ES2628072T3 - Tecnologías de control microbiológico híbrido respetuosas con el medio ambiente para torres de enfriamiento - Google Patents

Abstract

Un método para el control microbiológico en sistemas de enfriamiento que comprende: adicionar un biocida a un fluido recirculante que contiene nutrientes, bacterias y sólidos en suspensión; desviar el fluido recirculante a una corriente lateral; y pasar el fluido recirculante a través de un sistema de ultrafiltración que contiene un depósito para el fluido recirculante y concentrar y membranas que tienen un tamaño de poro de 5 μm o menos para proporcionar un permeado, en el que el sistema de ultrafiltración se enjuaga de nuevo para regenerar las membranas cuando el flujo de permeado cae por debajo del 15% del flujo de permeado inicial.

Description

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DESCRIPCION

Tecnologfas de control microbiologico Iffbrido respetuosas con el medio ambiente para torres de enfriamiento Campo tecnico

Esta invencion se refiere a un control microbiologico Iffbrido respetuoso con el medio ambiente que compromete un metodo ffsico mediante filtracion fina que elimina nutrientes, bacterias y solidos en suspension de sistemas de refrigeracion recirculante y por consiguiente reduce significativamente el consumo de biocidas y los programas de tratamiento microbiologico qmmico anteriormente requeridos para obtener niveles similares de efectividad.

Antecedentes

La separacion de parffculas se puede realizar basandose en la exclusion de tamano. Las parffculas de gran tamano se eliminan facilmente mediante filtracion con arena. Sin embargo, solo los filtros con tamano de poro pequeno, tales como membranas o ciertos medios granulares, pueden separar parffculas coloidales, bacterias, macromoleculas, moleculas pequenas o incluso iones. La membrana es una barrera ffsica (capa delgada) capaz de separar los materiales en funcion de sus propiedades ffsicas y qmmicas en presencia de una fuerza de conduccion aplicada. Los medios granulares se forman a partir de parffculas pequenas y tienen un tamano de poro efectivo pequeno.

Definiciones:

Biocidas: son sustancias activas y preparaciones que contienen una o mas sustancias activas, presentadas en la forma en que se suministran al usuario, destinadas a destruir, disuadir, hacer inofensivo, impedir la accion de, o de otra manera ejercer un efecto de control sobre cualquier organismo nocivo por medios ffsicos, qmmicos o biologicos.

Biocidas oxidantes: Los biocidas oxidantes son generalmente no selectivos, pueden oxidar todo el material organico incluyendo microorganismos. Oxidan los componentes celulares de los organismos, cuanto mas delgada es la pared celular, mas vulnerables en los organismos son hacia los biocidas oxidantes. Debido a que los biocidas oxidantes no son selectivos, no se desarrolla resistencia. Ejemplos de biocidas oxidantes incluyen halogenos, fuentes de oxfgeno activo.

Biocidas no oxidantes: A diferencia de los biocidas oxidantes, los biocidas no oxidantes son selectivos en su mecanismo de atacar microorganismos. Interfieren el metabolismo del organismo, alteran la pared celular o impiden la multiplicacion. Para ser eficaces, por lo general se requieren concentraciones mas altas que para los biocidas oxidantes. Los microorganismos pueden desarrollar resistencia/tolerancia cuando el biocida esta durante mas tiempo en uso, por lo que es una buena practica alternar biocidas no oxidantes.

Biodispersantes y biodetergentes Son sustancias qmmicas de superficie activa, que generalmente no presentan caracteffsticas biocidas por sf mismas, impiden que los microorganismos se adhieran a las superficies y aceleren el desprendimiento de una biopeffcula al aflojar la matriz de limo.

El filtro fino es una barrera ffsica capaz de separar materiales por sus propiedades ffsicas y qmmicas. Un filtro fino es capaz de separar parffculas de fluidos en parte o todo el intervalo de un tamano de parffcula de unos pocos mm a 0.1 nm.

La membrana es una barrera ffsica capaz de separar los materiales en funcion de sus propiedades ffsicas y qmmicas cuando se aplica una fuerza de conduccion a traves de la membrana.

Medios granulares: comprenden parffculas dispuestas en un recipiente de modo que desde una barrera ffsica capaz de separar materiales por sus propiedades ffsicas y qmmicas cuando los materiales se ven forzados a moverse a traves de la barrera granular. El medio granular puede ser un tamano o una mezcla de tamanos. Los granulos pueden ser silica, antracita, carbon activado u otro material inorganico u organico.

Dependiendo del tamano del poro se pueden distinguir las siguientes tecnicas de membrana: microfiltracion (MF), ultrafiltracion (UF), nanofiltracion (NF) y osmosis inversa (RO).

La ultrafiltracion (tamano de poro 0.01-0.1 |im) se usa para retener parffculas de un tamano de unos pocos nanometros mientras que la microfiltracion, que emplea membranas porosas con diametros de poro entre 0.05-10 |im, es capaz de separar parffculas en el intervalo de tamanos de |im.

Ultra y microfiltracion son barreras impulsadas por presion a solidos en suspension y bacterias para producir agua con alta pureza. Se retienen solidos en suspension y solutos de alto peso molecular, mientras que el agua y los solutos de bajo peso molecular pasan a traves de la membrana. El agua y otros componentes disueltos que pasan a traves de la membrana se conocen como el permeado. Los componentes que no pasan a traves se conocen como el concentrado.

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Dependiendo del Ifmite del peso molecular (MWCO) de la membrana utilizada, las macromoleculas pueden purificarse, separarse o concentrarse en cualquier fraccion.

Debido a que solo se retiran especies de alto peso molecular, la diferencia de presion a traves de la superficie de la membrana es relativamente baja. Por lo tanto, las bajas presiones aplicadas son suficientes para lograr altas velocidades de flujo a partir de una membrana UF/MF. El flujo de una membrana se define como la cantidad de permeados producidos por unidad de area de superficie de membrana por unidad de tiempo. Generalmente el flujo se expresa en litro por metro cuadrado por hora (LMH). Las membranas UF y MF pueden tener flujos extremadamente altos, pero en la mayona de las aplicaciones practicas el flujo vana entre 10 y 100 LMH a una presion de funcionamiento de aproximadamente 0.1 bar a 4 bar.

Los modulos de membrana UF/MF vienen en configuraciones de placa y marco, de bobina en espiral y tubulares. La configuracion seleccionada depende del tipo y concentracion del material coloidal. Para soluciones mas concentradas, se utilizan configuraciones mas abiertas como la placa y el marco y tubular. En todas las configuraciones el diseno optimo del sistema debe tener en cuenta la velocidad del flujo, la cafda de presion, el consumo de energfa, la contaminacion de la membrana y el coste del modulo.

Se han utilizado una variedad de materiales para membranas UF/MF polimericas comerciales como polisulfona (PS), poliacrilonitrilo (PAN), poliester sulfona (PES), acetato de celulosa (CA) y fluoruro de polivinilideno (PVDF). Tambien se utilizan membranas inorganicas como membranas ceramicas.

La ultrafiltracion es el metodo de separacion por membrana con el espectro de aplicacion mas amplio. Se utiliza cada vez mas en el tratamiento del agua potable, la eliminacion de patogenos importantes y contaminantes tales como Giardia lamblia, Cryptosporium oocyts y bacterias grandes. Sin embargo, los componentes solubles, tales como sales y sustancias organicas de bajo peso molecular, usualmente no pueden retenerse con membranas de ultrafiltracion.

Existen varios factores que pueden afectar el rendimiento de un sistema UF/MF.

1. Flujo a traves de la superficie de la membrana. La velocidad del permeado aumenta con la velocidad de flujo del lfquido a traves de la superficie de la membrana. La velocidad de flujo es especialmente cntica para los lfquidos que contienen suspensiones. Un mayor flujo tambien significa mayor consumo de energfa y bombas mas grandes. Aumentar la velocidad de flujo tambien reduce la contaminacion de la superficie de la membrana. Generalmente, se alcanza una velocidad de flujo optima mediante un compromiso entre la potencia de la bomba y el aumento en la velocidad del permeado.

2. Presion de funcionamiento. La velocidad de permeacion es directamente proporcional a la presion aplicada a traves de la superficie de la membrana. La mayona de los modulos de membrana tienen un lfmite de presion de funcionamiento debido a la limitacion de resistencia ffsica impuesta al modulo de membrana.

3. Temperatura de funcionamiento. Las velocidades de permeado aumentan con el aumento de la temperatura debido a la reducida viscosidad del lfquido. Es importante conocer el efecto de la temperatura sobre el flujo de membrana con el fin de distinguir entre una cafda en el permeado debido a una cafda de temperatura y el efecto de otros parametros.

La Publicacion de la Patente de los Estados Unidos No. 2003/0127391 describe un metodo para el tratamiento de agua de refrigeracion circulante para eliminar componentes qmmicos, de partfculas y biologicos indeseables para minimizar la contaminacion, la formacion de incrustaciones y la corrosion. Una solucion saturada de carbonato de calcio se mantiene en un sistema de filtracion de flujo cruzado controlando la concentracion de sales precipitadas, temperatura y/o pH. El filtro de flujo cruzado puede ser un microfiltro o un nanofiltro.

La Patente de los Estados Unidos No. 4,177,143 describe un metodo para mejorar el funcionamiento de los filtros del tipo utilizado para filtrar agua de refrigeracion que se utiliza intermitentemente en relacion de intercambio termico directo para enfriar grandes edificios de oficinas y estructuras similares, metodo que comprende mantener los filtros cuando no estan en uso, en contacto con una solucion acuosa que contiene una cantidad conservante de un biocida industrial. Tambien se muestra un metodo para controlar microorganismos en los filtros usando un biocida con el agua de lavado a contracorriente.

La Patente de los Estados Unidos No. 5,403,479 describe un metodo y un sistema de limpieza para limpiar la superficie externa de una membrana de fibras huecas semipermeables de microfiltracion o ultrafiltracion contaminada, despues de que su flujo transmembrana estable inicial se ha reducido a un nivel inaceptablemente bajo. La membrana se limpia mediante el flujo de un fluido de limpieza, preferiblemente un electrolito oxidativo biocida que tiene un anion oxidante y un cation asociado a traves del lado limpio permeado de la membrana, a baja presion no mas que la ruptura de presion de burbuja para una fibra de microfiltracion o ultrafiltracion.

El procedimiento de micro y ultrafiltracion tiene lugar a baja presion diferencial lo que lo convierte en un procedimiento de bajo consumo de energfa y el MF/UF esta eliminando nutrientes y bacterias del agua; el potencial biocontaminante del sistema de enfriamiento es retardado reduciendo asf el consumo de biocidas.

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Resumen

La invencion describe un metodo para el control microbiologico de sistemas de refrigeracion de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8 adjuntas.

En un aspecto, la invencion proporciona un metodo para el control microbiologico en sistemas de enfriamiento que comprende:

adicionar un biocida a un fluido recirculante que contiene nutrientes, bacterias y solidos en suspension; desviar el fluido recirculante a una corriente lateral; y

pasar el fluido recirculante a traves de un sistema de ultrafiltracion que contiene un deposito para el fluido recirculante y concentrado y membranas que tienen un tamano de poro de 5 |im o menos para proporcionar un permeado,

en el que el sistema de ultrafiltracion se enjuaga de nuevo para regenerar las membranas cuando el flujo de permeado cae por debajo del 15% del flujo de permeado inicial.

La presente invencion describe los siguientes aspectos clave:

1. Es una ventaja de la invencion proporcionar baja presion diferencial.

2. Es una ventaja de la invencion proporcionar la eliminacion de limo fino, turbidez, TOC en partfculas, nutrientes que reducen el crecimiento biologico.

3. Es una ventaja de la invencion proporcionar alta eficacia de eliminacion de bacterias.

4. Proporciona un metodo para la regeneracion mediante un enjuague posterior para eliminar la capa de contaminacion. Descripcion detallada

La presente invencion describe un metodo para el control microbiologico en sistemas de refrigeracion en el que se anade un biocida a un fluido recirculante que contiene nutrientes, bacterias y solidos en suspension y se hace pasar a traves de un sistema de filtracion fina en el que el fluido recirculante puede ser desviado a una corriente lateral luego se pasa a traves del sistema de filtracion fina.

El sistema de filtracion fina contiene membranas que tienen un tamano de poro de 5 |im o menos, preferiblemente con un tamano de poro de 0.01 a 0.5 |im. El sistema de filtracion fina es un sistema de ultrafiltracion que contiene membranas que son membranas de ultrafiltracion. Estas membranas se regeneran mediante un enjuague posterior del sistema cuando el flujo de permeado cae por debajo del 15% del flujo de permeado inicial.

La invencion reivindicada utiliza un biocida oxidante que es preferiblemente uno o mas de los siguientes: cloro, hipoclorito, ClO2, bromo, ozono, peroxido de hidrogeno, acido peracetico y peroxisulfato. Adicionalmente, la invencion puede usar un biocida no oxidante que es preferiblemente uno o mas de los siguientes: glutaraldetndo, dibromo- nitrilopropionamida, isotiazolona, amonio cuaternario, terbutilazina, biguanida polimerica, metileno bistiocianato y sulfato de tetraquis hidroximetilfosfonio. La invencion reivindicada tambien se puede usar una mezcla de un biocida oxidante y un biocida no oxidante con los ejemplos preferidos enumerados anteriormente.

Ejemplos

Lo anterior se puede entender mejor con referencia a los siguientes ejemplos, que estan destinados a ilustrar metodos para llevar a cabo la invencion y no pretenden limitar el alcance de la invencion.

Se debe entender que diversos cambios y modificaciones de las realizaciones actualmente preferidas descritas en este documento seran evidentes para los expertos en el arte. Por lo tanto, se pretende que dichos cambios y modificaciones sean cubiertos por las reivindicaciones adjuntas.

En una torre de enfriamiento piloto (PCT) se siguieron el control microbiologico, el uso de biocidas, en presencia y ausencia de un metodo ffsico de filtracion por membrana (ultrafiltracion) que, debido a la exclusion de tamano, esta eliminando material en partfculas incluyendo bacterias, con un tamano mayor de 0.01 |im.

Dispositivo de ultrafiltracion:

Se alquilo un dispositivo de ultrafiltracion de Norit BV. La unidad se compone de un deposito (volumen 25 I) donde se concentra el agua. Un controlador de nivel controla el nivel del agua en el deposito. Desde el deposito se bombea el agua con la ayuda de la bomba PO1 sobre la membrana. El concentrado se hace pasar a traves de un sistema de

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enfriamiento y luego se devuelve al deposito de almacenamiento. El permeado se anade a la cuba de la torre de enfriamiento.

Para evitar la contaminacion de la membrana se aplico una velocidad de flujo mmima de 2 m/s sobre las membranas. La apertura o cierre de las valvulas V1 y V2 ajusta el flujo. Las valvulas Vi y V2 nunca se cerraron completamente. Ademas, de acuerdo con las especificaciones del proveedor, el flujo de presion de alimentacion en PO1 no excedfa de 1 bar (soplado de membranas). Las membranas nunca se deben secar despues del primer uso (siempre mantenerlas humedas).

La membrana de flujo cruzado era una fibra hueca de 8 mm, filtracion de entrada hacia afuera. La unidad piloto estaba inicialmente equipada con 2 modulos de membrana con un area superficial de 0.15 m2 cada una, la superficie total de la membrana es 0.3 m2.

Limpieza de membrana UF para iniciar:

Cuando se usaron nuevas membranas, primero se aclararon la glicerina que mantiene la membrana humeda y el biocida (para evitar que la COD degradable ingrese a la torre de enfriamiento como fuente de alimento adicional). El deposito se lleno con agua DI y se recirculo sobre las membranas segun las recomendaciones de los proveedores (Norit). Despues de 30 minutos se drena el agua. El procedimiento se repite al menos tres veces. Finalmente se drena el sistema, se cierra una valvula y se llena el deposito con agua de la cubeta de la PCT mientras que el permeado se reintroduce en la cubeta de la PCT.

Pruebas piloto de la torre de enfriamiento (PCT) con y sin dispositivo de membrana:

La prueba de rendimiento de tratamiento microbiologico fubrido ffsico/qmmico de agua de refrigeracion se realizo utilizando el equipo PCT estandar de Nalco con una configuracion. El volumen de la cubeta fue de 200 L. Para la lmea de base se anadio un deposito adicional de 25 L a la cubeta, para simular el deposito cuando se uso el dispositivo UF. El deposito se calento a temperaturas de 30°C similares al deposito.

La prueba de PCT se realizo usando tubos metalicos. Todos los tubos se pusieron en servicio despues de un desengrasado cuidadoso, sin ninguna pre-pasivacion. Los cupones tambien se incluyeron en la prueba. La prueba de PCT se inicio sin calentamiento durante las primeras 12 horas para permitir que las reacciones iniciales de corrosion llegaran a descansar. Despues de esto, se aplico calor. La prueba se inicio con agua en ciclo. El producto 3DT165 del tratamiento con agua de refrigeracion se dosifico en base a la tecnologfa Nalco Trasar. La purga fue controlada por 3DTrasar basado en el punto de ajuste de la conductividad cuando no se usaba ninguna unidad de membrana.

Cuando la unidad UF estaba funcionando, la purga se ajusto manualmente usando una bomba y una vez al dfa extrayendo el concentrado del deposito. El volumen total de la purga fue equivalente a la purga controlada por la unidad 3DT.

El PCT se inoculo con bacterias cultivadas (Pseudonomas) para alcanzar niveles microbiologicos de aproximadamente 105 cfu/mL. La inoculacion se realizo al comienzo de cada prueba. Se anadieron nutrientes lfquidos (caldo de nutrientes 4 g/L, proveedor Oxio) al sistema con una velocidad de 0.01 g/L/dfa continuamente. El control microbiano se llevo a cabo utilizando hipobromito. La dosificacion de biocida se realizo basandose en el control de ORP.

La qmmica del agua de reposicion se verifico usando ICP. Los parametros relevantes del agua de refrigeracion recirculante se analizaron o verificaron usando metodos de ensayo de campo diariamente. Los siguientes parametros se probaron rutinariamente: pH, M-alcalinidad, conductividad, calcio y dureza total, orto fosfato, fosfato total y nivel de polfmero.

Ultrafiltracion de la PCT

A la cubeta de la PCT se le instalo la unidad UF. El agua de la cubeta se anadio continuamente al deposito de la unidad UF. El nivel del agua en el deposito se mantuvo constante usando un controlador de nivel. La bomba P02 estaba retirando continuamente un volumen de 1.4 l/h como purga y disponiendo 10 I/dfa de concentrado del deposito. El permeado se reintroduce en la cubeta. El flujo de permeado se mantuvo a 20-25 l/h. Cuando el flujo de permeado disminuyo aproximadamente 15% de los valores iniciales, se llevo a cabo un procedimiento de limpieza.

Procedimiento de limpieza de la unidad UF:

La unidad UF se limpio durante el estudio de caso 1 todos los dfas (ejemplo comparativo). Se sigue el mismo procedimiento para el estudio de caso 2 con la diferencia de que el procedimiento de limpieza se aplico solamente cuando el flujo de permeado disminuyo por debajo del 15% del flujo de permeado inicial (segun el metodo de la invencion). En primer lugar, el agua de alimentacion se cierra mientras el permeado se inserta en la cuba de la torre de enfriamiento. Cuando el concentrado tiene un volumen de aproximadamente 10 L, el tubo de permeado se retira de la cubeta y se introduce en el deposito. El concentrado se retira y se dispone en el desague. El deposito fue llenado con

agua DI, biodetergente y biocida (hipoclorito) y recirculado de acuerdo con las recomendaciones de los proveedores (Norit). El agua permeada y el agua recirculada se mantienen en el deposito. Despues de 30 minutos, se detiene la bomba y se drena el agua. DI limpia se anade al sistema y se recircula sobre la membrana UF. El procedimiento se repite al menos tres veces. Finalmente se drena el sistema, se cierra la valvula y se llena el deposito con agua de la 5 cubeta, mientras que el permeado se reintroduce en la cubeta de la PCT.

Ejemplo comparativo 1

ORP 260 mV

Dfas

Uso de Biocida g/h TVC [cfu/ml]

Sin UF] con UF - sin UF] con UF -

11

0.951 1.04

12

1.111 0.97 3.70E+05 1.03E+04

13

0.82 4.20E+05 1.38E+04

14

1.15 5.00E+05 6.00E+03

15

0.642 0.95 6.40E+02

16

0.745

17

0.875 0.83 1.80E+05 1.33E+03

18

0.61 2.60E+05 4.30E+03

19

0.728 0.86 3.00E+05 3.40E+03

Promedio

0.84 0.90 3.38E+05 5.68E+03

Ejemplo 2

10 ORP 200 mV

Dfas

Uso de Biocida g/h TVC [cfu/ml]

Sin UF] con UF - sin UF] con UF -

11

0.433 3.60E+04

12

0.592 0.326 3.80E+04

13

0.241 1.71E+05 7.80E+04

14

2.30E+05 8.50E+04

15

0.633 1.42E+05 6.80E+04

16

0.311 1.49E+05

17

1.46E+05

18

0.556 0.339 5.10E+04

19

0.600 0.208 5.50E+04

Promedio

0.5628 0.285 1.03E+05 1.05E+05

Claims (7)

1. Reivindicaciones

   1. Un metodo para el control microbiologico en sistemas de enfriamiento que comprende:

   adicionar un biocida a un fluido recirculante que contiene nutrientes, bacterias y solidos en suspension; desviar el fluido recirculante a una corriente lateral; y

   5 pasar el fluido recirculante a traves de un sistema de ultrafiltracion que contiene un deposito para el fluido recirculante y concentrar y membranas que tienen un tamano de poro de 5 |im o menos para proporcionar un permeado,

   en el que el sistema de ultrafiltracion se enjuaga de nuevo para regenerar las membranas cuando el flujo de permeado cae por debajo del 15% del flujo de permeado inicial.
2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el sistema de filtracion contiene membranas que tienen un tamano de poro 10 de 0.01 a 0.10 |im.
3. 3. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el biocida es un biocida oxidante.
4. 4. El metodo de la reivindicacion 3, en el que el biocida oxidante es uno o mas de los siguientes: cloro, hipoclorito, CO2, bromo, ozono, peroxido de hidrogeno, acido peracetico y peroxisulfato.
5. 5. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el biocida es un biocida no oxidante.

   15 6. El metodo de la reivindicacion 5, en el que el biocida no oxidante es uno o mas de los siguientes: glutaraldehndo,

   dibromonitrilopropionamida, isotiazolona, amonio cuaternario, terbutilazina, biguanida polimerica, metileno bistiocianato y sulfato de tetraquis hidroximetilfosfonio.
6. 7. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el biocida es una mezcla de un biocida oxidante y un biocida no oxidante.
7. 8. El metodo de la reivindicacion 7, en el que el biocida es uno o mas de los siguientes: cloro, hipoclorito, ClO2, bromo, 20 ozono, peroxido de hidrogeno, biocidas basados en oxfgeno, acido peracetico, peroxisulfato, glutaraldehfdo, dibromonitrilopropionamida, isotiazolona, amonio cuaternario, terbutilazina, biguanida polimerica, metileno bistiocianato y sulfato de tetraquis hidroximetilfosfonio.