ES2235983T3 - Sistema de filtracion de membrana sumergida y proceso de sobreflujo. - Google Patents

Sistema de filtracion de membrana sumergida y proceso de sobreflujo.

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ES2235983T3 ES00975724T ES00975724T ES2235983T3 ES 2235983 T3 ES2235983 T3 ES 2235983T3 ES 00975724 T ES00975724 T ES 00975724T ES 00975724 T ES00975724 T ES 00975724T ES 2235983 T3 ES2235983 T3 ES 2235983T3
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Abstract

Un proceso para filtrar agua que comprende la repetición de un ciclo de filtrado que tiene: (a) una etapa de permeación en la que (i) el agua de suministro entra en un depósito; y (ii)un volumen similar de material filtrado es extraído del depósito mediante succión sobre una superficie interior de membranas de filtraje sumergidas dispuestas en módulos (10); y (b) una etapa de desconcentración, en la que (iii) las burbujas de limpieza se elevan a través de los módulos; (iv) las membranas se limpian con la contracorriente con el material filtrado, o bien se proporciona una flujo de agua de suministro desde la parte inferior de las membranas, o ambas cosas; de forma tal que (v) el agua que contenga las partículas sólidas circule hacia arriba a través de los módulos para salir del depósito desde un punto situado por encima de los módulos.

Description

Sistema de filtración de membrana sumergida y proceso de sobreflujo.
Campo de la invención
Esta invención está relacionada con un sistema de filtración que utiliza membranas sumergidas de filtrado controladas por succión para filtrar agua, por ejemplo, para filtrar agua de superficie para producir agua potable, y con un método de operación de dicho sistema.
Antecedentes de la invención
En la figura 1 se muestra un sistema de filtración de agua de membrana sumergida. Un depósito abierto (a) retiene un modulo de membranas (b) sumergido en el agua (c) del depósito. El agua de suministro a filtrar circula en el depósito, típicamente de forma continua. La succión sobre una superficie interna de las membranas en el módulo de membranas (b) extrae el agua filtrada que haya sido filtrada a través de las paredes de las membranas. Los partículas sólidas serán rechazadas por las membranas y siendo acumuladas en el agua del depósito (c). El material retenido de partículas sólidas es drenado de forma continua o periódica del depósito.
El módulo de membranas (b) es limpiado en parte por el lavado de agua de contracorriente y por aireación. En el lavado por agua de contracorriente, el liquido del lavado de contracorriente (típicamente el agua de filtrado o bien dicha agua con un aditivo químico) es bombeado dentro de los espacios interiores de las membranas y haciendo que circule dentro del agua del depósito (c). En la aireación, se crean burbujas de aire en un aireador (d) montado por debajo del módulo de membranas (c). Las burbujas de aire agitan y frotan las membranas y crean un efecto de elevación del aire. El efecto de elevación del aire desplaza el agua del depósito (c) según un patrón de recirculación (e) hacia arriba a través del módulo de membranas (b) y en un bajante (f) a través de los espacios entre el perímetro del módulo (b) y los lados del depósito (a). El agua del depósito (c) que circula en el patrón de recirculación (e) limpia además físicamente las membranas y dispersa el agua rica en partículas sólidas cerca del módulo de membranas (b).
El documento DE-29620426-U expone un proceso de separación que comprende la filtración de agua a través de módulos sumergidos de fibra hueca distribuidos horizontalmente en un depósito con un patrón de circulación de agua por medios de la aireación y distribución del flujo de suministro desde la parte inferior de los módulos y con el reflujo periódico del material filtrado. Los lodos se extraen del fondo del depósito.
El documento DE-1034835-A expone un dispositivo birreactor de membranas con una línea de suministro, módulos sumergidos de membranas en un depósito, un ciclo de agua de contracorriente de limpieza del filtrado y un aireador por debajo de los módulos. Se sitúa además una descarga de los lodos por encima de los módulos para ajustar la concentración del lodo en el depósito.
El documento JP-09220569 expone un dispositivo de filtrado con una línea de suministro, módulos sumergidos de membranas en un depósito, con un ciclo de agua de agua de contracorriente y un aireador por debajo de los módulos. Se encuentra situada una descarga de lodos por encima de los módulos.
Sumario de la invención
Es un objeto de la presente invención el mejorar el arte previo. Este objeto se cumple mediante la combinación de las características, etapas o ambas que se exponen en las reivindicaciones adjuntas, exponiendo las reivindicaciones dependientes las realizaciones ventajosas de la invención.
En varios aspectos de la invención, el sistema de filtrado que tiene membranas sumergidas de filtrado controladas por succión se utiliza para filtrar agua que contenga bajas concentraciones de partículas sólidas en suspensión, por ejemplo, para filtrar el agua de superficie para generar agua potable. Se proporciona un proceso para operar dicho sistema.
Los módulos de membranas están dispuestos en un depósito abierto a la atmósfera y que llena la mayor parte de su sección transversal horizontal. La parte superior del depósito incluye un volumen directamente por encima de los módulos. Esta parte superior del depósito está provista con una salida de material retenido del depósito. El agua del depósito que no es extraída como filtrada circula fuera del depósito a través de la salida de materiales retenidos.
El material retenido es extraído por succión sobre una superficie interna de las membranas, preferiblemente con un flujo entre 10 y 60 l/m^{2}/h, más preferible entre 20 y 40 l/m^{2}/h. El agua de suministro se añade al depósito a una velocidad que substancialmente sea igual a la velocidad con la que se extrae el volumen filtrado. Así pues, durante la permeación fluye poco agua por la salida, y el nivel del agua del depósito permanece por encima de las membranas.
La permeación se detiene periódicamente para la etapa de la desconcentración. Durante la etapa de desconcentración, las membranas son lavadas con agua de contracorriente, y el flujo de suministro se proporciona desde la parte inferior de los módulos o por ambas partes. El agua del depósito se eleva a través de los módulos, y el nivel de agua en el depósito se eleva y el agua del depósito que contiene sólidos (denominados como retenciones) circula fuera por la salida de las retenciones para desconcentrar el agua del depósito. La aireación con burbujas de limpieza se proporciona durante la etapa de desconcentración.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una representación esquemática de un sistema de filtrado del arte previo.
La figura 2 es una representación esquemática de un reactor de filtrado fabricado de acuerdo con una realización preferida de la presente invención.
La figura 3 es una vista en planta de un reactor de filtrado fabricado de acuerdo con una realización preferida de la presente invención.
Descripción detallada de las realizaciones
Con referencia a la figura 2, se encuentran apilados tres módulos de membranas 10 en la parte superior entre sí en un depósito 12. El depósito 12 está abierto a la atmósfera aunque puede estar cubierto con una tapa ventilada 13. Los módulos de membranas 10 pueden contener membranas de hojas planas o de fibras huecas con unas dimensiones de los poros en el rango de la microfiltración o ultrafiltración, preferiblemente entre 0,003 y 10 micras y más preferible entre 0,01 y 1,0 micras. La superficie más interna de las membranas esta conectada a una o más cabeceras. El aireador 14 está montado por debajo de los módulos de membranas 10. El aireador 14 está conectado a una tubería de suministro de aire 14 que a su vez está conectada a un suministro de aire, nitrógeno o bien otro gas adecuado. Los módulos de membranas 10 incluyen, dentro de su área de la sección transversal horizontal, canales para el agua y las burbujas de aire para que fluyan verticalmente a través de los módulos de membranas 10 para agitar o limpiar las membranas. Cuando los módulos de membranas 10 están apilados en la parte superior entre sí, se encuentran alineados de forma tal que el agua pueda fluir verticalmente a través del apilamiento.
Preferiblemente, los módulos de membranas 10 contienen membranas de fibras huecas orientadas horizontalmente y montadas en un estado ligeramente aflojado entre los pares de cabeceras que se extienden verticalmente y separadas horizontalmente. Un ejemplo está formado por varios elementos situados lado con lado, en donde cada elemento tiene un gran numero de fibras de entre 0,2 y 1,0 mm de diámetro exterior y entre 0,2 m y 1,0 m de longitud (siendo utilizada la longitud más corta para las fibras de diámetro menor, y la longitud más larga utilizándose para las fibras de diámetro mayor) conectadas en ambos extremos de una cabecera pero con la extracción del volumen filtrado de solo una cabecera. Los elementos pueden ser separados por placas verticales impermeables. Dichos módulos pueden proporcionar de 500 a 1500 m^{2} de área superficial de la membrana por cada m^{2} de área de la sección transversal de un gran depósito municipal o comercial, y existiendo un sistema de canales mínimos o zonas muertas cuando el agua del depósito circule a través de los módulos.
Los módulos de membranas 10 están dimensionados y posicionados para llenar la mayor parte del área de la sección transversal horizontal del depósito 12, dejando espacio libre solo para los accesorios necesarios y demás aparato y para el mantenimiento o procedimientos de configuración. No se encuentra previsto espacio libre para los bajantes fuera del perímetro de los módulos 10 y están provistas pantallas si fuera necesario para bloquear el flujo de bloques a través de cualquier espacio dejado para los accesorios, etc., o bien fuera del perímetro de los módulos de membranas 10. Preferiblemente más del 90%, más preferible substancialmente en su totalidad de toda el área de la sección transversal horizontal del depósito 12 está llena con los módulos de membranas 10.
La tubería de volumen filtrado conecta las cabeceras de los módulos de membranas 10 a los medios para extraer el volumen filtrado por succión sobre las superficies interiores de las membranas y los medios del agua de contracorriente. Dichos medios son conocidos en el arte y permiten que la tubería del volumen filtrado 18 se pueda utilizar bien para extraer el volumen filtrado del depósito 12 o para hacer fluir un líquido de contracorriente (típicamente del volumen filtrado o bien mezclado con un producto químico) en una dirección inversa a través de las membranas y dentro del depósito 12, en el cual el liquido de contracorriente llega a ser parte del agua del depósito 36.
Una parte superior 20 del depósito 12 está provista con una salida de material retenido 22 que tiene un área de sobreflujo 24 conectada a una tubería de drenaje 26 para eliminar el material de retención del depósito 12. La salida del material retenido 22 incorpora preferiblemente un sobreflujo o aliviadero 28, el cual ayuda a la espuma creada por aireación para que circule en el área de sobreflujo 24 (que en caso contrario seria un problema de limpieza y seguridad). La salida del material retenido 22 tiene también preferiblemente una capacidad suficiente para liberar los flujos esperados de material de retención de forma rápida para reducir el espacio libre del depósito 12.
El agua de suministro entra en el depósito 12 a través de una primera entrada 30 o una segunda entrada 32 según lo determinen las válvulas de alimentación 34. Una vez en el depósito 12, el agua de suministro puede denominada como agua del depósito 36 que circula generalmente hacia arriba o hacia abajo a través de los módulos de membrana 10.
El ciclo de filtración tiene una etapa de permeación seguida por una etapa de desconcentración y repitiéndose muchas veces entre el mantenimiento intensivo o los procedimientos de limpieza de recuperación. La etapa de permeación dura típicamente aproximadamente de 15 a 60 minutos, preferible de 20 a 40 minutos y se lleva a cabo en la ausencia de la aireación. El flujo del material filtrado está preferiblemente entre 10 y 60 l/m^{2}/hora, más preferible entre 20 y 40 l/m^{2}/hora, en el que el área superficial de las membranas de fibra huecas está basada en el diámetro exterior de las membranas.
Durante la permeación, se añade agua de suministro al depósito 12 desde una de las entradas 30, 32 a substancialmente la velocidad a la cual se extrae el material filtrado. El agua del depósito 36 circula a través de los módulos de membranas 10 para reemplazar en general el volumen filtrado conforme se extrae del depósito 12. Así pues, durante la permeación circula poca agua o ninguna 36 por la salida del volumen de agua filtrada 22, y el nivel del depósito de agua 36 permanece por encima de las membranas. Si el modulo de membranas 10 actúa en cierta medida como un filtro de medios (al igual que algunos módulos de membranas 10 de membranas de fibras huecas empaquetadas juntas y orientadas horizontalmente), el suministro de agua entra preferiblemente en el depósito 12 a través de la segunda entrada 32. De esta forma, los sólidos en algunas aguas de suministro están depositados preferencialmente en el módulo de la membrana superior 10, más cerca de la salida del material de retención 22, y en donde la velocidad ascendente del agua del depósito 36 durante la etapa de desconcentración será la mayor, tal como se expondrá más adelante. Esta configuración es útil también en la reinstalación de filtros de arena que se configuran típicamente para recibir el suministro desde la parte superior para tener una contracorriente desde abajo. Para otros módulos de membranas 10, instalaciones o aguas de suministro, la primera entrada 30 puede ser utilizada durante la permeación.
La etapa de desconcentración comienza cuando se detiene la permeación y dura aproximadamente 20 a 90 segundos, preferiblemente de 30 a 60 segundos. Durante la etapa de la desconcentración, se generan burbujas de limpieza en el aireador 14 y elevándose a través de los módulos de membranas 10. Adicionalmente se llevan a cabo una o ambas etapas de lavado de agua de contracorriente y de enjuagado del suministro. Para enjuagar con agua de suministro, el suministro entra en el depósito 12 a través de la primera entrada 30 creando un exceso de agua del depósito 36, que se eleva hacia arriba a través de los módulos de membranas 10. La velocidad de flujo del agua de suministro durante el enjuagado es típicamente de entre 0,5 y 2, preferible entre 0,7 y 1,5 veces la velocidad de flujo del agua de suministro durante la permeación. Bien sea con el agua de contracorriente o con el enjuagado, el nivel del agua del depósito 36 se eleva hacia arriba a través de los módulos de membranas 10 y el agua del deposito 36 conteniendo sólidos (denominados como retenciones) circula fuera de la salida de re-
tención 22 para desconcentrar el agua del depósito 36.
En algunos casos, la velocidad ascendente del agua del depósito 36 puede crear fuerzas sobre las membranas que superen su resistencia, particularmente si se ejecutan simultáneamente un enjuagado y un lavado con contracorriente de nivel fuerte. En esos casos, la velocidad de flujo del agua de suministro o líquido de contracorriente o ambos, puede reducirse para disminuir la velocidad ascendente del agua del depósito 36. Alternativamente, el flujo del agua de suministro puede pararse durante la contracorriente y cualquier enjuago que se esté efectuando, mientras que no exista contracorriente y viceversa. Por ejemplo, el paso de desconcentración puede incluir el lavado de contracorriente preferiblemente con aireación, pero sin el enjuagado del suministro durante una primera parte del paso de desconcentración y el enjuagado del suministro con aireación, pero sin el lavado de contracorriente durante una segunda parte de la etapa de desconcentración. Adicionalmente en forma alternativa, las etapas de desconcentración que incluyan el lavado de contracorriente preferiblemente con aireación pero sin enjuagado del suministro pueden ser ejecutadas en algunos ciclos y pudiéndose ejecutar las etapas de desconcentración que incluyan el enjuagado del suministro preferiblemente con aireación pero sin el lavado de contracorriente en otros ciclos. Podrían utilizarse también otras combinaciones de los anteriores procedimientos.
La aireación se ejecuta típicamente al mismo tiempo que las otras etapas para reducir el tiempo total de la etapa de desconcentración. No obstante, la aireación puede ser comenzar varios segundos (aproximadamente el tiempo requerido para que una burbuja se eleve del aireador 14 hasta la superficie del agua del depósito 36) antes del lavado con contracorriente o el enjuagado del suministro. Dicha aireación en la ausencia de flujo del agua del depósito 36 (debido a que no se dejó espacio para los bajantes) provoca turbulencias que ayudan a aflojar algunas manchas y hacer flotar algunos sólidos hasta la proximidad de la parte superior del depósito 12 antes de que el material retenido comience a fluir fuera de la salida del material de retención 20.
La aireación durante la etapa de desconcentración no necesita superar la succión para arrancar los sólidos de las membranas y está provista con una velocidad superficial (m^{3}/hora de aire en condiciones estándar por m^{2} del área de la sección transversal del módulo) de entre 25 m/hora y 75 m/hora. Para muchas sino para la mayor parte de las aguas de suministro, particularmente de las aguas de suministro que tienen una turbidez baja y concentraciones de sólidos inferiores a aproximadamente 500 mg/l, no se precisará de una aireación adicional. No obstante, puede proporcionarse una magnitud más pequeña de aireación con agua de suministro escaso durante la permeación para dispersar las partículas sólidas en las zonas muertas en un módulo de membranas 10, y homogeneizar el agua del depósito 36. Para este fin, la aireación se proporciona a una velocidad superficial inferior a 25 m/hora o en forma intermitente a las velocidades más altas anteriormente descritas.
Durante la etapa de la desconcentración, el agua de suministro o liquido de contracorriente introducida en el deposito 12 crea un flujo de agua del depósito 36 hacia arriba a través de los módulos 10. El agua del depósito 36 que circula a través de los módulos de membranas 10 ayuda a eliminar las partículas sólidas aflojadas por las burbujas limpiadoras de los módulos de membranas 10, y actúa también directamente sobre la superficie de las membranas. El agua del depósito 36 circula más rápidamente cerca de la parte superior del depósito 12, lo cual ayuda a reducir las manchas de las membranas superiores cuando los módulos de membrana 10 se apilan, por ejemplo, hasta profundidades de 2 metros o más. Algunas particular sólidas en el agua del depósito 36 pueden tener una velocidad de sedimentación superior a la velocidad del flujo ascendente y pudiendo ser sedimentadas. El volumen de estas partículas sólidas es pequeño y se pueden eliminar de vez en cuando mediante el drenaje parcial del depósito 12 a través del drenaje suplementario 38.
Basándose en un flujo del volumen filtrado de diseño, el flujo requerido de agua de suministro durante la permeación puede ser calculado y suministrado, típicamente mediante el ajuste de una bomba de alimentación o válvula de suministro. Se selecciona entonces la frecuencia e intensidad de los eventos de desconcentración para conseguir la pérdida deseada en la permeabilidad de la membrana a través del tiempo. Si durante el flujo se mantiene la permeación por debajo de aproximadamente 60 l/m^{2}/hora, preferiblemente inferior a 40 l/m^{2}/hora, los inventores han encontrado que se forma muy poca suciedad y que los eventos de desconcentración periódica son suficientes usualmente. Más sorprendentemente, los ahorros de los costos de energía generados mediante una operación con un flujo bajo y una baja aireación compensan el costo de llenado del depósito 12 con los módulos de membranas 10. A pesar del flujo bajo (en comparación con un flujo más típico de 50 a 100 l/m^{2}/hora), se consiguen unas altas velocidades en el depósito (flujo del material filtrado en m^{3}/h dividido por el área de la sección transversal horizontal del depósito en m^{2}), las cuales se comparan favorablemente con filtraje por arena. Adicionalmente, las velocidades de recuperación resultantes son generalmente adecuadas para el filtrado de una sola etapa y son típicamente adecuadas para la primera etapa del filtrado de dos etapas (en donde el volumen filtrado se vuelve a filtrar) incluso con una desconcentración agresiva.
La figura 3 muestra una vista en planta de un reactor de filtrado más grande. Un segundo depósito 200 incluye varios casetes 220, en los que cada uno contiene una pluralidad de módulos de membrana. Están provistos canales abiertos 202 entre los casetes adyacentes 220 para recibir el agua del depósito de sobreflujo en los casetes 210, tal como se expuso anteriormente. Los canales 202 forman una pendiente para el drenado hacia un canal más grande 204, el cual a su vez está inclinado para el drenado hacia una segunda salida 206. La segunda salida 206 tiene una caja de salida 208 para retener temporalmente el agua del depósito descargado antes de que fluya en una tubería de drenaje 210. Al igual que en la realización de la figura 9, el agua de suministro entra en el segundo depósito 200 en un punto por debajo de la casetes 220, aunque varias segundas entradas 212 están fijadas a la cabecera de entrada 214, para proporcionar un abastecimiento distribuido del suministro.

Claims (14)

1. Un proceso para filtrar agua que comprende la repetición de un ciclo de filtrado que tiene:
(a)
una etapa de permeación en la que
(i)
el agua de suministro entra en un depósito; y
(ii)
un volumen similar de material filtrado es extraído del depósito mediante succión sobre una superficie interior de membranas de filtraje sumergidas dispuestas en módulos (10); y
(b)
una etapa de desconcentración, en la que
(iii)
las burbujas de limpieza se elevan a través de los módulos;
(iv)
las membranas se limpian con la contracorriente con el material filtrado, o bien se proporciona una flujo de agua de suministro desde la parte inferior de las membranas, o ambas cosas; de forma tal que
(v)
el agua que contenga las partículas sólidas circule hacia arriba a través de los módulos para salir del depósito desde un punto situado por encima de los módulos.
2. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los módulos (10) recuperan la mayor parte del área de la sección transversal horizontal del depósito.
3. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en el que los módulos cubren más del 90% del área de la sección transversal horizontal del depósito.
4. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 3, en el que los módulos cubren substancialmente toda el área de la sección transversal horizontal del depósito.
5. Un proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que las burbujas limpiadoras comienzan a elevarse antes del lavado con contracorriente.
6. Un proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que las membranas de filtrado son fibras huecas orientadas horizontalmente.
7. Un proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el agua de suministro está provista desde la parte superior a los módulos durante la permeación.
8. Un proceso de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el agua de suministro circula dentro del depósito desde la parte inferior de los módulos durante la desconcentración.
9. Un reactor de filtrado que incluye:
(a)
un depósito (12) abierto a la atmósfera;
(b)
uno o más módulos (10) de membranas de filtrado controladas por succión en el depósito para extraer el material filtrado, cubriendo los módulos más del 90% del área de la sección transversal horizontal del depósito;
(c)
una entrada para añadir agua de suministro al depósito;
(d)
una salida de material retenido (22) para descargar el agua que contenga partículas sólidas retenidas del depósito desde la parte superior de uno o más módulos; y
(e)
un aireador (14) por debajo de uno o más módulos.
10. Un reactor de acuerdo con la reivindicación 9, en el cual la mencionada entrada (30) se introduce en el depósito desde la parte inferior de uno o más módulos.
11. Un reactor de acuerdo con la reivindicación 9 ó 10, en el que los módulos (10) cubren substancialmente toda el área de la sección transversal horizontal del depósito.
12. Un reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que la salida del material retenido incorpora un sobreflujo o aliviadero (24).
13. Un reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en el que las membranas de filtrado son fibras huecas orientadas horizontalmente.
14. Un reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en el que cada módulo está dividido internamente mediante placas verticales impermeables.
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