MXPA00008715A - Mejoramientos realizados a aparatos de separacion solido-liquido, especialmente para la purificacion biologica de agua de desecho - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un equipo para la separación y para separar una suspensión sólido / líquido por filtración, en particular del lodo de un licor de purificación biológico o físico-químico, sobre un material de filtro de membrana o textil, que comprende elementos de filtración sumergidos en la suspensión que se va a tratar, medios de barrido de gas colocados debajo de los elementos de filtro y un canal que recolecta el agua tratada;caracterizado en que los elementos de filtro están constituidos por al menos una placa sumergida en la suspensión que se va a tratar, esta placa estáinclinada con respecto a la vertical e implementada en la forma de una placa externa hueca que tiene uno o varios compartimientos, por lo cual solamente la cara inferior estácubierta con el soporte de filtro;la cara superior es sólida, las depresiones internas de la placa externa hueca están conectadas al canal que recolecta el agua tratada y en que los medios de barrido de gas están colocados a un nivel por debajo de aquel de los soportes de filtro.

Description

MEJORAMIENTOS REALIZADOS A APARATOS DE SEPARACIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO, ESPECIALMENTE PARA LA PURIFICACIÓN BIOLÓGICA DE AGUA DE DESECHO Descripción de la Invención La presente invención se refiere a los aparatos para la separación sólido/liquido llevada a cabo mediante filtración sobre materiales de membrana o textiles. Más particularmente, la invención se refiere a los mejoramientos realizados a los aparatos de filtración del tipo anterior, encaminados más específicamente para el tratamiento de suspensiones de lodo que resultan de operaciones de purificación fisico-quimicas o biológicas (lodo activado, licores mixtos) . Ésta aplica especialmente a la purificación de agua de desecho por medios biológicos. Se sabe que la purificación biológica del agua de desecho confia en el cultivo de bacterias purificantes en sistemas específicos. El sistema más comúnmente utilizado es el lodo activado, es decir un cultivo de estas bacterias en suspensión en agua tratada, usualmente llamada el licor mixto. Los nuevos sistemas, llamados cultivos mixtos, hacen uso de este lodo, mezclándolo con un material de medio suspendido. La efectividad y la confiabilidad de estos sistemas confian en la separación entre este lodo activado y el agua tratada, constituyendo esta separación la clarificación. A la fecha actual, la clarificación es en casi todos los casos lograda por asentamiento, pero en unos pocos casos especiales mediante filtración. Las características esenciales de estas dos técnicas de clarificación conocidas serán detalladas más adelante: Los tanques de asentamiento o sedimentación secundarios o clarificadores son plantas diseñadas para separar el licor mixto del agua tratada mediante simple sedimentación. El uso de estos clarificadores en las estaciones de tratamiento de agua de desecho tiene dos limitaciones mayores: primeramente, la concentración del lodo en el estanque biológico está limitada a seis gramos de material seco por litro de licor mixto, lo que se traduce en grandes volúmenes de la planta, y, en segundo lugar, es necesario, si se lleva a cabo un paso de ni trificación, desnitrificar el fluente para prevenir la flotación del lodo «en la — ^^ ^ planta y en consecuencia la fuga de la materia suspendida dentro del agua tratada. Además, la mayoría de las estaciones existentes están confrontadas con muchos problemas que degradan la capacidad de sedimentación o asentamiento del lodo, especialmente la proliferación de bacterias fila entarias que provocan problemas de expansión y formación de espuma, variaciones en el pH o en la sa,linidad, y el influjo de productos tóxicos, los cuales frecuentemente dan como resultado que la operación de asentamiento o sedimentación sea seriamente perturbada . En resumen, los malos funcionamientos de los clarificadores son una ocurrencia frecuente, y a menudo dan como resultado fuga dramática del lodo en los pasos de tratamiento subsiguientes y hacia el ambiente natural: esta falta de confiabilidad es por lo tanto incompatible con los últimos estándares de descarga. En la clarificación por filtración, la filtración se lleva a cabo mediante membranas de ultrafiltración (que tienen tamaños de poro en general entre 0.001 y 0.1 µm) o membranas de microfiltración (que tienen un tamaño de poro en general entre 0.05 y 5 µm) . Estos procesos de separación, cuando se aplican al campo de la filtración del lodo biológico, son en general conocidos por el nombre de MBR (biorreactores de membrana) . En todos estos sistemas, se aplica energía al lodo, en la superficie de la membrana, para limitar la incrustación biológica de la membrana y para incrementar las velocidades de flujo y/o la duración de la filtración. Un primer tipo de MBR está caracterizado porque el uso de una membrana localizada fuera del estanque biológico para la realización de la separación, haciendo por lo tanto posible el aplicar una gran cantidad de energía útil a la superficie de la membrana. En este caso, el lodo es hecho fluir a una alta velocidad a través del filtro, tangencialmente a la membrana, para limitar la incrustación biológica de la membrana. La presión de transferencia (TMP: presión transmembranal) está entre 0.5 x 105 Pa y 5 x 105 Pa . De esta manera, los rendimientos de la filtración de aproximadamente 50 a 200 l/h por m2 de membrana son obtenidos. Estos rendimientos son mantenidos por periodos de aproximadamente 1 a 2 semanas antes de que la membrana se llegue a obturar, siendo la última luego químicamente regenerada. La limitación principal de estos MBRs resulta del consumo de energía asociado con la realización del flujo de lodo a través del filtro. Las altas velocidades del flujo requeridas involucran de hecho un consumo eléctrico de aproximadamente 1 a 5 k h por m3 de agua tratada. Por esta razón, el campo de aplicación de estos MBRs está limitado a las plantas de pequeña capacidad y más particularmente para efluentes altamente contaminados. Un segundo tipo de MBR está caracterizado por el hecho de que la filtración del lodo es realizada sobre membranas localizadas dentro del estanque biológico. En este caso, el filtro es sumergido directamente en el estanque biológico, siendo creada turbulencia mediante aereación y/o agitación dentro del lodo que va a ser filtrado. El agua tratada es recolectada bajo gravedad o mediante bombeo por succión a través de la membrana, lo cual se traduce en presiones de transferencia en general entre 0.1 x 105 Pa y 105 Pa. El nivel de energía aplicado a la superficie de la membrana es menor que en el caso del primer tipo de MBR anteriormente descrito, con lo cual se hace posible el reducir el consumo de energía. No obstante, los rendimientos obtenidos son no mayores de aproximadamente 5 a 50 litros por hora por m2 de membrana. Estos bajos rendimientos dan como resultado por lo tanto el uso de áreas de filtro grandes, el costo de las cuales penaliza en gran medida el proceso, especialmente para las plantas de alta capacidad y más particularmente cuando los efluentes no están altamente concentrados. Además, existen otros procesos de filtración que combinan el funcionamiento de alto rendimiento con el consumo de baja energía pero, a diversos grados, estos procesos conocidos prueban ser inadecuados para la filtración de suspensiones biológicas concentradas. Estos procesos incluyen los procesos de filtración frontal en los cuales la filtración se lleva a cabo sobre un medio con poros gruesos cubiertos con una precapa preformada (adición de una suspensión de diatomeas, etc.), que proporciona la separación efectiva (filtros de cartucho, etc.), tales sistemas operan de una manera discontinua, mediante ciclos de " filtración/destaponamiento/ formación de precapa". Los periodos de filtración están caracterizados por un incremento mayor en la presión de transferencia debida a la constitución de materia sobre la superficie de la precapa, y a la migración de las partículas finas dentro de esta capa. Esta presión estructura la deposición sobre la superficie del medio de filtración grueso. Cuando la presión alcanza un valor critico de aproximadamente 105 Pa a 106 Pa, la combinación de "precapa + partículas atrapadas" hecha coherente por la presión, es removida por una operación de lavado muy vigorosa utilizando agua a contracorriente o aire. Desafortunadamente, estos procesos son difíciles de aplicar a la filtración de suspensiones biológicas ya que estas partículas son usualmente altamente compresibles: cuando las suspensiones se concentran, el desarrollo rápido del depósito de las partículas sobre la superficie del medio de filtración da como resultado un incremento dramático en la resistencia hidráulica, lo cual a su vez da como resultado el cese de la filtración. En conclusión, las técnicas de filtración de MBR constituyen, para plantas de baja capacidad, una alternativa técnica satisfactoria a los procesos convencionales de clarificación basados en la sedimentación; por otra parte, su construcción y/o costos de corrida permanecen más altos que aquellos de los procesos convencionales. Para capacidades ^^tm ^Mü s t^?a^ík¿.feA-afa- ****». ^.,-J grandes, más de unos pocos cientos de m por día, no existe a la fecha actual solución satisfactoria. La presente invención está específicamente dirigida a la provisión de una solución a este problema. En consecuencia, el objetivo de la presente invención es un aparato para la separación de una suspensión sólido/ líquido mediante filtración, especialmente de lodo a partir de un licor biológico o de purificación fisico-química, sobre un material de filtro textil o de membrana, caracterizado porque consiste de al menos una placa sumergida en la suspensión que va a ser tratada, estando inclinada dicha placa con respecto a la vertical y realizada en la forma de una placa con cavidades, que comprende uno o más compartimentos, únicamente la cara inferior de la cual está cubierta con el medio de filtro, la cara superior es sólida, los volúmenes internos de la placa están conectados a una tubería o a un conducto que reúne el agua tratada, y se proporcionan medios de inundación con gas, estando colocados éstos a un nivel más bajo que el medio de filtro, de modo que las burbujas de gas emitidas por los medios de inundación a chorro fluyen a lo largo del medio de filtro.

De acuerdo a una modalidad de esta invención, el aparato de separación consiste de varias placas con cavidades, que tienen uno o más compartimentos, las placas están preferentemente acomodadas paralelas una a la otra. Éstas pueden estar equidistantes una de la otra o separadas una de la otra con un espaciamiento variable. De acuerdo a la presente invención, el agua tratada puede ser recuperada por la tubería o el conducto ya sea en la parte superior o en la parte lateral de la placa o las placas, o en el fondo de éstas últimas, el último método de operación previene o al menos limita cualquier constitución de depósitos . De acuerdo a una modalidad preferida de este aparato de separación, la placa o placas es o están inclinadas a aproximadamente 5 a 60 grados con respecto a la vertical. En la modalidad ilustrativa en la cual se proporcionan varias placas, el espaciamiento de las últimas está preferentemente entre aproximadamente 0.5 y 20 cm. De acuerdo a la presente invención, el medio de filtro es preferentemente un medio grueso constituido de una membrana o material textil que tiene un tamaño de poro de entre 0.2 y 100 µ .

De acuerdo a la presente invención, el medio de lavado con gas puede ser producido en la forma de un arreglo de difusores de aire colocados por debajo de las membranas de filtro. Estos difusores pueden ser colocados en el fondo del estanque biológico o tanque que recibe el aparato, y sus orificios emergen bajo la placa o placas de filtración o en la parte inferior de dicho tanque. De acuerdo a otra modalidad más de la invención, los medios de lavado con gas son incorporados en la placa o placas, siendo elaborados estos medios en la forma de cámaras separadas que se extienden por la parte inferior de cada placa y son alimentados con gas vía un tubo de alimentación, cada una de las cámaras se proporciona con al menos una abertura de descarga que se coloca de modo que las burbujas de gas fluyen a lo largo del medio de filtro de cada placa. De acuerdo a la invención, el gas puede ser aire, oxígeno, gas ozonizado o un gas inerte y su velocidad de flujo es preferentemente de aproximadamente 0.05 a 10 m3/h por metro lineal de anchura de placa. De acuerdo a la invención, el gas es inyectado continuamente, discontinuamente, periódicamente o aleatoriamente, a una velocidad de flujo constante o variable. Las características y ventajas adicionales de la presente invención surgirán de la descripción dada en seguida con referencia a los dibujos anexos, los cuales describen dos modalidades ilustrativas, estando éstos desprovistos de cualquier carácter limitante. En los dibujos: La Figura 1 es una vista seccional vertical esquemática que muestra una planta de separación que emplea una primera modalidad del aparato de acuerdo a la presente invención; y La figura 2 es una vista esquemática similar a la figura 1, que describe una segunda modalidad ilustrativa de la presente invención. Como habrá sido comprendido a partir de la descripción anterior, la invención consiste en llevar a cabo la filtración a baja presión (de entre 10 y 104 Pa, preferentemente de aproximadamente 102 Pa) sobre un material textil o de membrana. Se notará que la presión de filtración es mucho menor que los valores utilizados a la fecha actual. El principio en el cual está basado la invención consiste en crear en la superficie del medio de filtro las condiciones hidráulicas que hacen posible mantener una capa de material de espesor suficientemente pequeño, de una manera tal que la presión de transferencia permanece baja. De este modo, como se mencionó anteriormente y como será descrito más adelante con detalle, estas condiciones hidráulicas son proporcionadas por los medios para lavar a chorro la capa del medio de filtración con gas. Se hará referencia ahora a la figura 1, la cual muestra una primera modalidad ilustrativa del aparato de filtración que forma el objetivo de la presente invención. En esta modalidad ilustrativa no limitante, es aparato comprende varias placas. Este aparato de filtración, denotado en su totalidad por la referencia 10, es sumergido en el tanque 12 que contiene la suspensión que va a ser tratada que es admitida en 18. Este aparato 10 consiste aquí de una pluralidad de placas con cavidades, tales como 14, que comprenden uno o más compartimentos, estando colocadas estas placas en el tanque 12 de una manera inclinada, preferentemente a un ángulo de 5 a 60 grados a la vertical. En esta modalidad ilustrativa no limitante, las placas 14 están colocadas paralelas una a la otra con un espaciamiento específico, por ejemplo de .entre aproximadamente 0.5 y 20 cm. En esta modalidad ilustrativa, las placas 14 están equidistantes: esto es meramente un ejemplo, el espaciamiento entre las placas varía posiblemente. El agua tratada, después de ser filtrada a través de las placas 14, es recolectada por un conducto 20 el cual, en esta modalidad ilustrativa, está provisto en la parte superior del tanque 12, siendo removida el agua tratada de éste último vía el orificio de descarga 22. Por supuesto, sin apartarse del alcance de la invención, el agua tratada puede ser recuperada en cualquier punto en el módulo de filtro, es decir desde cada placa 14, por ejemplo en el fondo de las cámaras de recolección del permeado, de las placas 14, con lo cual se previene o al menos se limita cualquier constitución de depósitos. Como una variante, el agua tratada puede ser recuperada utilizando un conducto, especialmente en la parte lateral de dicha placa o placas. El lodo concentrado es descargado desde el tanque 12 vía el orificio de descarga 28. Colocado sobre la superficie inferior 16 de cada una de las placas 14, está el medio de filtración producido en la forma de un medio elaborado de un material de membrana o textil que tiene un tamaño de poro de entre 0.2 y 100 µm. De acuerdo a la presente invención, en la modalidad ilustrativa no limitante descrita en los dibujos, se proporcionan medios de lavado con gas en el fondo del tanque 12, debajo de las placas inclinadas tales como 14, las burbujas de gas emitidas por estos medios de lavado a chorro fluyen lejos a lo largo del medio de filtro, es decir a lo largo de la superficie inferior 16 de cada una de las placas. De acuerdo a la invención, el gas inyectado de este modo tiene una velocidad de flujo, de aproximadamente 0.05 a 10 m3 por hora por metro lineal de anchura de placa, siendo inyectado posiblemente el gas de manera continua, discontinua, periódica o aleatoria, con una velocidad de flujo constante o variable. Las placas 14 están caracterizadas por tres parámetros: su anchura, su altura y su espesor. La velocidad de flujo de gas inyectado por metro lineal de placa aplica a la anchura de estas placas. Esta velocidad de flujo es independiente de la altura o del espesor de las placas, lo cual significa que esta velocidad de flujo del gas podria ser la misma •usa, a& jaBai34J« -' para una placa de 0.5 metros o de 3 metros de altura, por ejemplo. En la modalidad ilustrativa descrita en la figura 1 , los medios para producir esta operación de lavado con gas son realizados en la forma de una pluralidad de difusores, tales como 24, colocados bajo los módulos de filtración 14 en el fondo del tanque 12, siendo alimentados éstos con gas presurizado vía un tubo 26. La modalidad ilustrativa descrita en la Figura 2 es idéntica a aquella descrita anteriormente con referencia a la Figura 1, excepto por el diseño de los medios que permiten que la superficie inferior 16 de cada placa inclinada 14 sea lavada a chorro con gas. En esta modalidad alternativa, los difusores son incorporados en las placas tales como 14. Estos difusores están por lo tanto en la forma de cámaras separadas tales como 30, formando el fondo de cada placa 14 con cavidades, siendo alimentadas estas cavidades con gas vía el tubo 26 y las burbujas de gas son emitidas vía al menos una abertura tal como 32 proporcionada en cada cámara tal como 30, de modo que las burbujas de gas fluyen a lo largo del medio de filtro proporcionado sobre la superficie inferior 16 de cada placa. En la presente invención, el gas de lavado a chorro puede ser aire, oxígeno, gas ozonizado (con lo cual se permite que sean llevados a cabo tratamientos aeróbicos en la planta de separación 12) o un gas inerte (mediante lo cual se permite que sean llevados a cabo tratamientos anóxicos en el tanque 12 ) . Se debe enfatizar que la modalidad anteriormente mencionada de este aparato de separación de acuerdo a la presente invención es ventajoso, dado que el uso de las placas similares a las placas 14, descritas anteriormente, pero colocadas verticalmente, podría tener un funcionamiento menor ya que, con el fin de garantizar el contacto entre las burbujas de gas y el medio de filtro, necesario para controlar los depósitos sobre el medio de filtro, sería necesario: - inyectar más gas; - tener el control fino de los componentes hidráulicos en la corriente líquida para evitar la formación de flujos preferenciales ; en el último caso, podría existir el riesgo de regiones subaereadas que se forman, las cuales podrían taponarse rápidamente. Tal operación podría dar como resultado que el proceso sea heterogéneo y por lo tanto dé como resultado una mayor reducción en su funcionamiento; - para limitar la altura de las placas con el fin de prevenir la formación de las corrientes de recirculación del filtrado a partir de los compartimentos hacia la masa de liquido que va a ser filtrado, las corrientes de recirculación son inducidas por diferencias en la densidad entre el líquido cargado con burbujas, y por lo tanto menos denso, y el filtrado desgasificado, y por lo tanto más denso. El arreglo inclinado de las placas de filtro 14 de acuerdo a la presente invención garantiza el contacto efectivo entre las burbujas de gas y el medio de filtro, y ofrece la posibilidad, por la variación de la velocidad de flujo del gas (continuamente o en secuencias), del tamaño de las burbujas formadas y el ángulo de inclinación de las placas, de ajustar independientemente: la velocidad de relleno de la capa de material depositado sobre el medio de filtro; - el espesor de esta capa, y por lo tanto el rendimiento de filtración y la velocidad de taponamiento . Por supuesto, permanece el caso en que la presente invención no está limitada a las modalidades descritas y/o mencionadas anteriormente; por el contrario, ésta abarca todas las modalidades alternativas de la misma.

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Claims (19)

REIVINDICACIONES

1. Aparato para la separación de una suspensión sólido/líquido mediante filtración, especialmente del lodo de un licor de purificación biológico o fisico-quí ico, sobre un material de filtro de membrana o textil, caracterizado el aparato porque consiste de al menos una placa sumergida en la suspensión que va a ser tratada, estando inclinada la placa con respecto a la vertical y realizada en la forma de una placa con cavidades, que comprende uno o más compartimentos, únicamente la cara inferior de la cual está cubierta con el medio de filtro, siendo la cara superior sólida, los volúmenes internos de la placa con cavidades están conectados a una tubería o a un conducto que reúne el agua tratada, y se proporcionan medios de lavado con gas, estando colocados éstos por debajo de la placa, de modo que las burbujas de gas emitidas por los medios de lavado fluyen a lo largo del medio de filtro.

2. Aparato de separación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende una pluralidad de placas con cavidades que tienen uno o más compartimientos.

3. Aparato de separación de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque las placas están acomodadas paralelas una a la otra.

4. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque las placas están equidistantes.

5. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque las placas están separadas una de la otra con un espaciamiento variable.

6. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque las placas están acomodadas con un espaciamiento entre aproximadamente 0.5 y 20 cm.

7. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el agua tratada es recuperada por la tubería en la parte superior o en la parte lateral de la placa o placas .

8. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el agua tratada es recuperada por la tubería en el fondo de la placa o placas.

9. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la placa o placas es o están inclinadas de 5 a 60 grados con respecto a la vertical.

10. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el medio de filtro es un medio grueso elaborado de un material de membrana o textil que tiene un tamaño de poro entre aproximadamente 0.2 y 100 µm .

11. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios de lavado a chorro con gas son producidos en la forma de un arreglo de difusores, estando colocados éstos por debajo de la placa o ^?7&^é &&*^ij^r? $^ placas, especialmente en el fondo del tanque que recibe el aparato, y sus orificios emergen bajo la placa o placas de filtración o en la parte inferior del tanque.

12. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque los medios de lavado con gas son incorporados en la placa o placas y éstos son realizados en la forma de cámaras separadas que se extienden por la parte inferior de cada placa y son alimentados con gas via un tubo de alimentación, cada una de las cámaras se proporciona con al menos una abertura de descarga para el gas, que está colocada de modo que las burbujas de gas fluyen a lo largo del medio de filtro de la placa o de cada placa.

13. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el gas para lavado a chorro del medio de filtro es aire, oxígeno o gas ozonizado.

14. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque el gas para lavado a chorro del medio de filtro es un gas inerte.

15. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la velocidad de flujo del gas de lavado a chorro por metro lineal de anchura de la placa es de aproximadamente 0.05 a 10 m3/h. 10

16. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el gas de lavado a chorro es inyectado discontinuamente, periódicamente o aleatoriamente, a una velocidad de flujo constante o variable. 15

17. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el gas de lavado a chorro es inyectado continuamente . 20

18. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque éste opera a una presión de entre 10 y 104 Pa. ; fef,

19. Aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque éste opera a una presión de aproximadamente 102 Pa.