ES2292575T3 - Procedimiento para el tratamiento de agua contaminada mecanica, organica y/o biologicamente. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para el tratamiento de agua contaminada mecánica, orgánica y/o biológicamente, que comprende por lo menos un reactor cargado mediante bombas de llenado con el agua que hay que tratar así como un ionizador conectado al reactor con compresor conectado corriente arriba para la introducción de iones de oxígeno positivos y negativos, bajo una presión de 1, 2 a 3, 5 bar, a través de vidrio fritado, en el reactor, caracterizado porque el ionizador comprende por lo menos un elemento de ionización, el cual está formado por mallas de ánodo y cátodo de gran superficie y que presenta unas conexiones eléctricas para la aplicación de una corriente continua de 3 - 6 kV, así como de un diferenciador, en el cual en un marco de carcasa provisto con suministros de corriente está encerrado, debajo de dos placas de vidrio, una malla de cátodo, encontrándose a ambos lados de las placas de vidrio una malla de ánodo, y en el cual están previstos unos polos de corriente para la polaridad selectiva para el control de la dirección de carga de los iones de aire, y porque al reactor están conectados corriente arriba y corriente abajo de varios filtros.

Description

Procedimiento para el tratamiento de agua contaminada mecánica, orgánica y/o biológicamente.

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para el tratamiento de agua contaminada mecánica, orgánica y/o biológicamente (agua no depurada) mediante tratamiento intensivo del agua con aire como oxidante.

El tratamiento de agua contaminada mecánica, orgánica y/o biológicamente es un problema importante de la protección del medio ambiente y de la obtención de agua. Por este motivo existe un gran número de métodos de tratamiento del agua.

Muchos procedimientos de tratamiento del agua se basan en la adición de cloro o gas de cloro, peróxido de hidrógeno u otros oxidantes. Son también conocidos procedimientos eléctricos para la adición de cloruro sódico.

Todos los procedimientos tienen hasta ahora la desventaja de la adición de aditamentos químicamente activos o de la utilización de cantidades apreciables de energía eléctrica. Precisamente la adición de productos químicos especiales puede encerrar efectos negativos.

El documento US-A-5.527.459 da a conocer un procedimiento para el tratamiento de agua contaminada biológicamente mediante el tratamiento del agua con aire. El aire es cargado, mediante ionización de moléculas de oxígeno a una tensión de 3-5 kV, con iones de oxígeno positivos y negativos y es distribuido mediante un difusor de vidrio en finas burbujas en el agua. Un compresor de aire procura la presión. El aire ionizado no debe contener ozono en el instante del tratamiento, de lo que se ocupa un catalizador de descomposición de ozono.

El problema que se plantea la invención consiste por ello de formar de tal manera un procedimiento de tratamiento de agua mediante la utilización de iones de oxígeno y un dispositivo correspondiente, que se evite ampliamente una formación de ozono y se consiga un grado de ionización elevado.

Según la invención este problema se resuelve con un dispositivo según las características de la reivindicación 1 y un procedimiento según las características de la reivindicación 4. De las reivindicaciones dependientes resultan perfeccionamientos ventajosos de la invención.

El tratamiento de agua contaminada mecánica, orgánica y/o biológicamente (agua no depurada) mediante tratamiento intensivo del agua con aire como oxidante tiene lugar, dicho con otras palabras, gracias a que

-

el agua no depurada es conducida a través de filtros a un reactor,

-

el aire activado con iones de oxígeno positivos y negativos en un ionizador mediante carga electrostática del aire

-

es conducido, sometido a una presión de 1,2 a 3,5 bar, a través de fritas, durante varios minutos a través del reactor lleno con el agua no depurada, y

-

el agua no depurada es conducida de forma en sí conocida a través de filtros al reactor,

-

el aire activado con iones de oxígeno positivos y negativos en un ionizador con una tensión nominal de 3 a 6 kilovoltios (kV) mediante carga electrostática del aire,

-

controlándose, mediante polaridad selectiva en un diferenciador, la dirección de la carga en iones positivos o negativos,

-

es conducido, sometido a una presión de 1,2 a 3,5 bar, a través de fritas, durante varios minutos a través del reactor lleno con agua no depurada, y

-

el agua tratada de esta manera es depurada de forma en sí conocida mediante filtros siguientes.

Mediante la descarga de las moléculas de oxígeno existentes en el aire se generan iones cargados positiva y negativamente. Los iones de aire cargados tienen la propiedad de neutralizar en el agua su carga rápidamente con un compañero oxidable (sustancias inorgánicas u orgánicas).

\newpage

El ámbito de trabajo del procedimiento está limitado a una zona de iones del potencial oxidado en oxígeno ionizados:

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1

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El tránsito de iones de aire activos a ozono tiene lugar muy rápido en caso de influencia de grandes cantidades de energía. Dado que los efectos de descomposición y con ello el efecto de depuración mediante ozono es mucho menor que mediante moléculas de oxígeno ionizadas, lo que importa en el procedimiento es alcanzar la zona estrecha de las moléculas de oxígeno ionizadas mediante las condiciones de la ionización. Estas son garantizadas mediante un sistema de regulación para el ionizador concebido de forma óptima y una zona de trabajo sensibilizada del suministro de tensión 3-6 kV.

Cualquier cantidad de ozono generada, por pequeña que sea, significa una pérdida de iones de oxígeno activamente generados. La primera porción de oxígeno disponible en el aire debe ser utilizada, lo mejor posible, para la generación de iones de aire.

Antes de la utilización del procedimiento para el tratamiento de agua no depurada debería tener lugar un extenso análisis del agua no depurada. En correspondencia con el resultado obtenido con él, se fijan las condiciones especiales del procedimiento. Esto conduce a que, dependiendo del caso de aplicación, antes del procedimiento propiamente dicho, el agua no depurada circule por diferentes filtros, es decir filtro de depuración basta de agua no depurada, filtro de lecho de grava y/o filtro de carbón activado.

En caso de agua sin depurar fuertemente contaminada se extraen por filtración mediante un filtro de cartucho contaminantes bastos, flocados y en suspensión. A continuación un filtro de lecho de grava y de arena retira contaminantes finos del agua sin depurar. Éste debería disponer de un automatismo de flujo reversible especial el cual, de manera individual, dependiendo del grado de contaminación, someta, dependiendo del tiempo, a flujo reversible al filtro de lecho de grava-arena. Una etapa final de filtro de carbón activado retira ya los primeros contaminantes
químicos.

La generación de iones de aire positivos y negativos, dependiendo de la exigencia de la sustancia química o biológica que haya que descomponer, se consigue mediante una corriente continua de 3 a 6 kilovoltios (kV). El tiempo de permanencia del aire en el módulo de ionización es entonces de aproximadamente 0,5 a 6 s, preferentemente 1 a
3 s.

Una variante de tensión preferida consiste en trabajar con un suministro de baja tensión de 12 V. Al mismo tiempo la cantidad de energía necesaria se puede generar a partir de luz solar o diurna. A partir de la baja tensión de 12 V se genera entonces, a través de 220 V, a través de una regulación electrónica, la tensión de funcionamiento de 3 a 6 kV (Fig. 4).

De esta manera se consigue un grado de ionización de las moléculas de oxígeno de aproximadamente 90 a 96% en volumen.

Los reactores para la transformación del aire ionizado con el agua no depurada están reunidos en un bloque de reactor. Están estructurados de tal manera que el aire con los iones cargados es conducido mediante compresores desde abajo al interior del agua no depurada. Estos se dispersan con el agua no depurada y dejan con ello que tenga lugar la oxidación natural.

Con el fin de conseguir una acción intensiva con el aire activado con iones de oxígeno, la entrada en el reactor tiene lugar en una superficie extensa mediante vidrio fritado a una presión de 2,0 a 2,5 bar. Aquí ha dado buenos resultados un perlador de vidrio Duran.

Dependiendo del caso de aplicación, habría que elegir de tal manera la relación entre las aberturas de poro de vidrio fritado y la presión empleada, que las burbujitas de aire que se formen tengan un diámetro de 0,1 a 2,0 mm, preferentemente de 0,1 a 0,9 mm.

El dispositivo (esquema de la instalación según la Fig. 1) para el tratamiento de agua contaminada mecánica, orgánica o biológicamente (agua no depurada) consta de

-

combinación de diferentes disposiciones de filtros (2, 4 y 5),

-

bombas de llenado (3),

-

ionizador (7) con cátodos y ánodos de gran superficie y entradas y salidas para aire para la ionización parcial de aire, constando el ionizador de

a)

un elemento de ionización (Fig. 2) circulado por aire con en cada caso una malla de ánodo (3) y malla de cátodo (4) de gran superficie en una carcasa (2) con suministros de corriente (1) y conducciones de entrada y de salida de aire y

b)

un diferenciador (Fig. 5) en el cual, en un marco de carcasa (1) con suministros de corriente (5), está encerrado una malla de cátodo (2) debajo de dos placas de vidrio (4) y a ambos lados de la placa de vidrio se encuentra en malla de ánodo,

-

unos reactores (8) con entradas y salidas para agua y el aire ionizado, siendo introducido el aire bajo presión en una superficie extensa a través de vidrio fritado (9),

-

un filtro siguiente (11) y un tanque de agua acabada (12),

y los módulos individuales son conectados mediante tuberías y las corrientes de sustancia son controladas mediante válvulas (V 1 a V 5) y sensores (S 1 y 2).

Mediante la disposición de varios elementos de ionización situados uno tras otro, formados por una rejilla de acero fino y una lámina de acero fino, se genera una gran superficie para la carga selectiva de iones de aire. Por consiguiente se cargan, mediante una corriente lenta del aire, de la mejor manera posible las moléculas de oxígeno existentes. Al mismo tiempo es importante una superficie de reacción más de 5 veces superior con respecto a la superficie normal en las medidas exteriores.

Gracias a ello la potencia de ionización del nuevo ionizador con el diferenciador (Fig. 5) es, para una abertura de malla de aproximadamente 0,8 mm, diámetro de malla 0,63 mm, frente a los ionizadores conocidos hasta ahora, los cuales poseen para la ionización únicamente la superficie exterior de un tubo de vidrio o la superficie de sección transversal libre, de más de 5 veces la potencia frente a procedimientos convencionales. El diferenciador genera, dependiendo de las exigencias de la calidad del agua, el equilibrio entre iones de aire positivos y negati-
vos.

Los reactores (v. Fig. 3) individuales constan

-

una envoltura de reactor exterior 2,

-

un tubo interior de reactor 5 con orificios de paso 6 y un vidrio fritado 7 en el extremo inferior,

-

tubuladura 8 inferior para el suministro de aire y tubuladura 1 superior para la evacuación de aire,

-

tubuladura de entrada de agua 10 y tubuladura de salida de agua 3 dispuestas lateralmente, y

-

atornilladuras 4 y obturaciones 9.

Como vidrio fritado se utiliza, de forma adecuada, un perlador de vidrio Duran.

El procedimiento y el dispositivo resultan del esquema de la instalación representado a título de ejemplo en la Figura 1. En él significan:

1.

cesto de aspiración de agua no depurada

2.

filtro de depuración basta de agua no depurada

3.

bombas de llenado de reactores

4.

filtro de lecho de grava con automatismo de flujo reversible

5.

filtro de carbón activado

6.

bloque de compactador

7.

ionizador

8.

columnas de reactor

9.

fritas, perlador de vidrio Duran

10.

bomba de circulación

11.

filtro final de carbón activado

12.

tanque de agua acabada

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V.1

válvula de entrada antes del filtro de depuración basta

V.2

válvula de llenado de reactores

V.3

válvula de aire adicional de reactor

V.4

válvula de salida de reactores

V.5

válvula de sobrepresión-reducción de la presión

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S.1

sensor de llenado del reactor

S.2

sensor de estado de almacenamiento

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Sobre la base de este esquema el procedimiento se puede explicar, a título de ejemplo, como sigue.

El agua no depurada, la cual está contaminada con sustancias mecánicas, bacteriológicas u orgánicas es conducida, mediante la bombas de llenado (3), a través de la cesta de aspiración (1) y la válvula de entrada (V.1), al filtro de depuración basta (2). Al mismo tiempo el filtro de depuración basta tiene una penetrabilidad de 0,1 mm. Cuando el agua no depurada ha pasado las bombas de llenado (3), se conduce ésta, a través de un filtro de lecho de grava con automatismo de flujo reversible (4), grado de filtro 80 Mm, y un filtro de carbón activado (5) posterior, a la fila de reactores (8), a través de la válvula de llenado de reactor (V.2). En el filtro de carbón activado son absorbidos los primeros contaminantes químicos del agua.

Finalizado el llenado de la fila de reactores (8) las bombas de llenado (3) son desconectadas por el sensor de llenado (S.1). La válvula de llenado de reactores (V.2) es cerrada. El bloque de compactador (6) genera en el ionizador, (7) con elemento de ionización y diferenciador, una presión de aprox. 2,5 bar. El diferenciador influye al mismo tiempo sobre la carga, guiada por el objetivo, de moléculas de oxígeno y completa la generación de iones de aire positivos y negativos, dependiendo de la calidad del agua. El pH se mantiene asimismo constante respecto al valor de
salida.

Cuando existe la presión mencionada, se abre la válvula de aire adicional de reactor (V.3) y conduce la corriente de aire con moléculas de oxígeno ionizadas, a través de la frita (9) (perlador de vidrio Duran), a la fila de reactores (8). Al mismo tiempo se genera, mediante la corriente de aire ionizado suministrada, una presión de aproximadamente 2,2 bar.

Mediante el vidrio fritado Duran (9) y la presión que aumenta de forma constante en las filas de reactor (8) se consigue una imagen de distribución muy fina. Por consiguiente los iones de aire existentes se dispersan bien en el agua no depurada y desencadenan una oxidación natural. Gracias a la construcción de contracorriente de la fila de reactor (8) se consigue, también en el funcionamiento continuo de la instalación, un tiempo de permanencia muy prolongado con una intensidad de reacción lo mayor posible. Para garantizar una presión de instalación constante se reduce la sobrepresión, a partir de un aumento de la presión por encima de 2,2 bar, a través de la válvula de reducción de la presión (V.5). El aire de reacción escapado puede ser emitido sin problemas al entorno. Para el apoyo de la reacción uniforme en todas las filas de reactor (8) se conecta adicionalmente una bomba de circulación
(10).

Transcurrido el tiempo de reacción se abre la válvula de vaciado de reactores (V.4). Al mismo tiempo se cierra la válvula de reducción de la presión (V.5). La bomba de circulación (10) se desconecta a la finalización del tiempo de reacción ajustado. Gracias a la presión ya existente y a la introducción adicional de la corriente de iones de aire, se vacía rápidamente la fila de reactores. El agua tratada es conducida a través del cartucho de filtro final de carbón activado (11). A continuación el agua acabada es conducida al tanque de almacenamiento (12). En el tanque de almacenamiento (12) se encuentra el sensor de valor límite (S.2) el cual desconecta la totalidad de la instalación en caso de llenado máximo del tanque de almacenamiento.

Si se retira una cantidad discrecional de agua, la instalación se conecta de nuevo hasta el llenado máximo de la instalación.

La Fig. 4 muestra un esquema de regulación para la generación de tensión de 3 a 6 kV; en él significan

1

triac (relé de carga electrónico)

2

optoacoplador

3

módulo de salida

4

parte de carga con conmutación escalonada

5

módulo de entrada (ondulador)

6

convertidor de frecuencia

7

conmutador central de un pulso

9

conmutador escalonado

10

fototransistor

11

fotobugristor

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Breve descripción

1. A la entrada es alimentado por el módulo de entrada (5) (un ondulador sinusoidal 12 V/220 V) un transformador de red 220/400 V. El escalón de tensión 400 V \sim es utilizado para el control del optoacoplador (2) y del triac (1). El escalón de tensión 220 V va hasta la alimentación de la parte de carga con conmutación escalonada (4) 220V/
3-6 kV.

2. El triac (1) (relé de carga) es controlado a través de un optoacoplador (2) (elemento de transmisión de señal) paralelamente por un conmutador central de un pulso (7). El conmutador central de un pulso es responsable del funcionamiento continuo. Mediante una frecuencia de ciclo del convertidor de frecuencia (6) del fototransistor (10), entrada del emisor de luz y fotobugristor (11), salida del receptor de luz se suministra una tensión de rampa. Cuando la tensión de rampa y la tensión de control son iguales se da una excitación para el triac. El ciclo de emisión de impulsos vale:

f_{max} \leq 30\ s^{-1}

I_{max} \leq 1\ A

La duración de impulso puede ser modificada mediante un conmutador escalonado (9). El triac controla a la salida un transformador 220/3 - 6 kV.

La Figura 2 muestra, a título de ejemplo, la estructura de un elemento de ionización. Aquí significan:

1.

conexiones eléctricas (200-240 voltios) de corriente continua

2.

marco de la carcasa

3.

malla de ánodo

4.

malla de cátodo

5.

dispositivo para la tensión mecánica de la malla de ánodo y cátodo

6.

dirección del aire

Gracias a la pequeña distancia entre la malla de ánodo y la malla de cátodo tiene lugar un rápido intercambio de carga. Gracias a ello las moléculas de oxígeno que circulan por delante son cargadas rápidamente. El mejor separador de carga posible es, como se sabe, el aire. Por consiguiente se consigue una transferencia de carga óptima a la molécula de oxígeno. La ventaja de este elemento de ionización radica en:

-

transferencia de carga óptima a la molécula de oxígeno

-

complejidad de mantenimiento extraordinariamente pequeña

-

el aprovechamiento de la energía mejor posible del suministro de tensión

-

desgaste de descarga coronaria extraordinariamente pequeño

-

transferencia de carga de gran superficie con gran eficiencia

-

duración útil muy larga

La Figura 5 muestra la estructura, a título de ejemplo, del diferenciador. La parte superior muestra el marco de carcasa con la placa en la vista superior, la parte inferior una sección transversal. Aquí significan:

1

marco de carcasa hecho de epoxi de fibra de aramida

2

malla de cátodo realizada en acero fino con una abertura de malla de 0,6 a 0,8 mm

3

malla de ánodo realizada en acero fino con una abertura de malla de 0,5 a 0,63 mm

4

placa de vidrio de silicato Duran de 1,2 a 1,7 mm

5

polos de tensión para el suministro de energía del diferenciador

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Forma de funcionamiento

El aire circula por delante del diferenciador.

Mediante polaridad selectiva del ánodo y el cátodo se controla la dirección de carga de las moléculas de oxígeno en iones de aire positivos y negativos. Por consiguiente el estado de carga el cual es generado primero por el módulo de ionización, es sensibilizado en dirección preferentemente positiva o negativa, dependiendo de la necesidad del potencial de ionización en el agua no depurada. Esto garantiza una medida máxima de aprovechamiento de la energía de generación y una adaptación óptima del proceso de oxidación.

La Figura 3 muestra, a modo de ejemplo, una sección a través de una columna de reactor con los siguientes signos de referencia

1.

tubuladura de aire de salida/salida de aire de escape

2.

envoltura de reactor PN 10

3.

salida de agua acabada

4.

atornilladura PN 10

5.

tubo interior de reactor

6.

orificios de paso

7.

frita. Perlador de vidrio Duran

8.

tubuladura de aire adicional de reactor

9.

juego de obturación para tubo interior de reactor

10.

tubuladura de entrada para agua no depurada

Con la ayuda del procedimiento según la invención se oxidan de forma rápida y eficaz hidrocarburos y sus compuestos químicamente afines. Gracias al elevado potencial de oxidación de los iones de aire se desintegran también envolturas de bacterias y se destruyen, por consiguiente, de forma persistente. Las sustancias húmicas disueltas en el agua están entre las sustancias más difíciles de descomponer en el tratamiento de agua potable. Aquí se obtienen también buenos resultados.

Al contrario que en el procedimiento con utilización de ozono, el procedimiento según la invención necesita cantidades de energía menores. La demanda total de energía es de aprox. 1,2 vatios/l de agua no depurada con un nivel medio de contaminación.

Mediante el procedimiento desarrollado se consigue una intensidad de oxidación alta. Hasta ahora se consideraba al ozono como el mejor oxidante posible. Sin embargo, la efectividad del procedimiento (por ionización) según la invención es decididamente mayor. Esto resulta de la siguiente tabla de efectos de descomposición (en %):

100

Según la invención se consigue también el tratamiento de agua potable a partir de agua no tratada la cual está contaminada con herbicidas. Uno de los representantes principales de estos herbicidas de triacina es la atracina. La capacidad de descomposición en la naturaleza es prácticamente cero. La siguiente tabla los buenos resultados en la descomposición de estos herbicidas de triacina:

101

El procedimiento es asimismo exitoso para el tratamiento de agua de baño y piscina las cuales, a causa de una adición notable de cloro, conducen a otras contaminaciones como clorofenoles. Aquí se detectan tiempos de descomposición muy breves, como se desprende de la tabla siguiente (concentración en mg/l):

102

Claims (9)

1. Dispositivo para el tratamiento de agua contaminada mecánica, orgánica y/o biológicamente, que comprende por lo menos un reactor cargado mediante bombas de llenado con el agua que hay que tratar así como un ionizador conectado al reactor con compresor conectado corriente arriba para la introducción de iones de oxígeno positivos y negativos, bajo una presión de 1,2 a 3,5 bar, a través de vidrio fritado, en el reactor, caracterizado porque el ionizador comprende por lo menos un elemento de ionización, el cual está formado por mallas de ánodo y cátodo de gran superficie y que presenta unas conexiones eléctricas para la aplicación de una corriente continua de 3 - 6 kV, así como de un diferenciador, en el cual en un marco de carcasa provisto con suministros de corriente está encerrado, debajo de dos placas de vidrio, una malla de cátodo, encontrándose a ambos lados de las placas de vidrio una malla de ánodo, y en el cual están previstos unos polos de corriente para la polaridad selectiva para el control de la dirección de carga de los iones de aire, y porque al reactor están conectados corriente arriba y corriente abajo de varios filtros.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el reactor comprende

-

una envoltura de tubo exterior,

-

un tubo interior de reactor con orificios de paso y un vidrio fritado en el extremo inferior,

-

unas tubuladuras de entrada de agua y unas tubuladuras de salida de agua dispuestas lateralmente, así como

-

unas atornilladuras y obturaciones.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el vidrio fritado cierra por abajo el fondo del reactor de la pared interior y está realizado en vidrio Duran®.

4. Procedimiento para el tratamiento de agua contaminada mecánica, orgánica y/o biológicamente con un dispositivo según la invención 1, mediante tratamiento intensivo con un aire ionizado como oxidante en un ionizador, a una tensión nominal de 3 a 6 kV, en iones de oxígeno positivos y negativos e introducido, sometido a una presión de 1,2 a 3,5 bar, a través de vidrio fritado, en finas burbujas, en el agua que se encuentra en un reactor, caracterizado porque la ionización del aire tiene lugar, en una circulación lenta, con un tiempo de permanencia de 0,5 a 6 segundos entre mallas de ánodos y mallas de cátodos de gran superficie, dispuestas a poca distancia, de un ionizador formado por uno o varios elementos de ionización dispuestos unos tras otros, por los que circula aire, y el diferenciador asignado a éste, y en el diferenciador, mediante polaridad selectiva de sus mallas de ánodos y cátodos, se genera un estado de carga, guiado por el objetivo final, de los iones de aire positivos y negativos en correspondencia con la calidad del agua, siendo el agua filtrada antes y después del tratamiento.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la tensión nominal es generada a partir de una baja tensión de 12 V, a través de 220 V y después mediante una regulación electrónica.

6. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la ionización del aire tiene lugar en un ionizador a una presión de aproximadamente 2,5 bar.

7. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque el tiempo de permanencia del aire en el ionizador es de 1 a 3 s.

8. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque el aire es ionizado parcialmente en el ionizador, alcanzándose un grado de ionización de 90 a 96% en volumen.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 8, caracterizado porque el suministro del aire ionizado al interior del agua que hay que tratar tiene lugar a través de vidrio fritado a una presión de 2,0 a 2,5 bar, estando seleccionada la relación de las aberturas de poro de vidrio fritado con respecto a la presión de tal manera que las burbujitas de aire introducidas en el agua que hay que tratar tienen un diámetro de 0,1 a 2,0 mm.