacio 16 óxico.
El espacio 16 óxico está dotado además con
elementos 24 de aireación conectados a la tubería 25 de entrada de
aire comprimido. La disposición y equipamiento del espacio 17
anóxico son los mismos que en los ejemplos anteriores.
El tercer aparato descrito a modo de ejemplo
funciona de manera similar al primer aparato descrito a modo de
ejemplo con la diferencia de que la pared 46 de cierre elimina los
cortes de flujo en el espacio 16 óxico y, en consecuencia, la
mezcla de activación tras haber pasado a través de la conexión 18
debe fluir a través de la primera parte del espacio 16 óxico en
primer lugar, y sólo tras haber fluido a través de conductos 47
puede avanzar desde la segunda parte del espacio 16 óxico a través
de la entrada 38 al espacio de separación. Otra diferencia se basa
en el hecho de que se realiza la limpieza de la zona de la entrada
38 al separador 1, tras una interrupción del funcionamiento,
introduciendo aire comprimido y agua a presión en las tuberías 39 y
40 de enjuague en las que, con la introducción simultánea de ambos
medios, fluye aire a través de los orificios 41 en la parte
superior de las tuberías 39 y 40 de enjuague, mientras que se
expulsa agua a través de los orificios 41 que se practican en la
parte inferior de las tuberías 39 y 40 de enjuague.
La cuarta realización a modo de ejemplo del
aparato se ilustra en las figuras 8 y 9.
El separador 1 según este ejemplo está limitado
sustancialmente por paredes 50 y 51 externas inclinadas de
ensanchamiento ascendente. La parte inferior del separador 1 alberga
paredes 52 y 53 internas inclinadas cuyos bordes inferiores están
unidos a los bordes inferiores de las paredes 50 y 51 externas
(figura 8), lo que es una analogía con la realización según el
ejemplo 2. Las paredes 52 y 53 internas encierran también el espacio
que se ensancha hacia arriba y llega hasta el nivel de un tercio a
la mitad de la altura del separador 1. El espacio de separación en
el que tiene lugar la propia separación, en consecuencia, está
limitado por paredes 52 y 53 internas en la parte inferior del
separador 1, y por paredes externas 50 y 51 en la parte superior
del separador 1. Las paredes externas 50 y 51 están inclinadas
dentro del intervalo de 52° a 60° por encima del nivel de los
bordes 54 y 55 superiores de las paredes 52 y 53 internas. Por
debajo del nivel de los bordes 54 y 55 superiores de las paredes 52
y 53 internas, y aproximadamente al nivel de retirada de suspensión
espesa, las paredes externas 50 y 51 están dotadas con
inclinaciones dentro del intervalo de 30° a 40°.
La zona entre la pared 50 ó 51 externa y la
pared 52 ó 53 interna produce el espacio 56 de espesamiento de
suspensión, mientras que la parte inferior de este espacio está
dotada con la retirada de suspensión espesa en forma de tubos 57 y
58 de retirada. La entrada al espacio 56 de espesamiento al nivel de
los bordes 54 y 55 superiores de las paredes 52 y 53 internas tiene
la forma de dos rectángulos y representa el punto de retirada de
suspensión espesa del espacio de separación.
Los tubos 57 y 58 de retirada sirven también
como una estructura de soporte para el exterior al que están unidos
los bordes inferiores de las paredes 50 y 51 y para el interior que
lleva el borde inferior de las paredes 52 y 53 internas. El borde
inferior de las paredes 52 y 53 internas junto con la pared 19
divisoria y la pared frontal del tanque 15 producen una abertura de
entrada rectangular que representa la entrada 59 al separador 1, y
así al espacio de separación. Las aberturas 60 en los tubos 57 y 58
de retirada para la retirada de la suspensión espesa se practican
cerca del borde inferior de las paredes externas 50 y 51. Los tubos
57 y 58 de retirada se comunican a través del tubo 11 con la bomba
12 de recirculación en analogía con el ejemplo 2.
De forma similar al ejemplo 3, adyacente al
borde inferior de una pared 51 externa inclinada está dispuesta la
pared 46 de cierre que llega hacia abajo hasta la parte inferior del
tanque 15, hasta la pared 19 divisoria y hasta la pared frontal del
tanque 15 y tiene el mismo fin que en el ejemplo 3. También la
realización de conductos 47 es la misma. Para una mejor orientación
en el dibujo, los conductos 47 y la pared 46 de cierre se ilustran
solamente en la figura 9, no en la figura 8.
La parte superior del espacio de separación
aloja los tubos 61 y 62 de recogida para la retirada de líquido sin
suspensión. Están dotados con orificios 48 para la entrada de
líquido purificado en sus partes superiores. Las partes verticales
(figura 9) de los tubos 61 y 62 de recogida están conectadas con el
tubo 67 de descarga (figuras 8 y 9) de líquido purificado, y
concretamente en el punto en el que las paredes 50 y 51 externas
inclinadas se curvan (incluyen un ángulo), y también produce una
parte de la estructura de soporte de las paredes externas 50 y 51.
El tubo 67 de descarga de líquido purificado está dispuesto al nivel
de eliminación de suspensión espesa del espacio de separación, que
corresponde sustancialmente al nivel de los bordes 54 y 55
superiores de las paredes 52 y 53 internas.
Los tubos 61 y 62 de recogida están dotados con
rebosamientos 63. Todos rebosamientos 63 se ajustan al mismo nivel
con el fin de garantizar un flujo de salida regular de líquido. Los
bordes superiores de las paredes 50 y 51 externas inclinadas
albergan las tuberías 64 y 65 de entrada para la entrada de aire
comprimido que también son parte de la estructura de soporte de las
paredes 50 y 51 externas. Cerca de la parte 21 inferior del tanque
15, está dispuesta la tubería 66 de limpieza (figura 8) que no se
ilustra en la figura 9 con el fin de mantener una buena
comprensibilidad del dibujo.
Un reactor a modo de ejemplo para el tratamiento
de activación biológica de aguas residuales que alberga la
realización descrita a modo de ejemplo de un aparato para la
separación de una suspensión floculante es básicamente el mismo que
según el ejemplo 3.
Una realización según el ejemplo 4 funciona en
analogía con la realización descrita anteriormente según el ejemplo
2, con la diferencia de que en vez de un cono 22 invertido, se usa
una tubería 66 de limpieza que puede funcionar como una tubería de
enjuague tras haberse conectado con un suministro de agua y aire,
para la limpieza de la zona de la entrada 59 al separador 1. Otra
diferencia proviene del hecho de que la pared 46 de cierre con
conductos 47 dirige el flujo en el espacio 16 óxico en analogía con
el reactor anterior según el ejemplo 3.
Además de las partes funcionales descritas,
todas las realizaciones a modo de ejemplo usan diversas columnas de
soporte, elementos de soporte y posiblemente elementos de diseño
actuales adicionales, principalmente no mostrados. En todas las
realizaciones, se mantiene que el espacio de separación en el
separador 1 se ensancha esencialmente en sentido ascendente, y
concretamente tanto por encima del nivel de retirada de la
suspensión espesa, como por debajo.
El método y aparato para llevar a cabo el método
según la invención no se limitan solamente a los ejemplos
descritos, sino que comprenden también todas las modificaciones que
sean obvias para los expertos en la técnica basándose en las
realizaciones básicas descritas de la invención. El separador 1 de
ensanchamiento ascendente 1 puede contener, por ejemplo, también
una parte cilíndrica o similar, es decir, no es necesario que se
ensanche de manera continua. También pueden realizarse las paredes
29, 52, 53 internas de manera similar. Sólo las partes
preponderantes de los tubos funcionales, especialmente los tubos 3,
4, 32, 35, 36, 57, 58 de recogida, pueden estar dispuestos en las
paredes del separador 1, mientras que las partes restantes pueden
estar dispuestas en el interior o el exterior del separador 1. Sin
embargo, es importante que al menos la parte predominante de los
tubos 3, 35, 36 de recogida para la suspensión espesa deben estar
dispuestos en la pared externa o paredes externas del espacio de
separación o, posiblemente, en sus zonas de margen externo.
Además de esto, los tubos 3, 35, 36 de recogida
para la suspensión espesa están dispuestos con sus partes
funcionales a de ¼ a ¾ de la altura entre la entrada 5, 18, 59 al
espacio de separación y el nivel de retirada de líquido purificado.
Se entiende que las partes funcionales son las partes de los tubos
3, 35, 36 de recogida en cuyos orificios 7, 37 entra directamente
la suspensión espesa.
Los tubos 32, 57, 58 de recogida en el espacio
31, 56 de espesamiento sirven para la retirada de la suspensión
espesa. Preferiblemente están dispuestos aproximadamente al nivel de
la entrada 5, 38, 59 al espacio de separación, sin embargo, pueden
estar albergados ligeramente por encima o por debajo de mismo.
El método y el aparato según la presente
invención están concebidos en particular para la separación de una
suspensión floculante en el procedimiento de tratamiento de aguas
residuales, y concretamente tanto para aguas fecales municipales o
del espacio conurbano como para unidades más pequeñas, tales como
hoteles o casas individuales. También son adecuados para el
tratamiento de aguas residuales de plantas industriales y minas, o
de empresas agrícolas, tales como estiércol líquido de animales de
granja.
Claims (18)
1. Método de separación de suspensiones, en
particular para el tratamiento de aguas residuales, en el que se
separa una suspensión floculante del líquido mediante filtración en
una capa fluidizada de un manto de lodo que tiene un margen externo
esencialmente inclinado y así la suspensión se espesa y la
fluidización se mantiene mediante la corriente ascendente de
líquido, mientras que el líquido con suspensión entra en la capa
fluidizada desde la parte inferior, el líquido liberado de la
suspensión se descarga por encima de la superficie del manto de
lodo representada por la interfase entre la capa fluidizada y el
líquido sin suspensión y la suspensión espesa se retira de la capa
fluidizada, y la velocidad de flujo ascendente en la capa fluidizada
disminuye sustancialmente en sentido ascendente,
caracterizado porque se retira la suspensión espesa en exceso
en el margen externo inclinado de la capa fluidizada de corrientes
de densidad que caen a lo largo del margen externo inclinado de la
capa fluidizada.
2. Método de separación de suspensiones según la
reivindicación 1, caracterizado porque se forma por encima
del nivel de retirada de la suspensión espesa en exceso, una capa
fluidizada como un manto de lodo parcialmente fluidizado, en la que
se producen aglomerados de flóculos de la suspensión espesa que caen
hacia abajo a lo largo del margen externo inclinado hasta el punto
de retirada, y por debajo del nivel de retirada se forma una capa
fluidizada como un manto de lodo completamente fluidizado, en la que
la corriente del líquido con suspensión se distribuye en el manto
de lodo parcialmente fluidizado.
3. Método según la reivindicación 2,
caracterizado porque en la interfase del manto de lodo
parcialmente fluidizado y el manto de lodo completamente fluidizado
disminuye bruscamente la velocidad de flujo ascendente.
4. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque si la concentración de la suspensión
entrante supera 1 kg de materia seca por metro cúbico, la
velocidad de flujo del agua ascendente inmediatamente por encima de
la superficie del manto de lodo está en el intervalo de 1,6 a 2,2
metros por hora.
5. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque la velocidad de flujo del agua en la
entrada al manto de lodo está dentro del intervalo de 2 a 6 cm por
segundo.
6. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque del volumen de
la suspensión espesa en exceso retirada es de múltiplo de 1,5 a
múltiplo de 3 del volumen de agua sin suspensión retirada por
encima de la superficie del manto de lodo.
7. Aparato para la separación de suspensión
floculante mediante filtración en una capa fluidizada de un manto
de lodo, en particular para el tratamiento de aguas residuales, para
llevar a cabo el método según cualquiera de las reivindicaciones 1
a 6, que contiene un separador (1) de ensanchamiento esencialmente
ascendente que tiene paredes (2, 33, 34, 50, 51) externas
inclinadas, el volumen interno de dicho separador (1) contiene un
espacio de separación y está dotado con la entrada (5, 38, 59) de
líquido con suspensión en su parte inferior y medios (4, 42, 43,
61, 62) para la retirada de líquido sin suspensión en su parte
superior, formándose en el espacio de separación en funcionamiento
una capa fluidizada de manto de lodo, por encima de la superficie
(14) de la cual se sitúa agua purificada, y la suspensión espesa se
retira del espacio de separación, caracterizado porque el
espacio de separación en el separador (1) se ensancha bruscamente
hacia arriba al menos en un lugar sobre la entrada (5, 38, 59) al
separador (1) y bajo la superficie (14) del manto de lodo, y al
nivel de este ensanchamiento brusco al menos cerca de una de dichas
paredes (2, 33, 34, 50, 51) externas inclinadas, se sitúa al menos
un punto de retirada de la suspensión espesa en exceso que cae como
corrientes de densidad a lo largo de dicha pared externa inclinada
desde la capa fluidizada del manto de lodo, en el interior del
espacio de separación en el separador (1).
8. Aparato según la reivindicación 7,
caracterizado porque el espacio de separación dentro del
separador (1), en su parte inferior, está limitado al menos en una
parte al menos por una pared (29, 52, 53) interna inclinada,
mientras que el espacio entre la parte inferior de la pared (2, 50,
51) externa y la pared (29, 52, 53) interna produce un espacio (31,
56) de espesamiento, mientras que el hueco entre el borde (30, 54,
55) superior de esta pared (29, 52, 53) interna y la pared (2, 51,
52) externa representa el lugar del ensanchamiento brusco y también
el punto de retirada de la suspensión espesa en exceso del espacio
de separación.
9. Aparato según la reivindicación 8,
caracterizado porque el hueco entre el borde (30, 54, 55)
superior de la pared (29, 52, 53) interna y la pared (2, 51, 52)
externa produce una entrada al espacio (31, 56) de espesamiento que
está dotado con un medio (32, 57, 58) para retirar la suspensión
espesa en exceso en su parte inferior.
10. Aparato según la reivindicación 8 o 9,
caracterizado porque la pared (50, 51) externa inclinada del
separador (1) incluye un ángulo en la zona de retirada de
suspensión espesa y su parte superior por encima de este nivel está
más inclinada que la parte inferior de la misma que está por
debajo.
11. Aparato según la reivindicación 7,
caracterizado porque en el punto de retirada se sitúa un
medio para la retirada de suspensión espesa y está producido por un
tubo (3, 35, 36) de recogida perforado y el ensanchamiento brusco
del espacio de separación en este lugar se realiza mediante un
desplazamiento de la pared (2, 33, 34) externa, que se une, tanto
desde abajo como desde arriba al tubo (3, 35, 36) de recogida,
practicándose orificios (7, 37) para la retirada de suspensión
espesa en exceso en el lateral del tubo (3, 35, 36) de recogida
orientado hacia la parte superior de la pared (2, 33, 34) externa
inclinada desplazada.
12. Aparato según la reivindicación 7,
caracterizado porque el área (5, 38, 59) de entrada al
espacio de separación es superior al 3 por ciento e inferior al 6
por ciento de la superficie del espacio de separación al nivel de
retirada de líquido sin suspensión.
13. Aparato según la reivindicación 7,
caracterizado porque el área del espacio de separación
inmediatamente debajo del nivel de retirada de la suspensión espesa
en exceso constituye más del 20 por ciento, e inmediatamente por
encima del nivel de eliminación de la suspensión espesa en exceso es
inferior al 70 por ciento de la superficie del espacio de
separación al nivel de retirada de líquido sin suspensión.
14. Aparato según la reivindicación 7,
caracterizado porque tanto el nivel de entrada (5, 38, 59) al
espacio de separación y el nivel de retirada del líquido sin
suspensión están a una distancia vertical de más de un metro del
nivel de retirada de suspensión espesa.
15. Aparato según la reivindicación 7,
caracterizado porque la altura del nivel de retirada de la
suspensión espesa en exceso por encima del nivel de entrada (5, 38,
59) al espacio de separación está en el intervalo desde ¼ hasta ¾
de la altura del nivel de retirada del líquido sin suspensión por
encima del nivel de la entrada (5, 38, 59) al espacio de
separación.
16. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 15, caracterizado porque está dotado con
tubos funcionales, al menos un tubo funcional del grupo producido
por tubos (3, 35, 36) de recogida de la suspensión espesa en
exceso, tubos (32, 57, 58) de recogida para la retirada la
suspensión espesa en exceso, tubos (4, 42, 43, 61, 62) de recogida
para la retirada líquido sin suspensión, tubos (11, 67) de descarga,
tuberías (25, 44, 45, 64, 65) de entrada de aire comprimido y los
tubos (39, 40) de enjuague, que también forman parte de la
estructura de soporte de las paredes (2, 33, 34, 50, 51) externas
del espacio de separación.
17. Aparato según la reivindicación 7 u 8,
caracterizado porque el ángulo de la pared (2, 33, 34, 50,
51) externa inclinada en su parte superior está dentro del
intervalo de 52° a 60°.
18. Aparato según la reivindicación 10,
caracterizado porque el ángulo de la pared (29, 52, 53)
interna inclinada está dentro del intervalo de 52° a 60°, mientras
que el ángulo de la pared (2, 50, 51) externa inclinada en su parte
inferior está dentro del intervalo de 30° a 40°.
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