PT2104650E - Processo para a clarificação por flotação de águas difíceis - Google Patents

Description

ΕΡ 2 104 650/ΡΤ

DESCRIÇÃO "Processo para a clarificação por flotação de águas difíceis" A invenção refere-se a um processo para a clarificação por flotação de águas difíceis, em particular de águas superficiais poluídas ou de águas residuais urbanas, seja industriais, de águas pluviais e em geral de todos os tipos de águas difíceis de tratar por flotação, em particular com uma percentagem elevada de matérias minerais, ou para a clarificação de todos os tipos de água que necessitem da injecção de um adjuvante de flotação e que precedam filtros ou tecnologias de membranas como a ultrafiltração, que compreende: - uma etapa de coagulação no decurso da qual é injectada uma dose de coagulante na água a tratar, uma etapa de floculação, no decurso da qual é efectuada uma injecção de floculante na água, após a etapa de coagulação, para aglomerar as partículas em suspensão sob a forma de flocos, - em seguida, uma etapa de flotação no decurso da qual, num aparelho de flotação, a água floculada é misturada com uma emulsão de microbolhas de gás, geralmente ar, que se agarram aos flocos e os fazem subir à superfície onde são recolhidos e evacuados, enquanto a água clarificada é evacuada pelo fundo do aparelho de flotação.

Mais particularmente, a invenção refere-se a um processo de flotação para a clarificação de águas cuja turvação é superior a 30 NTU e cuja concentração em matérias em suspensão MS é superior a 30 mg/1. Além disso, atendendo às consequências inesperadas da invenção, a sua aplicação pode ser estendida mesmo a águas difíceis. A flotação é uma tecnologia de clarificação (separação sólido-líquido) que constitui uma alternativa à decantação, pelo menos para alguns tipos de água. 2 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ

De acordo com esta tecnologia da flotação, as etapas de coagulação e de floculação permitem, num primeiro tempo, aglomerar as partículas em suspensão sob a forma de flocos. Em seguida, a água floculada é misturada com um "leite" (isto é uma emulsão) de microbolhas de gás, geralmente ar, cujo diâmetro médio está compreendido entre 40 e 50 micra. Estas microbolhas agarram-se aos flocos os quais, assim aligeirados, têm tendência a subir para a superfície do aparelho de flotação (denominado flotador) onde se acumulam para formar um bolo ou leito de lamas. As lamas são recolhidas à superfície do aparelho de flotação enquanto que a água clarificada é evacuada pelo fundo do aparelho.

Uma parte da água clarificada é bombeada (caudal compreendido geralmente entre 5 e 15% do caudal de água a tratar por clarificação) a uma pressão da ordem de 4 x 105 a 6 x 105 Pa (4 a 6 bar) para um balão específico, denominado balão de pressurização, no qual o ar se dissolve em grande quantidade, isto é numa concentração igual a 3 a 5 vezes a concentração máxima do ar na água à pressão atmosférica. Por uma expansão súbita à pressão atmosférica, no aparelho de flotação, o ar é colocado em condição de sobressaturação e gera microbolhas. Os sistemas de expansão são colocados numa zona específica na qual é assegurada a mistura das microbolhas com a água floculada.

De acordo com a tecnologia de decantação, um floco deve ser denso e/ou de grande dimensão para ser separado fisicamente da água num decantador, caindo para o fundo.

Pelo contrário, de acordo com a tecnologia de flotação, basta que o floco seja bem formado para poder ser separado por flotação, donde a importância das etapas preliminares de coagulação e de flotação. A coagulação consiste na adição de um reagente, o coagulante (catiões trivalentes), designadamente sais de ferro ou de alumínio que permitem a desestabilização das partículas coloidais presentes na água e a neutralização de todas as cargas electronegativas destas partículas. No decurso desta etapa, as partículas neutralizadas começam a aglomerar-se para formar microflocos. Estes microflocos são 3 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ demasiado pequenos para decantar e mesmo demasiado pequenos para se agarrarem às microbolhas.

Em todos os casos, é necessária uma etapa de floculação para fazer crescer estes flocos. Uma etapa de floculação por agitação mecânica ou de floculação estática permite alcançar o tamanho de floco critico para que se agarre às microbolhas.

Durante esta etapa de floculação, a injecção de um adjuvante de floculação (polímero, polímero mineral tal como sílica activada, polímero natural tal como amido ou alginato, ou mais geralmente, polímero de síntese) é por vezes necessária, mas é indispensável para a clarificação de águas superficiais poluídas. O adjuvante de flotação permite favorecer a aglomeração dos flocos demasiado pequenos de maneira a formar flocos de tamanho suficiente para flotarem, mas permite também conferir coesão ao floco. Assim, após a flotação destes flocos, as lamas formadas são mais estáveis. No entanto, a adição de um adjuvante de floculação pode implicar a decantação de flocos nos floculadores e por vezes mesmo na zona de flotação, particularmente se a carga de alimentação tiver uma concentração em matérias em suspensão (MS) demasiado elevada.

Por esta razão, as aplicações da flotação são frequentemente limitadas à clarificação de águas pouco poluídas (isto é cuja turvação é inferior a 30 NTU e cuja concentração em matérias em suspensão é inferior a 30 mg/1) em particular a águas de lagos, de furos, à água do mar ou à clarificação de efluentes industriais específicos ou à clarificação de águas de lavagem de filtros biológicos. Até ao presente, a técnica de flotação não conseguiu estender com eficácia o seu domínio de aplicação ao vasto domínio das águas superficiais com uma carga de matérias em suspensão de mais do que 30 mg/1, com uma forte percentagem de matérias minerais de cerca de 50%, como as águas de rio, mas também ao domínio das águas residuais, das águas de lavagem, das águas pluviais. De facto, é difícil, senão mesmo impossível "flotar" partículas densas e/ou de grande dimensão. 4 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ

No entanto, foram efectuadas tentativas.

Flotadores clássicos foram equipados com raspadores de fundo para recuperar as lamas decantadas. No entanto, a água clarificada é poluída e a passagem do raspador degrada a qualidade da água flotada ao colocar em suspensão uma parte das lamas decantadas.

Flotadores novos, designadamente de acordo com o pedido de patente FR 2 837 197, integram um pré-decantador no floculador e podem responder em parte ao problema. A taxa de matérias em suspensão que entram no flotador é reduzida devido ao facto de ter sido eliminada uma grande parte destas matérias no pré-decantador. A patente europeia EP1533277 divulga um processo de flotação de acordo com o estado da técnica.

Ora, nos dois casos anteriores, constata-se que acima de um limiar crítico de matérias que entram no flotador, em torno de 30 mg/1 para os flotadores clássicos e de 100 mg/1 para os flotadores que integram um pré-decantador, as microbolhas têm dificuldade em se agarrar aos flocos. De facto, estas lamas compostas por uma forte taxa de matérias minerais são densas e apresentam assim pouca superfície para a ligação das microbolhas. As lamas flotadas são instáveis, têm tendência a desagregar-se e surgem pedaços de bolo poluente na água clarificada.

De acordo com as regras da técnica, nos processos anteriores referidos, o coagulante é injectado de uma vez num misturador em linha (misturador estático,...) e num misturador agitado (misturador flash,...) e sempre a montante da injecção do floculante. A invenção tem por objectivo, principalmente, fornecer um processo que permite clarificar por flotação águas carregadas em matérias em suspensão numa concentração de mais do que 30 mg/1 (equivalente a cerca de 30 NTU) ou de mais do que 100 mg/1 (equivalente a cerca de 100 NTU) na sequência da integração ou não de um pré-decantador a montante da flotação, conservando uma qualidade óptima da água flotada e 5 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ isto qualquer que seja o tipo de flotador, clássico ou com pré-decantador integrado. A invenção propõe a introdução do coagulante em dois pontos: - uma primeira dose de coagulante é injectada à cabeça da unidade, a montante da injecção de floculante, uma segunda dose de coagulante é adicionada, contrariamente às regras da técnica, após a adição do floculante. O processo de acordo com a invenção é assim caracterizado por a etapa de floculação compreender: - uma zona de mistura do floculante, seguida por uma zona de mistura de uma segunda injecção de coagulante, efectuada a jusante da injecção de floculante e a montante da flotação, - seguida por uma zona de formação de um tipo de floco único e estruturado, adaptado a uma flotação numa só etapa.

Os resultados obtidos graças à injecção em dois pontos de acordo com a invenção são surpreendentes. A taxa de eliminação de matérias em suspensão na água bruta é consideravelmente aumentada. A água bruta a tratar pode apresentar uma concentração em matérias em suspensão superior a 30 mg/1 (equivalente a cerca de 30 NTU) ou superior a 100 mg/1 (equivalente a cerca de 100 NTU) , na sequência da integração ou não de um pré-decantador a montante da flotação. O processo de acordo com a invenção pode ser aplicado a uma água bruta a tratar que seja dificil e que necessite da injecção de um adjuvante de floculação, o tratamento de acordo com o processo precedendo filtros ou tecnologias de membranas como a ultrafiltração. 6 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ

De preferência, a dose total de coagulante injectado é repartida da maneira seguinte: - primeira injecção na etapa de coagulação, a montante da floculação: 10 a 70% em peso da dose total de coagulante, - segunda injecção, a jusante da injecção do floculante e a montante da flotação: 30 a 90% em peso da dose total de coagulante. A repartição da dose total de coagulante pode ser efectuada em cerca de 50% para cada uma das duas injecções.

Durante a etapa de flotação, a emulsão de microbolhas pode ser obtida bombeando uma fracção da água clarificada e pressurizando-a num balão para dissolver uma grande quantidade de gás, designadamente ar, e gerar microbolhas por expansão do liquido pressurizado no aparelho de flotação; de acordo com a invenção, a pressão de pressurização no balão pode ser reduzida em cerca de 1 bar (classicamente de 5 bar para 4 bar) . Mais geralmente, a pressão de pressurização no balão é escolhida de forma a ser suficientemente baixa para que a dimensão (ou diâmetro médio) das microbolhas seja pelo menos igual a 60 ym (a priori desfavorável à flotação).

Uma instalação para a realização do processo definido anteriormente compreende meios de injecção de uma segunda dose de coagulante a jusante da injecção do floculante e a montante da flotação. A instalação pode compreender um balão de pressurização para gerar as microbolhas por expansão do liquido pressurizado no aparelho de flotação; a pressão de pressurização no balão pode ser escolhida de forma a ser suficientemente baixa para que a dimensão das microbolhas seja pelo menos igual a 60 ym. A pressão de pressurização no balão pode ser reduzida até 4 bar. A invenção consiste, postas de parte as disposições expostas acima, num certo número de outras disposições que estarão mais explicitamente em questão em seguida a propósito de exemplos descritos com referência aos desenhos 7 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ anexos, mas que não são de forma alguma limitativos. Nos desenhos: A Fig. 1 é um esquema de uma linha de tratamento de acordo com o estado da técnica para clarificar águas superficiais, fortemente poluídas ou não. A Fig. 2 é um esquema de uma linha de tratamento de acordo com a invenção para clarificar águas superficiais fortemente poluídas ou não, e A Fig. 3 é um esquema que ilustra os fenómenos do tratamento de acordo com a invenção.

Com referência à Fig. 1, está representada uma linha de tratamento clássica para clarificar águas residuais. Esta linha de tratamento põe em prática um processo habitual que se decompõe da maneira seguinte: - uma etapa de coagulação A com adição de um coagulante 1 à água bruta AB a tratar, - uma etapa de floculação B' que recebe a água que sai da etapa de coagulação e que compreende uma zona B'l de mistura do floculante 2 e uma zona B'2 de crescimento dos flocos 3 favorecido por uma agitação mecânica ou por sistemas estáticos (não representados), - e por fim, uma etapa C de separação por flotação, com emulsão de microbolhas de gás. As lamas são recuperadas à superfície e a água tratada AT é recuperada na parte de baixo do flotador. A Fig. 2 ilustra esquematicamente uma linha de tratamento que põe em prática o processo de acordo com a invenção que se decompõe da maneira seguinte: uma etapa de coagulação AI com adição de um coagulante 1 à água bruta a tratar AB, - uma etapa de floculação B que compreende: 8 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ uma zona BI de mistura do floculante 2, seguida por uma zona de mistura A2 de uma segunda injecção de coagulante la, seguida por uma zona B2 de crescimento dos flocos 3 favorecido por uma agitação mecânica ou por sistemas estáticos, - e, por fim, uma etapa C de separação por flotação.

No caso das águas superficiais pouco poluídas, isto é com uma turvação inferior a 30 NTU com uma concentração em MS inferior a 30 mg/1, a utilização da linha de tratamento da Fig. 1 com uma única injecção de coagulante é satisfatória. Pelo contrário, esta linha de tratamento não dá resultados aceitáveis para as águas superficiais fortemente poluídas, que possuam uma turvação superior a 30 NTU, e uma concentração em MS superior a 30 mg/1. A linha de tratamento de acordo com a Fig. 2, em conformidade com a invenção, permite um tratamento eficaz dessas águas superficiais fortemente poluídas, com uma turvação superior a 30 NTU e uma concentração em MS superior a 30 mg/1, graças à injecção suplementar A2 de coagulante.

Os comentários que se seguem propõem uma explicação possível para o resultado surpreendente obtido com referência à Fig. 3.

Uma água fortemente poluída contém colóides e muitas matérias minerais 5 (percentagem superior a 50%) . Quando se adiciona o coagulante 1, as cargas negativas dos colóides 4 são neutralizadas pelos catiões trivalentes do coagulante 1. Em seguida, os colóides neutralizados, assim como as matérias minerais, são incluídos em precipitados de hidróxido para formar microflocos 6 mais densos devido à presença das matérias minerais 5.

Durante a floculação e pela adição do floculante 2, os flocos aglomeram-se e crescem para formar no final flocos mais densos e mais compactos 7. 9 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ A segunda injecção de coagulante la provoca a formação de precipitados de hidróxido que se aglomeram então em torno do floco para lhe conferir uma estrutura espacial 8 mais volumosa no fim da etapa de floculação. A estrutura deste floco assim formado permite a adesão de um número maior de microbolhas 9, facilitando a flotação e assegurando em consequência a estabilidade das lamas flotadas 10. A importância dos resultados obtidos é concretizada pelos exemplos que se seguem.

Exemplos:

Os ensaios que se seguem foram realizados com uma água do Sena fortemente poluida ou dopada (de cerca de 50 a 300 NTU) .

As caracteristicas da água bruta são: - Turvação da água bruta AB = 50 a 300 NTU, - MS da água bruta AB = 70 a 300 mg/L, - Temperatura = 10 a 18°C.

Estes ensaios foram realizados numa instalação piloto de flotação a um caudal de 12 m3/h, compreendendo: - uma etapa de coagulação com mistura do coagulante, - a injecção de floculante numa cuba agitada, - a injecção do coagulante na zona agitada formada pelo transbordamento que alimenta o floculador estático, - uma etapa de floculação estática, uma célula de flotação de 0,4 m2 de secção que corresponde a uma velocidade de 30 m/h. O sistema de pressurização/expansão (ver Fig. 2) é composto por um balão de pressurização P no qual é 10 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ pressurizada por uma bomba Q uma parte da água clarificada tomada no flotador, para ser em seguida reinjectada no flotador com uma expansão súbita à pressão atmosférica. O balão P funciona a 4 bar e está ligado a sistemas de expansão que asseguram a formação de microbolhas com uma dimensão de cerca de 40 - 50 ym. Nestas condições, a taxa de recirculação é de cerca de 10%.

Os resultados obtidos são:

- Para uma turvação da água bruta AB = 350 NTU // MS AB = 330 mg/L 1) De acordo com o estado da técnica

Dose de coagulante = 40 ppm - com uma só injecção

Dose de polímero =0,4 ppm => Turvação da água tratada AT = 140 NTU MS da água tratada AT = 78 mg/L. 2) De acordo com a invenção

Dose de coagulante = 20 ppm (Γ injecção) + 20 ppm (2 inj ecçao)

Dose de polímero =0,4 ppm. =>Turvação da água tratada AT = 4,9 NTU MS da água tratada AT = 9,7 mg/L.

- Para uma turvação da água bruta AB = 100 NTU // MS EB = 100 mg/L 3) De acordo com o estado da técnica

Dose de coagulante = 40 ppm (uma única injecção)

Dose de polímero =0,4 ppm =>Turvação da água tratada AT = 4,5 NTU MS da água tratada AT = 9,2 mg/L. 11 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ 4) De acordo com a invenção

Dose de coagulante = 20 ppm (1° injecção) + 20 ppm (2° inj ecção)

Dose de polímero =0,4 ppm. =>Turvação da água tratada AT = 1,3 NTU MS da água tratada AT = 4,4 mg/L.

Os resultados dos ensaios mostram que a injecção do coagulante em dois pontos permite favorecer a adesão bolhas-flocos, aumentar a velocidade ascensional dos flocos e estabilizar as lamas flotadas. A taxa de eliminação de matérias em suspensão da água bruta é assim superior a 95% tendo como consequências e vantagens inesperadas: 1/ Um melhoramento da qualidade da água flotada, uma vez que é possível diminuir a pressão no balão de pressurização P previsto para a formação das bolhas na célula de flotação. Contrariamente às regras da técnica que preconizam um aumento da pressão e da taxa de pressurização no caso da clarificação de águas superficiais fortemente poluídas, observa-se um melhoramento da qualidade da água flotada reduzindo a pressão no balão, esta pressão podendo ser reduzida até 4 bar. A qualidade da água flotada é melhorada em cerca de 20%, traduzindo uma maior estabilidade das lamas flotadas. Esta redução de pressão tem por consequência uma dimensão das bolhas mais importante (velocidade ascensional mais importante) que não podem ligar-se senão sobre flocos mais volumosos e mais estruturados.

Esta técnica de diminuição de pressão é portanto adaptada à invenção e a todos os flocos de estrutura espacial importante como: - os flocos formados com um excesso de coagulante e sem injecção de floculante, - os flocos de natureza biológica, etc... 12 ΕΡ 2 104 650/ΡΤ 2/ Um prolongamento dos ciclos de filtração de filtros do tipo filtros de areia a seguir ao flotador: a segunda injecção de coagulante permite estruturar o floco (estrutura espacial do floco volumosa) mas também neutralizar o polímero residual de poder colmatante muito forte, ele próprio injectado a montante da segunda injecção de coagulante. As durações dos ciclos de filtração (entre duas lavagens) são assim aumentadas. A título de exemplo, a duração de um ciclo num filtro de areia inicialmente de 18 h foi prolongado para 30 h. 3/ Certas tecnologias de membrana (ultrafiltração) interditam a utilização do polímero no tratamento a montante devido ao seu poder colmatante. Assim, a flotação com injecção de floculante não pode ser utilizada no tratamento a montante em casos difíceis como o das águas fortemente poluídas. A invenção permite então utilizar a flotação em tratamento a montante de ultrafiltração e isto mesmo no caso de águas fortemente poluídas. A invenção pode ser aplicada qualquer que seja o tipo de floculador a montante da flotação. No entanto, os riscos de decantação em floculadores estáticos ou agitados de baixa energia são importantes. Convém prever sistemas quer de recolocação em suspensão com hélices de grande velocidade, quer de recuperação de lamas tais como raspadores ou zonas de decantação com bombas de extracção.

Lisboa, 2012-06-14

Claims (6)

1. ΕΡ 2 104 650/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para a clarificação por flotação de águas difíceis, cuja turvação é superior a 30 NTU e cuja concentração em matérias em suspensão MS é superior a 30 mg/L, em particular águas superficiais poluídas, ou águas residuais urbanas ou industriais, águas pluviais e todos os tipos de águas difíceis de tratar por flotação, em particular com uma percentagem elevada de matérias minerais, ou para a clarificação de todos os tipos de águas que necessitam da injecção de um adjuvante de floculação e que precedem filtros ou tecnologias de membranas como a ultrafiltração, que compreende: - uma etapa de coagulação (Al) no decurso da qual uma dose de 10 a 70% em peso da dose total de coagulante (1) é injectada na água a tratar, sendo o coagulante constituído por catiões trivalentes, em particular sais de ferro ou de alumínio, - uma etapa de floculação (B) no decurso da qual é efectuada uma injecção de floculante (2) na água, após a etapa de coagulação, para aglomerar as partículas em suspensão sob a forma de flocos, esta etapa de floculação compreendendo: - a injecção de floculante numa zona (Bl) de mistura do floculante (2) - seguida por uma segunda injecção de coagulante (la), de 30 a 90% em peso da dose total, efectuada a jusante da injecção do floculante, numa zona de mistura (A2) - o crescimento dos flocos (3), adaptados a uma flotação numa única etapa, numa zona (B2), a seguir à zona de mistura (A2), - e, por fim, uma etapa (C) de separação por flotação no decurso da qual, num aparelho de flotação, a água floculada é misturada com uma emulsão de microbolhas de gás, geralmente ar, que se agarram aos flocos e os fazem subir para a superfície onde são recolhidos e evacuados, enquanto a água clarificada é evacuada pelo fundo do aparelho de flotação. ΕΡ 2 104 650/ΡΤ 2/2
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a água bruta a tratar pelos flotadores precedidos por um pré-decantador apresentar uma turvação superior a 100 NTU e uma concentração em matérias em suspensão MS superior a 100 mg/L.
3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por ser aplicado a uma água bruta a tratar que é dificil e que necessita da injecção de um adjuvante de floculação, o tratamento de acordo com o processo precedendo filtros ou tecnologias de membranas como a ultrafiltração.
4. 4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a repartição da dose total de coagulante ser efectuada a cerca de 50% para cada uma das injecções.
5. 5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores segundo o qual, na etapa de flotação, a emulsão de microbolhas é obtida bombeando uma fracção da água clarificada e pressurizando-a num balão (P) para dissolver uma grande quantidade de gás, designadamente ar, e gerar as microbolhas por expansão do liquido pressurizado no aparelho de flotação, caracterizado por a pressão de pressurização no balão (P) ser reduzida até 4 bar.
6. 6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, segundo o qual na etapa de flotação a emulsão de microbolhas é obtida bombeando uma fracção da água clarificada e pressurizando-a num balão (P) para dissolver uma grande quantidade de gás, designadamente ar, e gerar as microbolhas por expansão do liquido pressurizado no aparelho de flotação, caracterizado por a pressão de pressurização no balão (P) ser escolhida de forma a ser suficientemente baixa para que a dimensão das microbolhas seja pelo menos igual a 60 ym. Lisboa, 2012-06-14