BR112020022174A2

BR112020022174A2 - tratamento de água com um leito de esferas de resina e microrganismos

Info

Publication number: BR112020022174A2
Application number: BR112020022174-0A
Authority: BR
Inventors: Guillem Gilabert Oriol; Marcus Slagt; Gerard Massons
Original assignee: DDP Specialty Electronic Materials US, Inc.
Priority date: 2018-05-01
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2021-02-02
Also published as: JP7343525B2; US11377379B2; EP3788014A1; WO2019212720A1; CN112469670A; CN112469670B; KR20210005635A; US20210238072A1; JP2021522995A

Abstract

  TRATAMENTO DE ÁGUA COM UM LEITO DE ESFERAS DE RESINA E MICRORGANISMOS. É fornecido um método de tratamento de água de alimentação compreendendo a etapa de passar a água de alimentação através de uma biocamada que compreende esferas de resina e microrganismos vivos para produzir água tratada por biocamada, em que (a)o volume de espaços vazios livres normalizado para área na biocamada é de 0,018 m3/m2 ou menos; (b) a densidade de empacotamento na biocamada é de 0,68 a 0,96; (c) a relação entre a área da superfície exterior das esferas de resina e o volume total de espaços vazios livres da biocamada é inferior a 2,0 a 50 m2/L; (d) a velocidade da água através da biocamada é de 1 a 1.500 volumes de biocamada por hora; e (e) o número de Reynolds do fluxo através da biocamada é de 0,10 a 3,0.

Description

“TRATAMENTO DE ÁGUA COM UM LEITO DE ESFERAS DE RESINA E MICRORGANISMOS”

[0001] Frequentemente, é desejado remover as impurezas da água passando a água impura por um processo de purificação, tal como um tratamento de osmose reversa ou nanofiltração. Uma dificuldade comum com esses processos de purificação é a bioincrustação, um fenômeno no qual bactérias crescem no aparelho. A bioincrustação é indesejável. Por exemplo, se o processo de purificação envolve a passagem de água através de uma membrana, a bioincrustação causa o crescimento de um biofilme na membrana, o que reduz a permeabilidade da membrana, possivelmente gerando uma queda de pressão maior do que a desejável através da membrana, o que também poderia eventualmente comprometer mecanicamente a integridade do elemento de membrana devido à maior queda de pressão através da membrana.

[0002] US 8.883.012 descreve um método no qual a água é passada através de um recipiente contendo um componente de resina e, em seguida, encaminha-se a água para uma membrana de osmose reversa. É desejável fornecer um método melhorado de pré-tratamento de água impura em que a água passa através de um leito de esferas de resina nas quais microrganismos crescem. É desejável que o método de pré-tratamento melhorado tenha um ou mais dos seguintes benefícios: (1) quando a água pré-tratada passa por um tratamento de osmose reversa, há uma incidência reduzida de bioincrustação da membrana de osmose reversa; e (2) o crescimento de microrganismos que ocorre nas esferas de resina usadas para o pré-tratamento é relativamente fácil de remover por retrolavagem.

[0003] O que se segue é uma declaração da invenção.

[0004] Um primeiro aspecto da presente invenção é um método de tratamento de água de alimentação compreendendo a etapa de passar a água de alimentação através de uma biocamada que compreende esferas de resina e microrganismos vivos para produzir água tratada por biocamada, em que (a) o volume de espaços vazios livres normalizado para área na biocamada é de 0,018 m?/m? ou menos; (b) a densidade de empacotamento na biocamada é de 0,68 a 0,98; (c) a relação entre a área da superfície exterior das esferas de resina e o volume total de espaços vazios livres da biocamada é inferior a 2,0 a 50 m2/L; (d) a velocidade da água através da biocamada é de 1 a

1.500 volumes de biocamada por hora; e (e) o número de Reynolds do fluxo através da biocamada é de 0,10 a 3,0.

[0005] O que se segue é uma breve descrição do desenho.

[0006] A Figura 1 mostra uma modalidade da presente invenção. A Figura 2 mostra a “Configuração 1º usada nos Exemplos. A Figura 3 mostra a “Configuração 2" usada nos Exemplos.

[0007] O que se segue é uma descrição detalhada da invenção.

[0008] Como usados no presente documento, os seguintes termos têm as definições designadas, a menos que o contexto indique claramente de outro modo.

[0009] “Resina”, como usado no presente documento, é um sinônimo de “polímero”. Um “polímero”, como usado no presente documento, é uma molécula relativamente grande composta dos produtos de reação de unidades químicas de repetição menores. Os polímeros podem ter estruturas que são lineares, ramíificadas, em formato de estrela, com alça, hiper-ramificadas, reticuladas, ou uma combinação das mesmas; os polímeros podem ter um único tipo de unidade de repetição

(“homopolímeros”) ou podem ter mais de um tipo de unidade de repetição (“copolímeros”). Os copolímeros podem ter os vários tipos de unidades de repetição dispostos aleatoriamente, em sequência, em blocos, em outros arranjos ou em qualquer mistura ou combinação dos mesmos. Os polímeros têm pesos moleculares ponderais médios de 2.000 ou mais.

[0010] As moléculas que podem reagir umas com as outras para formar as unidades de repetição de um polímero são conhecidas no presente documento como “monômeros”. As unidades de repetição assim formadas são conhecidas no presente documento como “unidades polimerizadas” do monômero.

[0011] Os monômeros de vinila têm uma ligação dupla carbono-carbono não aromática que é capaz de participar de um processo de polimerização de radical livre. Os monômeros de vinila têm pesos moleculares menores do que 2.000. Os monômeros de vinila incluem, por exemplo, estireno, estirenos substituídos, dienos, etileno, derivados de etileno e misturas dos mesmos. Os derivados de etileno incluem, por exemplo, versões não substituídas e substituídas dos seguintes: acetato de vinila e monômeros acrílicos. “Substituído” significa ter pelo menos um grupo químico ligado, tal como, por exemplo, grupo alquila, grupo alquenila, grupo vinila, grupo hidroxila, grupo alcóxi, grupo hidroxialquila, grupo de ácido carboxílico, grupo de ácido sulfônico, grupo amino, grupo de amônio quaternário, outros grupos funcionais e combinações dos mesmos.

[0012] Os monômeros de vinila monofuncionais têm exatamente uma ligação dupla carbono-carbono polimerizável por molécula. Os monômeros de vinila multifuncionais têm duas ou mais ligações duplas carbono-carbono polimerizáveis por molécula.

[0013] A categoria “monômeros acrílicos” é o grupo de monômeros selecionados de ácido acrílico; ácido metacrílico; ésteres alquílicos substituídos ou não substituídos de ácido acrílico ou ácido metacrílico; e acrilonitrila.

[0014] Como usado no presente documento, os monômeros aromáticos de vinila são monômeros de vinila que contêm um ou mais anéis aromáticos.

[0015] Considera-se que os monômeros de vinila formam polímeros por meio de um processo de polimerização de vinila, no qual as ligações duplas carbono-carbono reagem entre si para formar uma cadeia polimérica.

[0016] Um polímero no qual 90% ou mais das unidades polimerizadas, em peso com base no peso do polímero, são unidades polimerizadas de um ou mais monômeros de vinila é um polímero de vinila. Um polímero aromático de vinila é um polímero no qual 50% ou mais das unidades polimerizadas, em peso com base no peso do polímero, são unidades polimerizadas de um ou mais monômeros aromáticos de vinila.

[0017] Uma resina é considerada reticulada no presente documento se a cadeia polimérica tiver pontos de ramificação suficientes para tornar o polímero insolúvel em qualquer solvente. Quando é dito no presente documento que um polímero é insolúvel em um solvente, isso significa que menos de 0,1 grama da resina se dissolverá em 100 gramas do solvente a 25 “ºC.

[0018] O grau em que uma partícula é esférica é caracterizado pela esfericidade W, que é definida usando os três eixos ortogonais principais do objeto, a (mais longo), b (intermediário) e c (mais curto), como segue: V = c/a .

[0019] O termo “esferas” no presente documento se refere a partículas discretas que são sólidas em uma faixa de temperatura que inclui a faixa de 15 ºC a 40 ºC.

[0020] Uma coleção de esferas de resina pode ser caracterizada pelos diâmetros das esferas. Uma partícula que não é esférica é considerada como tendo um diâmetro igual ao diâmetro de uma esfera com o mesmo volume que a partícula. O diâmetro médio harmônico (DMH) é definido pela seguinte equação:

N 2 EN(D DMH = i onde i é um índice para as esferas individuais; d; é o diâmetro de cada partícula individual; e N é o número total de esferas.

[0021] Os microrganismos são organismos unicelulares, alguns dos quais existem como células individuais ou como uma colônia de células. Incluem-se as bactérias, protozoários e arqueias. Alguns fungos e algas são microrganismos.

[0022] As razões apresentadas no presente documento são caracterizadas como segue. Por exemplo, se uma razão é dita como sendo 3:1 ou maior, essa razão pode ser 3:1 ou 5:1 ou 100:1, mas não pode ser 2:1. Esta caracterização pode ser expressa em termos gerais a seguir. Quando uma razão é dita no presente documento como sendo X:1 ou maior, significa que a razão é Y:1, em que Y é maior ou igual a X. Como outro exemplo, se uma razão é dita como sendo 15:1 ou menos, essa razão pode ser 15:1 ou 10:1 ou 0,1:1, mas não pode ser 20:1. Em termos gerais, quando uma razão é dita no presente documento como sendo W:1 ou menos, significa que a razão é Z:1, em que Z é menor ou igual a W.

[0023] A presente invenção envolve o uso de uma biocamada. Uma biocamada contém esferas de resina e microrganismos. Uma biocamada se forma quando água de alimentação impura flui através de um leito de esferas de resina que estão contidas em um recipiente. Os microrganismos crescem em uma camada das esferas de resina que está mais próxima da entrada do recipiente. Os microrganismos criam uma biomassa que contém tanto as células dos microrganismos quanto as substâncias poliméricas extracelulares (SPE) criadas pelos microrganismos. A proporção de SPE na biomassa varia. Em uma biomassa típica, as SPE podem ser 75% ou mais da biomassa em volume, ou 85% ou mais; ou 95% ou mais. A existência da biocamada pode ser detectada de várias maneiras. Em várias modalidades, o leito de esferas de resina é mantido em um recipiente transparente, por exemplo, um recipiente feito de vidro ou poli(cloreto de vinila) transparente. Assim, a região onde a biocamada está crescendo pode ser detectada visualmente como uma região na qual material branco opaco é visível entre as esferas de resina. A invenção pode ser praticada em qualquer tipo de recipiente, mas a transparência pode auxiliar na verificação da existência da biocamada, e pode então ser razoavelmente deduzido que a biocamada também existe em um recipiente não transparente operando em condições similares. Além disso, um recipiente opaco pode ser opcionalmente equipado com uma janela transparente que permita a observação visual da biocamada. Os materiais adequados para o recipiente são vidro, plástico, aço ou outros materiais.

[0024] A existência de microrganismos na biocamada pode ser verificada de outras maneiras. Por exemplo, uma amostra da biocamada pode ser retirada e examinada em um microscópio óptico. As características materiais dos microrganismos e das SPE resultantes nos interstícios entre as esferas de resina serão visíveis ao microscópio óptico. O crescimento de microrganismos pode ser monitorado por análise da presença de trifosfato de adenosina; por cultivo de material da biocamada suspeita e contagem de colônias; por análise do carbono orgânico total (COT); por análise do nitrogênio; por análise de carboidratos e/ou proteínas. Além disso, a queda de pressão da água de alimentação que passa através do recipiente pode ser monitorada. Conforme os microrganismos crescem, a queda de pressão se torna maior. É contemplado que durante a operação normal do método da presente invenção, a formação da biocamada seria monitorada por medição da queda de pressão.

[0025] O crescimento de microrganismos começa entre as esferas de resina na região mais próxima da entrada do recipiente. Conforme o crescimento dos microrganismos continua, os microrganismos estão presentes em uma camada que contém esferas de resina e os microrganismos; esta camada é conhecida no presente documento como a biocamada. Conforme o crescimento dos microrganismos continua, a espessura da biocamada, como medida na direção efetiva do fluxo de água, também continua a crescer.

[0026] A presente invenção envolve o tratamento de água impura, chamada no presente documento de “água de alimentação”. Em modalidades preferenciais, a água de alimentação entra no recipiente, passa pela biocamada e, em seguida, no mesmo recipiente, passa por uma coleção de esferas de resina (conhecida no presente documento como a “camada de esferas”) que tem pouco ou nenhum microrganismo em crescimento. À quantidade de microrganismos pode ser caracterizada como o peso de microrganismos por centímetro cúbico. De preferência, a razão entre a quantidade média de microrganismos na camada de esferas e a quantidade média de microrganismos na biocamada é de 0,1:1 ou menos; mais preferencialmente 0,03:1 ou menos; mais preferencialmente 0,01:1 ou menos. De preferência, as esferas de resina na camada de esferas são idênticas às esferas de resina na biocamada.

[0027] As esferas de resina da presente invenção compreendem um ou mais polímeros. O polímero compreende anéis aromáticos. Os polímeros preferidos são polímeros de vinila; preferem-se mais os polímeros aromáticos de vinila. De preferência, o peso total das unidades polimerizadas de todos os monômeros aromáticos de vinila é, em peso do polímero, 50% ou mais; mais preferencialmente 75% ou mais; mais preferencialmente 90% ou mais; mais preferencialmente 95% ou mais.

[0028] Os monômeros aromáticos de vinila preferidos são estireno, alquilestirenos e monômeros aromáticos de vinila multifuncionais. Entre os alquilestirenos, preferem-se aqueles em que o grupo alquila tem 1 a 4 átomos de carbono; prefere-se mais o etilvinilbenzeno. Entre os monômeros aromáticos de vinila multifuncionais, prefere-se o divinilbenzeno. De preferência, o polímero contém unidades polimerizadas de monômero aromático de vinila multifuncional em uma quantidade, em peso com base no peso do polímero, de 0,5% ou mais; mais preferencialmente 1% ou mais. De preferência, o polímero contém unidades polimerizadas de monômero aromático de vinila multifuncional em uma quantidade, em peso com base no peso do polímero, de 10% ou menos; mais preferencialmente 8% ou menos.

[0029] É útil caracterizar as propriedades intrínsecas das esferas de resina. Isto é, é útil caracterizar as propriedades que as esferas de resina têm antes de serem colocadas em uso no processo da presente invenção. De preferência, o polímero nas esferas de resina é reticulado. As esferas de resina são esferas de resina macroporosa ou esferas de resina gel. As esferas de resina macroporosa têm poros com diâmetro médio maior do que 10 nm. As esferas de resina gel têm porosidade que é formada apenas pelos volumes de espaços vazios que normalmente se formam entre as cadeias poliméricas emaranhadas. As esferas de resina gel têm tamanho médio de poros de 10 nm ou menor. De preferência, as esferas de resina são esferas de resina gel.

[0030] Outra propriedade intrínseca das esferas de resina é a densidade de esfera, que é a gravidade específica de uma esfera individual. De preferência, as esferas de resina têm densidade de esfera de 1,10 ou maior; mais preferencialmente 1,15 ou maior; mais preferencialmente 1,18 ou maior; mais preferencialmente 1,20 ou maior.

[0031] Uma propriedade intrínseca das esferas de resina é o diâmetro. De preferência, a coleção de esferas de resina tem diâmetro médio harmônico de 200 micrômetros ou maior; mais preferencialmente 300 micrômetros ou maior; mais preferencialmente 400 micrômetros ou maior. De preferência, a coleção de esferas de resina tem diâmetro médio harmônico de 2.000 micrômetros ou menor; mais preferencialmente 1.500 micrômetros ou menor; mais preferencialmente 1.000 micrômetros ou menor. De preferência, as esferas de resina têm esfericidade média numérica de 0,85 ou maior; mais preferencialmente 0,90 ou maior; mais preferencialmente 0,95 ou maior; mais preferencialmente 0,98 ou maior.

[0032] Uma propriedade intrínseca das esferas de resina é a presença ou ausência de grupos funcionais ligados covalentemente à resina. As esferas de resina são opcionalmente funcionalizadas. Isto é, as esferas de resina podem ter um ou mais grupos químicos funcionais ligados covalentemente ao polímero. Por exemplo, o grupo funcional pode ser um grupo amina, um grupo quelante, um grupo de ácido carboxílico, um grupo de ácido sulfônico ou uma versão iônica dos mesmos. As esferas de resina são opcionalmente úteis como trocadores iônicos. Por exemplo, esferas de resina com grupos amina podem ser úteis como esferas de resina de troca aniônica.

[0033] Uma propriedade intrínseca das esferas de resina é se as esferas de resina contêm ou não partículas de óxido férrico hidratado (OFH), que podem estar localizadas dentro das esferas de resina ou na superfície das esferas de resina. As esferas de resina preferidas contêm partículas de OFH. As partículas de OFH têm preferencialmente um diâmetro médio menor do que 500 nm. De preferência, a quantidade de OFH, em peso com base no peso total das esferas de resina, incluindo o OFH, é de 5% ou mais; mais preferencialmente 10% ou mais. De preferência, a quantidade de

OFH, em peso com base no peso das esferas de resina (incluindo o OFH) é de 40% ou menos; mais preferencialmente 30% ou menos.

[0034] O “comprimento” de uma camada é considerado a dimensão da camada na direção do fluxo líquido da água.

L = comprimento da biocamada LE = comprimento da camada de esferas De preferência, a razão de LE:L é 1:1 ou maior; mais preferencialmente 2:1 ou maior; mais preferencialmente 5:1 ou maior; mais preferencialmente 10:1 ou maior. De preferência, L tem 20 cm ou menos; mais preferencialmente 10 cm ou menos; mais preferencialmente 5 cm ou menos.

[0035] A seção transversal do recipiente é a seção perpendicular à direção do fluxo líquido de água através do recipiente. De preferência, a porção do recipiente onde estão presentes esferas de resina tem uma seção transversal uniforme. De preferência, a seção transversal é circular.

[0036] A água de alimentação passa através da biocamada e é então rotulada no presente documento como água “tratada por biocamada”.

[0037] Várias — características da biocamada são determinadas como segue. As unidades são mostradas entre parênteses. Dp = diâmetro de uma única esfera = DMH da coleção de esferas (m) Ve = volume de uma única esfera = (4/3)(pi)(D//2)3 (metro cúbico, ou m?); Se = áreada superfície de uma única esfera = 4(pi)(D//2)º — (metro quadrado, ou m?); NPMC = número de esferas por metro cúbico = e/Ve (m?);

Ar = área da seção transversal do volume interno do recipiente (m?) Ac = área da seção transversal da biocamada = Ar na biocamada (m?); Vc = volume da biocamada = Ar * L (m?); VEC = volume da biocamada ocupado por esferas = Vc * Ve *NPMC (m?); Stot = Aáreada superfície total das esferas na biocamada = NPMC * Vc*Se (m?); VVL = O volume de espaços vazios livres na biocamada = Vc- VEC (m?);

[0038] A biocamada pode ser caracterizada pelo volume total de espaços vazios livres. É útil normalizar o volume total de espaços vazios livres dividindo pela área da seção transversal da biocamada, para obter o volume de espaços vazios livres normalizado para área (VVLNA) da seguinte forma: VVLNA = VVL/Ac (mº/m?).

O volume de espaços vazios livres normalizado para área (VVLNA;) é inferior ou igual a 0,018 m?º/m?; preferencialmente inferior ou igual a 0,015 mô/m?. VVLNA é preferencialmente superior ou igual a 0,001 mê/m?; mais preferencialmente superior ou igual a 0,002 m?º/m?.

[0039] A biocamada pode ser caracterizada pela densidade de empacotamento (DE), que é definida pela equação DE = 1 — e, onde a fração de espaços vazios e é uma quantidade medida e é medida a ºC fluindo água através da biocamada e medindo a queda de pressão na água desde a entrada até a saída da biocamada. A densidade de empacotamento e é então encontrada usando modelagem de computador para resolver a conhecida equação de Carman-Kozeny da seguinte forma:

dP 1504 (1— e)? T VD S * onde dP é a queda de pressão na biocamada (bar); Lé a espessura da biocamada (metros); py é a viscosidade da água a 25 ºC (0,000897 Pa*s); v é a velocidade da água (metro/s), Dp, conforme definido acima, é o diâmetro de uma única esfera e W é a esfericidade da esfera, assumida no presente documento como sendo W=1.

[0040] A medição de dP/L pode ser feita como segue. L é o comprimento da biocamada, que pode ser observado como descrito acima e medido diretamente. Para medir a dP, um método é medir a queda de pressão (APi) em todo o recipiente contendo esferas de resina, antes de qualquer crescimento de microrganismos, a uma velocidade específica v da água que passa pelo recipiente. Então, após ocorrer o crescimento de microrganismos, a queda de pressão (AP1) é medida em todo o recipiente enquanto a água está passando na mesma velocidade v. Então dP= API - API.

[0041] A densidade de empacotamento (e) é 0,68 ou maior; preferencialmente 0,70 ou maior; mais preferencialmente 0,74 ou maior. A densidade de empacotamento (ec) é 0,98 ou menor; preferencialmente 0,96 ou menor; mais preferencialmente 0,95 ou menor; mais preferencialmente 0,94 ou menor.

[0042] Outra característica da biocamada é a relação (“RSV”) entre a área de superfície externa das esferas de resina e o volume total de espaços vazios livres: RSV = Stot/ VVL

[0043] A RSV é 2 m2/L ou maior; preferencialmente 5 m2/L ou maior; mais preferencialmente 10 m?2/L ou maior. A RSV é 50 m?2/L ou menor; preferencialmente 40 m?/L ou menor; mais preferencialmente 30 m2/L ou menor. A RSV é primeiro calculada usando quantidades com todas as unidades mencionadas acima para as quantidades individuais, resultando em RSV em unidades de m?/m?, que é então convertida em m?/L por conveniência.

[0044] Uma característica do método da presente invenção é a taxa de fluxo (TF) da água de alimentação através da biocamada. Esta taxa de fluxo é caracterizada como volumes de biocamada por hora (Vc/h). A taxa de fluxo é de 1 Vc/h ou maior; preferencialmente 10 Vc/h ou maior; mais preferencialmente 30 Vc/h ou maior; mais preferencialmente 100 Vc/h ou maior; preferencialmente 120 Vc/h ou maior. A taxa de fluxo é 1.500 Vc/h ou menor; preferencialmente 1.000 Vc/h ou menor; mais preferencialmente 750 Vc/h ou menor.

[0045] Outra característica do método da presente invenção é o número de Reynolds (Re) do fluxo através da biocamada. À VLVL é determinada usando os seguintes parâmetros: SvT = área de superfície total de espaços vazios = Ac*(1-e) (m?); TF = taxa de fluxo volumétrica = (taxa de fluxo em Vc/h) (m?/h); VLVL = velocidade de espaços vazios livres = TF/SVT — (m/h) Pp = densidade da água a 25 ºC = 998,2 kg/m? " = viscosidade da água a 25 ºC = 0,000897 Pa*s Dv = [(0,1547) *Dp] = [diâmetro de um círculo teórico que se encaixa na área intersticial delimitada por três círculos compactados de diâmetro Dp em um plano] (m) Então, o número de Reynolds (Re) é determinado da seguinte forma: Re = VLVL * Dv * p / p O número de Reynolds é 0,10 ou maior; preferencialmente 0,20 ou maior; mais preferencialmente 0,30 ou maior. O número de Reynolds é 3,0 ou menor; mais preferencialmente 2,0 ou menor; mais preferencialmente 1,5 ou menor; mais preferencialmente 1,1 ou menor.

[0046] Depois que a água tratada por biocamada sai da biocamada, ela preferencialmente entra imediatamente em uma camada de esferas no mesmo recipiente. Depois que a água passa pela camada de esferas, ela é rotulada no presente documento como água “tratada por esferas”.

[0047] Uma modalidade preferencial da presente invenção é mostrada na Figura 1. A Figura 1 mostra uma seção transversal vertical de um recipiente 2 que contém esferas de resina 4. A seção transversal horizontal do recipiente é circular. A água entra no recipiente 2 através da entrada 4 e, em seguida, passa pela biocamada 1, tornando-se água tratada por biocamada. A água tratada por biocamada passa então pela camada de esferas 7, tornando-se água tratada por esferas. Esferas de resina 4 estão presentes tanto na camada de esferas 7 como na biocamada 1. As esferas de resina são retidas no recipiente por uma barreira 5 que permite a passagem de água, mas mantém as esferas de resina 4 no lugar. A água tratada por esferas deixa o recipiente 2 através de uma saída 6. Na Figura 1, é também mostrado o comprimento (L) da biocamada. Também é mostrada uma barreira 8 que permite a passagem de água, mas mantém as esferas 4 no lugar. Durante uma retrolavagem, a barreira 8 permite a passagem da solução de retrolavagem, bem como a passagem de microrganismos, SPE e quaisquer outros materiais que não sejam esferas de resina que tenham estado na biocamada. A borda livre 9 é fornecida para facilitar a retrolavagem.

[0048] Após o método da presente invenção ter sido realizado por um tempo, espera-se que a biocamada tenha aumentado indesejavelmente de tamanho. De preferência, de vez em quando, um processo de retrolavagem é realizado para remover microrganismos e SPE das esferas de resina. Um processo de retrolavagem inclui um processo no qual uma solução de retrolavagem (água ou uma solução aquosa apropriada)

é forçada sob pressão para dentro do recipiente através da saída. A solução de retrolavagem passa pelo recipiente em “fluxo ascendente”, na direção oposta à direção tomada pela água de alimentação. Ou seja, a solução de retrolavagem passa pela camada de esferas, depois passa pela biocamada e então sai pela entrada. De preferência, o processo de retrolavagem remove 50% ou mais em peso dos microrganismos e 50% ou mais em peso das SPE. De maior preferência, o processo de retrolavagem remove 90% ou mais em peso dos microrganismos e 90% ou mais em peso das SPE. Em uma modalidade preferencial, conforme a solução de retrolavagem se move através da biocamada, as esferas de resina tendem a afundar, enquanto os microrganismos e as SPE tendem a flutuar, e a remoção dos microrganismos e das SPE prossegue de forma mais eficiente quando as esferas de resina têm densidade de esfera mais alta.

[0049] A água tratada por esferas pode ser usada para qualquer propósito. Espera-se que a água tratada por esferas tenha uma tendência reduzida de causar bioincrustação em qualquer sistema subsequente onde for usada. A água tratada por esferas pode ser usada em sistemas contendo, por exemplo, tubos, torres de resfriamento, trocadores de calor, sistemas de purificação de água e combinações dos mesmos. Os sistemas de purificação de água incluem, por exemplo, osmose reversa, filtração de todos os tipos (incluindo, por exemplo, ultrafiltração, microfiltração e nanofiltração) e combinações das mesmas. De preferência, a água tratada por esferas é transportada para um aparelho que realiza um processo de osmose reversa (OR), ou um processo de nanofiltração (NF), ou uma combinação dos mesmos, na água tratada por esferas. De maior preferência, a água tratada por esferas é transportada para um aparelho que realiza um processo de osmose reversa (OR) na água tratada por esferas. A OR é um processo no qual pressão é usada para retirar água pura ou quase pura de uma amostra de retentado (RB) ao conduzir a água através de uma membrana semipermeável. Na OR, a água pura ou quase pura que é conduzida através da membrana semipermeável é o permeado (PB), e o material deixado para trás é o retentado (RB). A membrana semipermeável usada na OR não possui poros permanentes; o permeado se difunde através do material de membrana semipermeável e é chamado no presente documento de água “tratada por OR”. A OR é tipicamente muito eficaz na retenção de quase todos os solutos no retentado, incluindo íons monovalentes. A NF é um processo no qual a água passa através de uma membrana com diâmetros de poro de 1 a 10 nm. A NF retém alguns íons multivalentes enquanto deixa passar alguns íons monovalentes.

[0050] De preferência, a água tratada por esferas produzida pelo método da presente invenção terá uma tendência reduzida para causar bioincrustação em qualquer aparelho a jusante (tal como, por exemplo, uma membrana de OR ou uma membrana de NF). Embora a presente invenção não esteja limitada a qualquer mecanismo, o seguinte descreve possíveis mecanismos para realizar os benefícios da presente invenção. É contemplado que os microrganismos na água de alimentação se congregarão na biocamada e não serão depositados no aparelho a jusante. É ainda contemplado que o crescimento de microrganismos na biocamada irá remover nutrientes potenciais, tais como fósforo, da água de alimentação, privando assim quaisquer microrganismos localizados no aparelho a jusante de obter os nutrientes necessários para o crescimento. Além disso, é contemplado que as esferas de resina podem remover fósforo da água de alimentação, removendo assim nutrientes da água de alimentação, desencorajando assim o crescimento de microrganismos no aparelho a jusante. É contemplado que as resinas que contêm óxido férrico hidratado serão especialmente eficazes na remoção de fósforo. A combinação da biocamada e uma resina contendo OFH é considerada especialmente eficaz, porque é contemplado que a biocamada removerá a maior parte do fósforo e a maioria dos outros nutrientes assimiláveis e, em seguida, a resina contendo OFH na camada de esferas irá remover o resto, evitando assim eficazmente o crescimento de microrganismos em qualquer aparelho a jusante. De preferência, a resina contendo OFH remove fósforo suficiente para que a água tratada por esferas contenha O a 8 partes por bilhão em peso (ppb) de fósforo.

[0051] Outro mecanismo contemplado não limitante da presente invenção é a maior eficácia de filtração que surge na biocamada. Considera-se que, à medida que a biocamada cresce, os microrganismos e as SPE preenchem alguns dos espaços vazios entre as esferas de resina, aumentando assim a densidade de empacotamento. É contemplado que à medida que os microrganismos continuam a crescer, a biocamada continua a crescer e a densidade de empacotamento continua a aumentar. À medida que esses espaços vazios são preenchidos, a biocamada começa a bloquear a passagem de partículas cada vez mais pequenas, levando a um bloqueio cada vez mais eficaz de bactérias. Assim, a biocamada promove o seu próprio crescimento e evita a bioincrustação a jusante, prendendo as bactérias da água de alimentação na biocamada.

[0052] Seguem-se exemplos da presente invenção.

[0053] Duas configurações experimentais diferentes foram usadas, como segue.

[0054] A Configuração 1 é ilustrada na Figura 2. Na Configuração 1, a unidade era a seguinte. Os experimentos foram realizados em uma bancada de teste de célula plana fabricada pela Prominent (Prominent Iberia SA, Espanha). A unidade consistia em uma bomba centrífuga de alimentação (LOWARA 2HM3/A) (não ilustrada na Figura 2) que envia a água para um tanque 21 (30 L). Lá, a temperatura da água era controlada em 25 ºC por meio de um aquecedor e enviada em modo de passagem única para seis linhas em paralelo. Três dessas linhas tinham 3 colunas IX 24 (Llaberia Plastics, S.L.), e após cada coluna um simulador de incrustação de membrana 23 (OR) estava presente (101129 003 1010, Global Membrains). As outras três linhas tinham apenas simuladores de incrustação de membrana de OR 23, sem qualquer coluna IX antes deles. O fluxo de alimentação foi ajustado usando válvulas de agulha individuais (Brooks Instrument FC 8800) e o fluxo de alimentação foi medido usando medidores de fluxo (VO38D 0-30 L/h, Stubbe tipo FIP FCF). A queda de pressão foi registrada usando um transmissor de queda de pressão (PMD75- ABAT7LB12AAA-16-16 bar, Endress Hauser). A coluna de resina 24 tinha área de seção transversal de 19 cm?, profundidade de leito de 4 a 40 cm, colunas transparentes de PVC-U (Llaberia Plastics, S.L.).

[0055] Na Configuração 1, uma solução de estoque de nutrientes 22 foi dosada a fim de aumentar o potencial biológico de incrustação da água de alimentação. Esta solução de nutrientes 22 foi preparada em um tanque externo 22 usando acetato de sódio (CAS 127 09 3 VWR, E.U.A.), nitrato de sódio (CAS 7631-99-4 Sigma-Aldrich, E.U.A.) e di-hidrogeno-ortofosfato de sódio di-hidratado (CAS 7558-80-7 Sigma- Aldrich, E.U.A.) para atingir uma razão C:N:P de 100:20:10. Hidróxido de sódio (VWR, E.U.A.) foi usado para ajustar a solução do tanque para pH = 12 para evitar contaminação, antes de ser injetado na água de alimentação por meio de bomba peristáltica (não ilustrada na Figura 2). A concentração de carbono (C) na água de alimentação é ajustada para 0,2 mg/L, nitrogênio (N) 0,04 mg/L e fósforo (P) 0,02 mg/L. A temperatura da água de alimentação foi ajustada para 25 ºC e o fluxo de alimentação da água salobra foi ajustado para 16 L/h. Metabissulfito de sódio foi injetado (até 5 mg/L) antes do uso na unidade de célula plana como uma medida adicional para garantir que a concentração de cloro fosse sempre inferior a 0,02 mg/L.

[0056] Na Configuração 1, condições adicionais foram as seguintes:

Células de OR: 4 cm x 20 cm, material de metacrilato transparente (101129 003 1010, Global Membrains) Temperatura: Controlada a 25 ºC Pressão: 1,5 bar Tipo de água: Água de rio convencionalmente pré-tratada (“Água salobra”). A composição da água salobra era a seguinte: Composição da água salobra média média ae | men | a Condutividade 745 Magnésio (mg/l) 15,5 ese | 78) renan ss coTIa) Alcalinidade (mg/l 1. men | Te amem dissolvidos (mg/l)

[0057] A Configuração 2 é ilustrada na Figura 3. A unidade era a seguinte. Os experimentos foram realizados usando 4 skids diferentes de simuladores de incrustação de membrana de OR 23 (101129 003 1010, Global Membrains) conectados em paralelo. Dois desses skids tinham 2 colunas IX 24 a montante (Llaberia Plastics, S.L.) (uma coluna IX para cada Skid), usadas como um pré-tratamento para a OR. A pressão de alimentação foi obtida das bombas auxiliares (não ilustradas na Figura 3) de um piloto de OR existente. O fluxo de alimentação foi ajustado usando válvulas de agulha individuais (Brooks Instrument FC 8800) e o fluxo de alimentação foi medido usando medidores de fluxo (VO38D 0-30 L/h, Stubbe tipo FIP FCF). A queda de pressão foi registrada usando um transmissor de queda de pressão (PMD75-ABA7LB12AAA-16-16 bar, Endress Hauser).

[0058] As características da Configuração 2 foram as seguintes. Coluna de resina: Área de seção transversal de 19 cm?, profundidade de leito de 4 a 40 cm, colunas transparentes de PVC-U (Llaberia Plastics, S.L.). Células de OR: 4 cm x 20 cm, material de metacrilato transparente (101129 003 1010, Global Membrains) Temperatura: 14 a 20 ºC Pressão: 3 bar Tipo de água: Efluente de águas residuais secundárias clarificadas ultrafiltradas (Ultrafiltração Dow). A composição das águas residuais foi a seguinte: Áquas residuais Característica Concentração Característica Concentração a A DBO5 (mg/l de 2,1 Cloreto (mg/l) 415 a tro Condutividade 2,290 Nitrato-NO;3 (mg/l) 3,5 entao o nm 50 Ferro total (vg/I) |70 E Te es mo

DQO total (mg/l | 22 Sulfato-SOa (mg/l). | 220 pru Alcalinidade (mg/l | 405 Total de íons | 1,545 Amônio-NH,* 24 si

[0059] Vários experimentos foram realizados usando uma variedade de resinas e condições. As condições eram as seguintes: Características dos experimentos (1) volume de espaços vazios livres normalizado para área (m?/m?) (2) densidade de empacotamento (3) relação entre a área da superfície exterior das esferas de resina e o volume total de espaços vazios livres (m?/L) (4) taxa de fluxo (volumes de biocamada por hora) (5) número de Reynolds

[0060] Várias resinas foram testadas, tendo as seguintes características:

Fe: impregnado com ferro (OFH, como definido acima) ou não tipo: as resinas eram acrílicas ou estirênicas. As resinas acrílicas têm 75% ou mais em peso de unidades polimerizadas de monômeros acrílicos. As resinas estirênicas têm 90% ou mais em peso de unidades polimerizadas de monômeros aromáticos de vinila. grupos funcionais: cada resina tinha grupos funcionais pendentes selecionados dos seguintes. nenhum WB = base fraca = o grupo funcional é uma amina primária, secundária ou terciária SB = base forte = o grupo funcional é um grupo de amônio quaternário SA = ácido forte = o grupo funcional é ácido sulfônico ou sulfonato Também foi testado carvão ativado granular (CAG)

[0061] As características dos experimentos foram as seguintes: Características adicionais dos experimentos do Exemplo 1 Ex- pe- Configu- Altura ri- Fe? Tipo ração do leito men- sim | acrílico WB Exemplo 1 1 16L/h| 40cm HT el seo

" não | estirênico | nenhum " || sim | acrílico WB 4 cm não | acrílico | nenhum < z 40 cm sim | estirênico SB 2 16 L/h Características adicionais dos experimentos do Exemplo 2 e do Comparativo 1 Experi-- Exem- | Configu- Altura Fe? Tipo Função) mento| plo ração do leito Exemplo 14 o 1 16 L/h 40cm Jnãokstirênico SB

[0062] Cada experimento foi operado por um período de tempo. Nos experimentos dos Exemplos, uma biocamada era claramente visível. O recipiente contendo as esferas de resina foi então submetido a retrolavagem, alimentando água através da coluna na direção oposta à direção que a água de alimentação tinha seguido.

[0063] As observações foram as seguintes: Experi- Exemplos Observações mentos A coluna operou normalmente. A membrana de OR a jusante não mostrou bioincrustação. À 1-92 Exemplos retrolavagem da coluna parecia remover os 1e2 microrganismos e as execuções subsequentes tiveram queda de pressão semelhante às execuções anteriores.

A queda de pressão na coluna foi muito alta e, Comparativos 23-32 1e2 portanto, o sistema não pôde ser operado | arca forge pr time Comparativos 33-40 relativamente rápida em aparelhos de OR a 3,4€5 jusante. A retrolavagem pareceu ser ineficaz na remoção de microrganismos da biocamada. P Comparativo | Após cada retrolavagem, a queda de pressão 6 foi maior do que nas execuções anteriores. Eventualmente, a coluna inteira ficou obstruída com microrganismos.

[0064] Experimentos adicionais de retrolavagem foram realizados como segue. Três resinas que atenderam aos critérios para a presente invenção, Inventiva 3, Inventiva 4 e Inventiva 5, foram cada uma usada em um método da presente invenção envolvendo a Configuração 1, como descrita acima. Após o método da presente invenção ter sido conduzido por um tempo, em cada caso formou-se uma biocamada. O processo foi então interrompido e uma retrolavagem foi realizada por um método que incluía forçar a água pela saída, pela coluna e pela entrada. A retrolavagem “eficiente” significa que os microrganismos e as SPE foram removidos de forma comparativamente rápida pelo processo de retrolavagem. A retrolavagem “ineficiente” significa que os microrganismos e as SPE foram removidos de forma comparativamente lenta pelo processo de retrolavagem. Os resultados foram os seguintes: Resultados da retrolavagem Resina Densidade | Retrolavagem

Inventiva 3 ineficiente Inventiva 4 eficiente Inventiva 5 eficiente

[0065] Todas as três resinas operaram adequadamente o método da presente invenção. Inventiva 4 e Inventiva 5, as resinas com densidade de esfera relativamente alta, apresentaram retrolavagem mais eficiente que a Inventiva 3, a resina com densidade de esfera mais baixa.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de tratamento de água de alimentação caracterizado pelo fato de que compreende a etapa de passar a água de alimentação através de uma biocamada que compreende esferas de resina e microrganismos vivos para produzir água tratada por biocamada, em que (a) ovolume de espaços vazios livres normalizado para área na biocamada é de 0,018 m?/m? ou menos; (b) adensidade de empacotamento na biocamada é de 0,68 a 0,98; (c) a relação entre a área da superfície exterior das esferas de resina e o volume total de espaços vazios livres da biocamada é inferior a 2,0 a 50 m2/L; (d) a velocidade da água através da biocamada é de 100 a

1.500 volumes de biocamada por hora; e (e) o número de Reynolds do fluxo através da biocamada é de 0,10a3,0.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a biocamada está localizada em um recipiente, em que o recipiente também contém uma camada de esferas, em que a camada de esferas compreende esferas de resina que são idênticas às esferas de resina localizadas dentro da biocamada, em que a camada de esferas não compreende microrganismos, e em que a água tratada por biocamada passa através da camada de esferas para produzir água tratada por esferas.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o método compreende adicionalmente a etapa de passar a água tratada por esferas através de um tratamento de osmose reversa para produzir água tratada por OR.

4. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a biocamada tem um comprimento L, em que a camada de esferas tem um comprimento LE e em que a razão LE:L é 2:1 ou maior.

5. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a água de alimentação entra no recipiente através de uma entrada e a água tratada por esferas deixa o recipiente através de uma saída, e em que o método compreende adicionalmente a etapa subsequente de retrolavagem, que compreende forçar uma solução aquosa de retrolavagem para dentro do recipiente através da saída, de modo que a água passe pela camada de esferas, passe pela biocamada e saia do recipiente pela entrada.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o número de Reynolds é de 0,30 a 1,10.