WO2013030411A1 - Sistema de tratamiento de aguas residuales - Google Patents

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WO2013030411A1
WO2013030411A1 PCT/ES2011/000269 ES2011000269W WO2013030411A1 WO 2013030411 A1 WO2013030411 A1 WO 2013030411A1 ES 2011000269 W ES2011000269 W ES 2011000269W WO 2013030411 A1 WO2013030411 A1 WO 2013030411A1
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WO
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polarizers
water
holes
mip
treatment
Prior art date
Application number
PCT/ES2011/000269
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eduardo BES FUSTER
Oscar Manuel GIRÓ CORTS
Original Assignee
Waste & Water Technologies, S.L.
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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/48—Treatment of water, waste water, or sewage with magnetic or electric fields
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46152—Electrodes characterised by the shape or form
    • C02F2001/46157—Perforated or foraminous electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a wastewater treatment system, based on the combination of electrical, magnetic, electrochemical induced and polarizing processes with special arrangements and designs, to achieve a non-selective and therefore universal purification of contaminated water .
  • the system is based on elements called polarizers, and the main purpose is to reduce or eliminate the pollutant load of wastewater, as well as domestic and even industrial water, to obtain a water of different quality depending on the use that is pretend to give
  • the object of the invention is also to eliminate pollutants from drinking water (aquifers, lakes, rivers, pre-potable water), providing water of better quality than that prepared for treatment.
  • Wastewater treatment to obtain better quality effluents for disposal or reuse has been known and used for a long time.
  • treatment typologies that are applied in different fields, depending on the types of pollutants, their concentrations, the final destination that they want to give to water, etc.
  • Biological treatments are specific to eliminate organic matter in moderate quantities, as well as certain nutrients (phosphorus, nitrogen).
  • the facilities can be of important dimensions and, being a medium with microorganisms, it requires a continuous monitoring necessary by the farm. Likewise, significant amounts of sludge are generated that must be treated later. When the system is destabilized it is not easy to redirect it since it has a strong inertia. The investment can be considerable.
  • the physical-chemical processes are of simpler operation than the previous ones, although they also require attention. Its main complexity lies in the use of various chemical reagents to perform the purification process. They are suitable for removing metals, part of the organic matter and different inorganic components, with a certain ease of starting in case of imbalance. They are used in the partial elimination of colloidal organic matter and inorganic compounds, basically heavy metals. Investments are moderate, while sludge production can also be considerable.
  • electrochemical procedures application of electricity to remove contaminants
  • These systems are accompanied, in some cases, by additions of chemicals, which increases their complexity (electrocoagulation, electro flocculation).
  • the wear of the fundamental elements of purification (electrodes) by consumption forces their frequent periodic replacement. They are suitable for many types of contaminants.
  • Advanced oxidation methods combine physicochemical systems with high-performance oxidation processes, such as ultraviolet rays and ozone generation, or the combination with peroxides and certain catalysts. They are used in the destruction of organic matter and certain inorganic contaminants. They are expensive techniques and their use is not yet very implanted.
  • the innovative system presented is related to advanced oxidation processes but providing improvements and implementations that allow optimizing the purification process and significantly reducing investment and operating costs.
  • the pollutants to which it is addressed are all ionic or ionizable, polarizable (dipoles, multiples) and colloids.
  • the invention goes beyond advanced oxidation in the sense in which the degradation processes of the pollutants occur both oxidatively and reductively, so that the spectrum of application is much broader.
  • chemical products flocculants, coagulants
  • electrochemical processes electrofloculation
  • the system of the invention is based on the use of electric field polarizers, together with magnetic activators.
  • the electric field polarizers supply the chemical potential necessary by means of electrochemical energy, to cause the polarization of the molecules of the contaminating compounds, inducing an electrical gradient within the molecule, which produce, for the ionic species, segregation of ions in solution, and for non-ionic ones, their proper orientation in the electric field.
  • the polarizer has a special geometry that optimizes its performance to the maximum, forcing all the water to be treated, and therefore the contaminants that are dissolved or dispersed in it, to be in intimate contact with the walls of the polarizer itself, achieving an increase in its purification efficiency.
  • This process allows degrading by directed redoxidation (oxidatively or reductively) to the contaminating components, separating them from the aqueous matrix by means of the electric field. Since this process is already “per se” effective, the effect of the polarizers is reinforced by the magnetic activator, providing an incontestable technical value in increasing the purification performance.
  • Said magnetic activator properly disposed according to each type of contaminated water, not only amplifies the effect of the polarizers, but also, through its magnetic field lines, creates preferential travel paths that favor the flow of degraded species towards the mechanical water separation point.
  • the dimensions of a treatment unit are basically a function of two conditions of the fed water (the flow to be treated and the type and concentration of contaminant / s to degrade) and one of the outlet water (of the required quality to the treated water). These aspects translate into two process factors: active residence time (relationship between the flow rate and active volume or between the speed of the liquid and the passage section) and power of the electricity supply, determined by the voltage and current intensity applied .
  • the modular system allows its adaptation to the required quality criteria, so that, once installed for a specific use, it is required increase the quality of the water obtained, simply increase the number of work modules, called cells.
  • Polarizers Metal units of special characteristics and composition that produce the electrical polarization of molecules and ions, orienting the apolar component and dissociating the ionic ones.
  • the electric field generated by a potential difference in direct current mobilizes these species in different ways depending on their electric charge and electric dipole moment. They also provide high ionic cations that facilitate the agglomeration of pollutants by local electric field effect.
  • Polarizers with holes There are two types: Polarizers with holes and solid polarizers (without holes).
  • the polarizers with holes have a series of holes of specific dimensions and arrangements, through which the water flow is transmitted.
  • the holes have a diameter of between 5 and 10 mm, arranged at the triplet at 60 ° and with a separation equal to its diameter.
  • the thickness ranges between 5 and 10 mm. With these dimensions, an amount of holes can be obtained that is between 700 and 2000, assuming a total surface area (empty) between 19% and 41%.
  • All the molecules or ions of the pollutants are, when leaving the polarizer, at most at a distance from the wall of half the diameter of the hole, so that for a value of 10 mm, any molecule will be 5 mm or Less than polarizer.
  • the polarizers without holes similar to the previous ones but without presenting holes, should have a tangential or oblique placement to the flow of water, never orthogonal.
  • the material of the polarizers consists of an alloy of iron metal, with additions of carbon, silicon, manganese and chromium, mainly.
  • Magnetic activators Elements based on a solenoid that surrounds a metal core of ferromagnetic material and that together generate a magnetic field when an electric current passes through the conductor, as can be seen from Amgingre's law.
  • aqueous solution wastewater
  • magnetohydrodynamic simulation of the dynamics of conductive and mobile fluids crossed by a magnetic field; the coupling of magnetic forces with those created by the electric fields of the own electrolytes creates additional forces that, among other effects, modify the same magnetic field.
  • the polarizers supports the separation processes generated by the polarizers in two ways: either by increasing the mobilization force of the molecules and ions towards the floating mud, or by slowing down the mobility of the charged particles or the particles. dipoles and keeping them a longer active residence time between polarizers, which increases the efficiency of purification.
  • the core is made of stainless steel.
  • the number of turns of the solenoid, the length of the conductor and the intensity of current passing through it provide the necessary magnetic field strength.
  • magnetized rods can be used, which must be placed respecting North-South polarity.
  • the polarizers with the magnetic activators can adopt a configuration called m-MIP, which corresponds to the unification in a single element of two polarizers with holes (+ and -) and the magnetic activators. It serves the acronym of Magnetoelectric Induced Polarizer and manifests the magnetohydrodynamic process.
  • the magnetic activators can be placed, according to an arrangement called "L", between two polarizers with holes that favor the slowdown of ions and molecules, before their treatment. This contributes to a longer active residence time compared to that generated only with an electric field. It is useful in sequential MIP arrangements and is installed in the first position within the cell.
  • the magnetic activators can also be placed, according to a position called "F", inside the space between polarizers with holes, so as to favor the conduction of the ions and molecules of both charges (+, -) towards the opposite ends, avoiding mixing and aiding their segregation. They are installed in the assemblies in fractal arrangement.
  • HEP Shock treatment cell
  • Activation cell or active treatment cell MIP
  • the treatment unit corresponds to the set of cells and other elements and zones that configure a debug block that is the one that will be repeated modularly. It carries an intrinsic specific flow of treatment, with which the installation of n units allows to treat a flow equal to n times the unit (that of a treatment unit). In a specific installation, each treatment unit, separately, provides the same quality of the purified water as the rest of the units.
  • Sepiolite bed - Sepiolite mass arranged in a container that is crossed by water, once treated, but still requires a concentration adjustment for some contaminant and for which said mineral is effective. It is installed in the treatment queue.
  • Zeolite bed Mass of zeolite arranged in a container that is crossed by water, once treated, but still requires a concentration adjustment for some contaminant and for which said mineral is effective. It is installed in the treatment queue.
  • Hydraulic residence time (t rh ) .- This is the time that the water is in a given volume, either between two polarizers, in a cell, in the installation as a whole, etc. It should always refer to the volume it mentions. It is calculated as the water flow divided by the volume of the section in which it is calculated.
  • t ra Active residence time (t ra ) .- It is the time in which the water to be treated is within the active purification zones (MIPs, HEPs) and therefore subject to degradation of dissolved or suspended pollutants (or colloids) ). It can refer to the residence time of a single element, of the sum of a set of them or of the total of a cell or of the installation. Consequently, volumes without treatment or transition zones are discarded. It follows that t ra ⁇ t rh .
  • Active areas - Volumes of the cells or other parts of the installation in which the degradation of the pollutants occurs due to the effects of directed redoxidation. It basically consists of the area of shock treatment and that of active treatment.
  • Transition zones - Volumes of the cells or other parts of the installation where there is no degradation of the contaminants. Depending on their role, they are distinguished): calming zone, settling zone, passage zones, decompensation / load compensation zones, and pumping chamber.
  • Total volume of the installation It is the sum of the volumes of the active zones plus those of transition.
  • the volumes dedicated to the collection and handling of sludge are not contemplated.
  • Active space - Internal volume of an m-MIP, e-MIP or HEP where the degradation of the pollutants occurs.
  • Decompensation / compensation of charges is the process by which negative ions are partially separated from positive ions from a scale or multiscale arrangement of the MIP or EFP and follow different water flows. This process initially provides this dissociation which, subsequently and by the compensation of the aqueous medium, is neutralized by its effect of the Le Chatelier principle on water hydrolysis. This achieves a first effective separation of loads for subsequent active differentiated treatment.
  • Wear of polarizers.- Decrease in the mass of a polarizer because of the activation process that is generated in the M1P or HEP. For anodic activation processes, wear occurs in the positive polarizer (anode), in greater or lesser amount depending on the flow of surface current created and the presence of competitive reactions to the oxidation of metal cations.
  • HEPs The wear of HEPs is reduced since they act under programmed periodic polarity changes, which prolongs their useful life without altering their mission, thanks to the established orientation and disposition.
  • MIPs due to the supply of cations to the medium, are more susceptible to wear.
  • the anode will be the one affected in case of reactions in which oxidation and cathode are required primarily if the need for reductions occurs.
  • the wear coefficient, C u The wear coefficient
  • a retention system has been configured so that they are protected by said more fragile part. This is achieved by guides where they slide and protrude 10 mm so that, without reducing active surface, they isolate the ends of the polarizers of electrochemical wear. They are replenished periodically as they reach a certain level of wear.
  • the nature of the metal alloy means that the substituted polarizers can be recovered and reintroduced into the cycle, assuming an obvious environmental advantage.
  • m-MIP The conformation in m-MIP (in its different positions) combines the electric field with the magnetic one, creating the Hall effect, with which the electric charges modify its path, moving perpendicular to the electric field, slowing its advance, which increases the time of active residence, and redirecting them to the surface or the bottom.
  • the low current intensity applied and the low voltage required reduce the electrical consumption and provide security to the installation.
  • the low voltage values allow immediate use of electrical supply produced by photovoltaic solar panels, (together with the small size), which makes it useful to deal with areas affected by disasters by mobile equipment.
  • HEP polarizers which:
  • the useful life is doubled, being switched to be able to apply a polarity change periodically automatically.
  • the zig-zag arrangement facilitates the movement of the water mass along the entire course of the shock stage in a small volume.
  • the first treatment is carried out in the shock zone, reached, in a short time, yields of the order of 50%. This reduces the needs of large MIP trains, later.
  • a non-selective system for the purification of pollutants suitable for both sanitary and industrial wastewater. Also to treat drinking water.
  • Figure 1. Shows an elevation view of a polarizer with holes.
  • Figure 2. Shows another view of a polarizer with holes where the arrangement and distance of the holes of the polarizer can be seen on a larger scale.
  • Figure 3. Shows a representation corresponding to a general perspective of the polarizer represented in the previous figure.
  • Figure 4.- Shows a perspective view like that of the previous figure, but in this case corresponding to a polarizer without holes.
  • Figure 5. Shows the arrangement of two polarizers with holes but without magnetic activators.
  • Figure 6. It shows a representation like that of the previous figure, but with magnetic activators in horizontal arrangement, that is, in what has been given in denominating throughout the description in "L”.
  • Figure 7. It shows a view like that of the previous figure with the magnetic activators in vertical arrangement, that is to say in what has been called “F” position.
  • Figure 8 shows a sectional view of two polarizers with intermediate magnetic activators, observing the induced displacements of the positive and negative charges within the double magnetoelectric field.
  • Figures 9, 10 and 11. They show as many representations corresponding to different arrangements of the polarizers to form different treatments, a sequential arrangement being shown in figure 9, a fractal or multi-scale arrangement in figure 10, and in figure 1 1 a combined arrangement.
  • Figure 12.- Shows a sectional view and with details corresponding to the effect of the laminar regime on the polarizing reaction / ions or poles, showing the mobility of electric charges in the fluid stream and the areas of greater and lesser speed, as well as ion retention.
  • Figures 13 and 14. They show paths in plan and elevation of a treatment unit for certain dimensions.
  • Figure 15.- Shows, finally, a sectional detail of two polarizers with holes and without magnetic activators, where the schematization of the electric flow is shown, in the sense of the wastewater flow, the electric field, that of the continuous electric current, electrons and the resistance produced by the aqueous medium.
  • the system of the invention comprises a treatment unit (1), represented in figures 13 and 14, which can be repeated modularly, which consists essentially of two work zones (2 and 3) duly limited, in addition to other parts that will be exposed throughout this description.
  • a shock treatment is established for the waters, including pairs of solid polarizers (4), that is to say without holes, also called (HEP), while in the work zone (3) it is established an active treatment, including polarizers (5) with holes, as well as magnetic activators between pairs of polarizers.
  • pairs of polarizers (5) are also called (m-MIP).
  • other pairs of polarizers (6) are also included with holes but without magnetic activators, being called (e-MIP).
  • the focus of the purification is on the appropriate combination of these elements with their particular design, on the application of an appropriate voltage and current intensity, as well as the achievement of the necessary active residence time.
  • a soothing entry (7) is included, while after the work area (3) or Active treatment includes a settling zone (8), followed by a pumping chamber (9) and a refining zone (10), also including a sludge collection channel (1 1).
  • a polarizer (5) is shown, with holes (12), through which the water flow (13) flows, as shown, for example, in Figures 8, 9 10, 1 1 and 15.
  • Polarizers generally have a length, width and thickness that will depend on the dimensions of the treatment unit (1).
  • FIG 4 shows a polarizer without holes (4), which would form, together with an identical one, a (HEP).
  • Figure 5 shows two polarizers (5) arranged parallel to each other and in close proximity to each other, forming a polarizer architecture (e-MIP) without magnetic activators, while Figure 6 shows two polarizers (5) and among them magnetic activators (13), according to a horizontal or "L” arrangement, forming an architecture (m-MIP).
  • e-MIP polarizer architecture
  • m-MIP architecture
  • Figure 8 shows a section of the architecture corresponding to Figure 6, producing the Hall effect and showing the induced displacements of the charges (+ and -), within the double magnetoelectric field (B).
  • the water flow is referenced with the arrow (14) and the water level is referenced with (N).
  • Figures 9, 10 and 1 1 show the arrangement of polarizers (5) to form different treatments, Figure 9 corresponding to the sequential arrangement, so that the entire water flow through the polarizers, starting with one of them and then by your partner, so that when you leave the first active zone you will encounter another polarizer and so on.
  • Figure 10 corresponds to the fractal or multiscale arrangement, where the polarizers are arranged so that starting from an initial polarizer that receives in its active space the flow to be treated, the charges are dispersed by the driving force of the flow itself, crossing the polarizers with holes, so that the positive charges pass through the negative polarizer and vice versa, producing a decomposition of the charges in each pipe.
  • the resulting flows are separated and not contacted during the following treatment processes, which may be in sequential arrangement. However, if this arrangement is prolonged in a fractal way, it will be referred to as multi-scale arrangement or fractal arrangement.
  • Figure 12 shows the effect of the laminar regime on the polarizing reaction / ions or poles, seeing in detail the mobility of the electric charges corresponding to the electric field (E), in the flow of the fluid and the areas of major and minor speed as well as the retention of ions
  • FIGS 13 and 14 show the already described treatment unit (1) with certain dimensions, and which will be repeated modularly.
  • FIG. 15 shows, finally, an architecture (e-MIP) with the schematization of the electric flow, being that, for a given arrangement of the polarizers (5), (+ and -), the flow direction (14) is collected of the residual water, as well as that of the electric field (E), that of the direct electric current (I), that of the electrons (ne ⁇ ) and the diagramming of the resistance (R) produced by the aqueous medium, whose level is the one represented with (N), while (V) represents the continuous power supply.
  • E electric field
  • I direct electric current
  • R the resistance
  • the purification process according to the system of the invention is as follows:
  • the wastewater enters the treatment unit (1), through the calming zone (7), where the turbulence is reduced, so that they are subsequently introduced into the zone (2) or shock treatment.
  • polarizers (4), (HEP) generate an electric field of the order of 5-8 V / cm, with a current density that will depend on the electrical conductivity of the
  • the next stage takes place in the zone (3) or active treatment, with the definitive purification (up to the desired quality) of the contaminated water being carried out, since the design of the polarizers, their conformation in (m-MIP) and / or (e-MIP) and the voltage and amperage values conform to the specific effluent characteristics.
  • t ra active treatment cell
  • the partial times between polarizers in (MIP) are a function of the distance between polarizers and the speed of water flow.
  • the distance is defined to achieve a certain amperage that will depend on the electrical resistance of the water strip between the polarizers, at a set voltage.
  • R represents the resistance (inverse conductance function).
  • said voltage must be at least equal to that of the redox potential of the semi-reaction of the compound to be degraded (oxidized / reduced) plus an overpotential consisting of two parts: a first to overcome the dielectric effect of water (80 times more conductive than air but up to 10 9 times less than copper), which creates an inverse field to that produced by polarizers (V diel ), and a second that allows to overcome the thermodynamic defect described by the Tafel equation, basically understood as an activation energy (V act ).
  • the powers per unit will be found in the fork 3 to 30 W, so that the consumption per pair of polarizers in the active treatment stage can range between 26 kWh / year and 260 kWh / year.
  • the water velocity in this area is of the order of 6 cm / min, thing which occurs both in transitions and in the active space between polarizers (MIP).
  • MIP active space between polarizers
  • the applied electric field allows polarizing the chemical species present, from three types of polarization that constitute the global and generate dipoles: electronic polarizability, which represents the asymmetric displacement of the electron cloud with respect to the nucleus forming a dipole, bipolar polarizability , which establishes a change of orientation of the permanent dipoles of the molecules and the ionic polarizability that produces the separation of an ion in relation to others of different sign, inducing an instantaneous dipole that ends up breaking and releasing the ions independently , which causes the movement of the ionic current avoiding an additional decrease in the local electric field as opposed to the dipole field (E p ).
  • electronic polarizability represents the asymmetric displacement of the electron cloud with respect to the nucleus forming a dipole
  • bipolar polarizability which establishes a change of orientation of the permanent dipoles of the molecules
  • the ionic polarizability that produces the separation of an ion in relation to others
  • the active treatment system is configured to obtain the maximum decontaminating performance: the polarizability on the molecules achieved by the electric field (e-MIP) or the union of the latter with the magnetic field (m-MIP) is relatively fragile since any turbulence disorients them again and reduces the ability of the system to move the molecules or ions to their destination (polarizers).
  • e-MIP electric field
  • m-MIP magnetic field
  • it is essential to try to maintain a laminar regime within the water in the intrapolarizing active volume.
  • the laminar regime is essential for the success of the degradation reactions in the first polarizer, although it can be thought that a turbulent regime can facilitate the transfer of matter in the diffusive layer.
  • This mechanism also counteracts the turbulent effect that accompanies the generation of gases in the anodic polarizer. although in general it is very small, and reduces the resistance to the effects of the electrochemical reaction kinetics that, it should be noted, are minimized by certain activation energy provided by the corresponding overpotential.
  • the water leaves it, already treated, by an intermediate level that prevents sludge creep.
  • the refining can be any simple physical system for adjusting suspended solids, basically, or by sepiolite, zeolite or mixed beds.
  • the pollutants suffer different physical effects with chemical significance that involves the degradation of unwanted species until others of less harmful.
  • some of the different parallel reactions that occur confer a very intense biocidal environment capable of disinfecting water, eliminating the pathogens present.
  • the supernatant sludge is evacuated by oververting from one side, through the collection channel (1 1).
  • the total amount of sludge generated ranges between 2% and 8% of wet sludge with respect to the total volume of treated water, which represents between 0.5% and 2% of these dehydrated. These are quantities and proportions lower than those generated by other systems.
  • the system is scalable to increase the quality and quantity of treated water.
  • the first is obtained by increasing the active residence time, installing in the same cell more pairs of polarizers (e-MIP, m-MIP) or more active treatment cells (series operation).
  • e-MIP polarizers
  • m-MIP polarizers
  • active treatment cells series operation
  • an increase in modules allows a greater capacity of the system and, with it, a greater flow to be treated (parallel operation).

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Abstract

El sistema está previsto para tratar aguas residuales, e incluso domésticas e industriales, así como aguas de carácter potable tales como las correspondientes a acuíferos, lagos, ríos y pre-potabilizadas, basándose en procesos eléctricos, magnéticos, electroquímicos inducidos y básicamente entre polarizadores con disposiciones y diseños especiales para conseguir una depuración no selectiva de las aguas contaminadas, es decir reduciendo o eliminando la carga de contaminante y obteniendo un agua de calidad óptima, según se requiera. El sistema comprende una unidad de tratamiento (1) con una zona de trabajo (2) donde tiene lugar un tratamiento de choque, y una zona de trabajo (3) donde tiene lugar un tratamiento activo, en cuyas zonas están previstos pares de polarizadores (4) sólidos, es decir sin orificios, y pares de polarizadores (5) con orificios, pudiendo éstos últimos presentar intercaladamente entre ellos activadores magnéticos (13 ó 13') para conseguir una eficaz depuración de las aguas tratadas.

Description

SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
D E S C R I P C I O N
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invención se refiere a un sistema de tratamiento de aguas residuales, en base a la combinación de procesos eléctricos, magnéticos, electroquímicos inducidos y polarizadores con disposiciones y diseños especiales, para conseguir una depuración no selectiva y por lo tanto universal de las aguas contaminadas.
El sistema se basa en unos elementos denominados polarizadores, y el objeto fundamental es el de reducir o eliminar la carga contaminante de aguas residuales, así como de aguas domésticas e incluso industriales, para obtener un agua de calidad diferente en función del uso que se le pretenda dar. También tiene por objeto el sistema de la invención eliminar compuestos contaminantes de aguas de carácter potable, (acuíferos, lagos, ríos, pre- potabil izadas), proporcionando agua de mejor calidad que la dispuesta para el tratamiento.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El tratamiento de aguas residuales para obtener unos efluentes de mejor calidad destinados a vertido o a reutilización, se conoce y usa desde hace mucho tiempo. Actualmente existe una gran variedad de tipologías de tratamiento que se aplican en diferentes ámbitos, en función de los tipos de contaminantes, sus concentraciones, el destino final que se le quiera dar al agua, etc.
A continuación se recogen algunas de las tecnologías principales que reutilizan en la depuración de aguas:
Las tecnologías principales existentes se engloban en los diferentes tipos que a continuación se recogen:
- Tratamientos biológicos - Tratamientos fisicoquímicos
- Tratamientos por membrana
- Tratamientos evaporativos
- Tratamientos por oxidación avanzada.
Estos sistemas, que representan el núcleo del proceso depurador, a menudo van precedidos de métodos de pretratamiento que eliminan sólidos de grandes dimensiones y seguidos de postratamientos que afinan la calidad del agua tratada. En ellos, el sistema de tratamiento de lodos presenta unas dimensiones considerables dado que los porcentajes generados son generalmente superiores al 10%.
Los tratamientos biológicos son específicos para eliminar materia orgánica en cantidades moderadas, así como ciertos nutrientes (fósforo, nitrógeno). Las instalaciones pueden ser de dimensiones importantes y, al tratarse de un medio con microorganismos, requiere de un seguimiento continuado necesario por parte de la explotación. Asimismo, se generan cantidades importante de lodos que deben ser tratados posteriormente. Cuando el sistema se desestabiliza no es sencillo reconducirlo ya que presenta una fuerte inercia. La inversión puede ser considerable.
Los procesos físicoquímicos son de operativa más sencilla que los anteriores, a pesar que también requieren atención. Su complejidad principal yace en el uso de diversos reactivos químicos para realizar el proceso depurador. Son adecuados para eliminar metales, parte de la materia orgánica y diferentes componentes inorgánicos, con una cierta facilidad de puesta en marcha en caso de desequilibrio. Se emplean en la eliminación parcial de materia orgánica coloidal y compuestos inorgánicos, básicamente metales pesados. Las inversiones son moderadas, mientras que la producción de lodos puede ser, también, considerable. Una variedad de éstos, los procedimientos electroquímicos (aplicación de electricidad para eliminar contaminantes), en el estado actual de la técnica, suponen costes operativos importantes a causa de los consumos eléctricos elevados que se requieren. Estos sistemas van acompañados, en algunos casos, de adiciones de productos químicos, con lo que se aumenta su complejidad (electrocoagulación, electro floculación). Además, el desgaste de los elementos fundamentales de depuración (electrodos) por consumo obliga a su reposición periódica frecuente. Son adecuados para muchos tipos de contaminantes.
Los sistemas que utilizan membranas (osmosis inversa, micro-, ultra- y nanofiltración, entre otros) requieren inversiones elevadas, y son de una alta complejidad debido a la tecnifícación de los equipos. Los costes de explotación son muy significativos y se generan rechazos (corrientes residuales) importantes. Se utilizan básicamente cuando se necesitan calidades muy elevadas de agua (procesos potabilizadores, desionizadores, agua ultrapura...). Son efectivos en la separación de componentes inorgánicos y sales. Los tratamientos evaporativos, basados en el equilibrio líquido- vapor de la mezcla, se instalan con éxito notable cuando se precisa eliminar sales y compuestos particulados. Se trata de inversiones medias-altas y con un coste de explotación, debido al consumo eléctrico, considerable. La operativa no es muy compleja y no requiere reactivos. La presencia de materia orgánica puede reducir la eficiencia de la depuración, sobre todo si es termosensible.
Los métodos de oxidación avanzada combinan sistemas fisicoquímicos con procesos oxidadores de alto rendimiento, como pueden ser los rayos ultravioletas y la generación de ozono, o la combinación con peróxidos y ciertos catalizadores. Se utilizan en la destrucción de la materia orgánica y de ciertos contaminantes inorgánicos. Son técnicas caras y su uso aún no se encuentra muy implantado.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema innovador que se presenta es afín a los procesos de oxidación avanzada pero aportando mejoras e implementaciones que permiten optimizar el proceso depurador y reducir de manera ostensible los costes de inversión y explotación.
Los contaminantes a los cuales va dirigido son todos los de carácter iónico o ionizables, los polarizables (dipolos, multipolos) y los coloides.
De hecho, la invención va más allá de la oxidación avanzada en el sentido en que los procesos de degradación de los contaminantes se producen tanto por vía oxidativa como reductora, con lo que el espectro de aplicación es mucho más amplio. Además, no existe aditivación de productos químicos (floculantes, coagulantes) como se dan en algunos procesos electroquímicos (electrocoagulación, electrofloculación); tan sólo se requiere, en algunos casos, el ajuste del pH.
El sistema de la invención se basa en utilización de polarizadores de campo eléctrico, conjuntamente con activadores magnéticos.
Los polarizadores de campo eléctrico suministran el potencial químico necesario por medio de la energía electroquímica, para provocar la polarización de las moléculas de los compuesto contaminantes, induciendo un gradiente eléctrico en el seno de la molécula, que producen, para las especies iónicas, la segregación de los iones en disolución, y para las no iónicas, su orientación adecuada en el campo eléctrico.
El polarizador presenta una geometría especial que optimiza al máximo su rendimiento obligando a que toda el agua a tratar, y por tanto los contaminantes que se encuentren disueltos o dispersos en ella, esté en contacto íntimo con las paredes del propio polarizador, consiguiéndose un incremento de su eficiencia depuradora.
Este proceso permite degradar por redoxidación dirigida (oxidativamente o reductoramente) a los componentes contaminantes, separándolos de la matriz acuosa por medio del campo eléctrico. Toda vez que este proceso ya es "per se " efectivo, el efecto de los polarizadores se refuerza mediante el activador magnético, aportando un valor técnico incontestable en el incremento del rendimiento depurativo.
Dicho activador magnético, dispuesto de forma adecuada en función de cada tipo de agua contaminada, no sólo amplifica el efecto de los polarizadores, sino que también, a través de sus líneas de campo magnético, crea unos trayectos preferenciales de desplazamiento que favorecen el flujo de las especies degradadas hacia el punto de separación mecánica del agua.
Los fenómenos magnéticos y eléctricos generados por los polarizadores y los activadores magnéticos, su combinación adecuada, la geometría de su diseño, la disposición específica de los elementos, y apoyados en diversos efectos físicos sobre los que se hará referencia más tarde, configuran el marco de desarrollo de la invención.
En definitiva, una vez establecido el diseño de los polarizadores, las dimensiones de una unidad de tratamiento son función, básicamente, de dos condiciones del agua alimentada (el caudal a tratar y el tipo y concentración de contaminante/s a degradar) y de una del agua de salida (de la calidad requerida al agua tratada). Estos aspectos se traducen en dos factores de proceso: tiempo de residencia activo (relación entre el caudal y volumen activo o entre la velocidad del líquido y las sección de paso) y potencia del suministro eléctrico, determinada mediante la tensión y la intensidad de corriente aplicadas.
El sistema modular permite su adaptación a los criterios de calidad requeridos, con lo que, si una vez instalado para un uso específico se precisa aumentar la calidad de las aguas obtenidas, sencillamente se incrementan el número de módulos de trabajo, denominados celdas.
A continuación se describen los elementos y las partes que participan en el sistema de la invención, con la terminología utilizada:
Polarizadores.- Unidades metálicas de características y composición especiales que producen la polarización eléctrica de moléculas e iones, orientando las de componente apolar y disociando las iónicas. El campo eléctrico generado por una diferencia de potencial en corriente continua, moviliza dichas especies de diferentes maneas en función de su carga eléctrica y momento dipolar eléctrico. Asimismo suministran cationes de elevado peso iónico que facilitan la aglomeración de contaminantes por efecto de campo eléctrico local. Paralelamente existen procesos de desestabilización electroquímica del agua que provocan la generación de gases, principalmente hidrógeno y oxígeno, que facilitan el arrastre por flotación de los contaminantes, convirtiéndose en lodos emergentes. Otros gases aparecen en función de los contaminantes a tratar.
Existen de dos tipos: Polarizadores con orificios y polarizadores sólidos (sin orificios).
Los polarizadores con orificios presentan una serie de orificios de dimensiones y disposiciones específicos, a través de los cuales se transmite el caudal de agua. Los orificios presentan un diámetro de entre 5 y 10 mm, dispuestos al tresbolillo a 60° y con una separación igual a su diámetro. El grueso oscila entre 5 y 10 mm. Con estas dimensiones, se pueden obtener una cuantía de orificios que se encuentra entre 700 y 2000, suponiendo una superficie de paso total (vacío) de entre un 19% y un 41%.
Todas las moléculas o iones de los contaminantes se encuentran, al abandonar el polarizador, como máximo a una distancia de la pared de la mitad del diámetro del orificio, con lo que para un valor de 10 mm, cualquier molécula se hallará a 5 mm o menos del polarizador.
Los polarizadores sin orificios, similares a los anteriores pero sin presentar orificios, deberán tener una colocación tangencial u oblicua al flujo de agua, nunca ortogonal.
El material de los polarizadores consiste en una aleación de metálica de hierro, con adiciones de carbono, silicio, manganeso y cromo, principalmente.
Activadores magnéticos.- Elementos basados en un solenoide que envuelve un núcleo metálico de material ferromagnético y que conjuntamente generan un campo magnético al pasar una corriente eléctrica por el conductor, según se desprende de la ley de Ampére. Dentro de una solución acuosa (aguas residuales) el efecto que se produce es el denominado magnetohidrodinámico (estudio de la dinámica de fluidos conductores y móviles atravesados por un campo magnético; el acoplamiento de las fuerzas magnéticas con las creadas por los campos eléctricos de los propios electrolitos crea fuerzas adicionales que, entre otros efectos, modifican el mismo campo magnético). En función de su disposición, apoya a los procesos de separación generados por los polarizadores siguiendo dos vías: bien aumentando la fuerza de movilización de las moléculas e iones hacia el lodo flotante, bien ralentizando la movilidad de las partículas cargadas o de los dipolos y manteniéndolos un mayor tiempo de residencia activo entre polarizadores, con lo que se incrementa la eficiencia de depuración.
El núcleo está fabricado en acero inoxidable. El número de espiras del solenoide, la longitud del conductor y la intensidad de corriente que lo atraviesa proporcionan la intensidad de campo magnético necesaria. Como alternativa pueden utilizadas barras imantadas que deberán colocarse respetando la polaridad Norte-Sur.
Los polarizadores con los activadores magnéticos, pueden adoptar una configuración denominada m-MIP, que corresponde a la unificación en un solo elemento de dos polarizadores con orificios (+ y -) y los activadores magnéticos. Atiende al acrónimo de Magnetoelectric Induced Polarizer y se manifiesta el proceso magnetohidrodinámico.
En esta configuración se pone de manifiesto el efecto Hall, más allá de la fuerza de Lorentz, por el cual un flujo de cargas eléctricas que atraviesa perpendicularmente un campo magnético se desplaza en la otra dirección ortogonal creando una densidad superior de dichas cargas, presentando una componente de la velocidad que ralentiza su avance y, en consecuencia, aumentando el tiempo de residencia activo.
La disposición de los activadores magnéticos respecto a los polarizadores produce este efecto Hall en una dirección u otra, que se escoge de acuerdo a los contaminantes a tratar:
1°.- Los activadores magnéticos pueden colocarse, según una disposición denominada "L", entre dos polarizadores con orificios de manera que favorezcan la ralentización de los iones y moléculas, antes de su tratamiento. Ello contribuye a un mayor tiempo de residencia activo respecto al generado únicamente con un campo eléctrico. Es útil en disposiciones secuenciales de MIP y se instala en la primera posición dentro de la celda.
2°.- Los activadores magnéticos pueden también colocarse, según una posición denominada "F", en el interior del espacio entre polarizadores con orificios, de manera que favorezcan la conducción de los iones y moléculas de ambas cargas (+,-) hacia los extremos opuestos, evitando su mezcla y ayudando a su segregación. Se instalan en los montajes en disposición fractal.
Existe otra configuración denominada e-MIP y que corresponde a la unificación en un solo elemento (+ y -) de dos polarizadores con orificios, sin activadores magnéticos. Este complementa el anterior y asegura el tratamiento definitivo.
De acuerdo con lo referido, existirán pares de polarizadores con orificios, denominados MIP, así como otros denominados HEP y que corresponde a los pares de polarizadores sólidos (sin orificios) para el tratamiento de shock inicial. Atiende al acrónimo de High Efficiency Polarizer.
En el sistema también están establecidas las que se denominan "celdas" y que corresponden a una unidad de procesado que se repite para conformar una instalación de depuración por redoxidación dirigida. Diversas celdas en paralelo o en serie proporcionan la capacidad depuradora del sistema. En función de los elementos de depuración contenidos (MIPs, HEPs) reciben un nombre u otro:
Celda de tratamiento de choque (HEP).
Celda de activación o celda de tratamiento activo (MIP).
También se establece en el sistema lo que se denomina unidad de tratamiento, que corresponde al conjunto de celdas y otros elementos y zonas que configuran un bloque de depuración que es el que se repetirá modularmente. Lleva intrínseco un caudal específico de tratamiento, con lo que la instalación de n unidades permite tratar un caudal igual a n veces el unitario (el de una unidad de tratamiento). En una instalación concreta, cada unidad de tratamiento, por separado, proporciona la misma calidad de las aguas depuradas que el resto de las unidades.
Otros medios, componentes, disposición y parámetros diversos del sistema son:
Lecho de sepiolita.- Masa de sepiolita dispuesta en un recipiente que es atravesada por el agua, una vez tratada, pero que aún requiere de un ajuste de concentración para algún contaminante y para el cual dicho mineral es efectivo. Se instala en la cola del tratamiento.
Lecho de zeolita.- Masa de zeolita dispuesta en un recipiente que es atravesada por el agua, una vez tratada, pero que aún requiere de un ajuste de concentración para algún contaminante y para el cual dicho mineral es efectivo. Se instala en la cola del tratamiento.
Lecho mixto.- Combinación de los dos lechos anteriores. Disposición secuencial.- Todo el caudal de agua atraviesa MIPs, empezando por uno de los polarizadores y seguidamente por su pareja. Cuando abandona la primera zona activa se encontrará con otro MIP, y así consecutivamente.
Disposición en escala.- Colocación de los MIP de manera que, partiendo de un MIP inicial que recibe en su espacio activo el caudal a tratar, las cargas se dispersan por la fuerza impulsora del propio caudal atravesando los polarizadores perforados, de manera que las cargas positivas atraviesan el polarizador negativo y viceversa, produciendo una descompensación de cargas en cada canalización. Los flujos resultantes se separan y no se ponen en contacto durante los siguientes procesos de tratamiento, que pueden estar en disposición secuencial. En cambio, si esta disposición se prolonga de forma fractal, se denomina indistintamente Disposición multiescala o Disposición fractal.
Tiempo de residencia hidráulico (tr h).- Se trata del tiempo que el agua se encuentra en un volumen determinado, ya sea entre dos polarizadores, en una celda, en el conjunto de la instalación, etc. Se debe referir siempre al volumen al que hace mención. Se calcula como el caudal de agua dividido por el volumen del tramo en el que se calcula.
Tiempo de residencia activo (tr a).- Es el tiempo en el que el agua a tratar se encuentra dentro de las zonas activas de depuración (MIPs, HEPs) y por tanto sometida a degradación de los contaminantes disueltos o en suspensión (o coloides). Puede referirse al tiempo de residencia de un solo elemento, de la suma de un conjunto de ellos o del total de una celda o de la instalación. Se descartan, en consecuencia, los volúmenes sin tratamiento o zonas de transición. De todo ello se desprende que tr a < tr h.
Zonas activas.- Volúmenes de las celdas o de otras partes de la instalación en la que se produce la degradación de los contaminantes por efectos de la redoxidación dirigida. Básicamente consta de la zona de tratamiento de choque y la de tratamiento activo.
Zonas de transición.- Volúmenes de las celdas o de otras partes de la instalación en la que no se produce degradación de los contaminantes. En función de su cometido se distinguen): zona calmadora, zona de decantación, zonas de paso, zonas de descompensación/compensación de cargas, y cámara de bombeo.
Volumen total de la instalación.- Es la suma de los volúmenes de las zonas activas más las de transición. No se contempla los volúmenes dedicados a la recogida y manipulación de los lodos.
Espacio activo.- Volumen interior de un m-MIP, e-MIP o HEP en donde se produce la degradación de los contaminantes.
Descompensación/compensación de cargas.- La descompensación es el proceso por el cual se separan parcialmente iones negativos de los positivos a partir de una disposición en escala o multiescala de los MIP o EFP y siguen flujos de agua diferentes. Este proceso proporciona inicialmente esta disociación que, posteriormente y por la compensación del medio acuoso, se neutraliza por su efecto del principio de Le Chátelier en la hidrólisis del agua. Con ello se consigue una primera separación efectiva de cargas para su tratamiento activo diferenciado posterior.
Ajuste de pH.- Operación por la que, o bien en cabecera de proceso o bien al final, el pH de la disolución debe ser modificado en algunos casos para garantizar el mejor rendimiento depurativo o para adecuarlo a los requerimientos de uso del agua resultante. No siempre es necesario.
Acidificante.- Si el proceso requiere ajustar el pH a la baja y la propia agua a tratar no se encuentra por debajo de pH = 4, se le añadirá un acidificante específico, cuya proporción será función de la composición de las aguas a depurar. La presencia de ciertos aniones en disolución acuosa y en un campo eléctrico genera radicales que aumentan el rendimiento de degradación.
Dosificación de reactivos o aditivos.- Adición de productos químicos que produzcan efectos en el seno de las aguas. En esta invención no se dosifica ningún tipo de reactivo (floculantes, coagulantes, solidificantes, precipitantes, coadyuvantes, polimerizantes, oxidantes) a excepción de los ajustes de pH, cuando es conveniente.
Degradación de los contaminantes.- Se utiliza como sinónimo de descomposición, depuración o tratamiento. Por lo tanto, una mayor degradación supone una mayor depuración o eliminación de contaminantes.
Separación primaria de lodos.- Durante el proceso de degradación activa de los contaminantes se generan fangos flotantes, de muy baja densidad aparente, que deben ser separados. Ello se consigue en paralelo a las zonas activas y de transición mediante decantación lateral en vertederas específicas para ello. Los lodos se redirigen para su deshidratación parcial y las aguas separadas se reconducen a cabecera o a final de proceso en función de sus características.
Desgaste (de los polarizadores).- Disminución de la masa de un polarizador a causa del proceso de activación que se genera en los M1P o HEP. Para procesos de activación anódica, el desgaste se da en el polarizador positivo (ánodo), en mayor o menor cuantía en función del flujo de corriente superficial creado y de la presencia de reacciones competitivas a la oxidación de los cationes metálicos.
El desgaste de los HEP es reducido ya que actúan bajo cambios de polaridad periódicos programados, cosa que prolonga su vida útil sin alterar su cometido, gracias a la orientación y disposición establecidas.
Por su lado, los MIP (m-MIP y e-MIP), debido al suministro de cationes al medio, son más susceptibles al desgaste. El ánodo será el afectado en caso de reacciones en las que se requiera prioritariamente la oxidación y el cátodo si se da la necesidad de reducciones. Los caracteriza el coeficiente de desgaste, Cu.
Debido a que el mayor desgaste se produce en los extremos (aristas) de los polarizadores, se ha configurado un sistema de retención de éstos de manera que quedan protegidos por dicha parte más frágil. Ello se consigue mediante unas guías en donde se deslizan y que sobresalen 10 mm de manera que, sin reducir superficie activa, aislan a los extremos de los polarizadores del desgaste electroquímico. Se van reponiendo de forma periódica a medida que alcanzan un nivel determinado de desgaste. La naturaleza de la aleación metálica hace que los polarizadores sustituidos puedan ser recuperados y reintroducidos en el ciclo, suponiendo una ventaja medioambiental evidente.
De acuerdo con lo hasta aquí expuesto, en el sistema de la invención se tiene que en los polarizadores de ambos tipos referidos los electrones son un reactivo "limpio" desde el punto de vista medioambiental. Los consumos eléctricos son muy bajos y la ocupación volumétrica es muy reducida. La operativa y mantenimiento son reducidos, no existiendo partes móviles o rotativas, siendo la generación de todos baja. Además, estos lodos presenta características inertes, con lo que los tratamientos posteriores pueden llevar a su reutilización (rellenos, lechos...).
En definitiva, pues, se trata de una técnica de menor coste de inversión, de explotación, de mantenimiento y de consumo de fungibles, en comparación con el resto de los sistemas existentes.
Además, está concebido como una técnica no selectiva, con lo que pueden tratarse prácticamente todo el tipo de contaminantes orgánicos e inorgánicos (hidrocarburos, salinos, tóxicos, metales, oxidantes, reductores, pesticidas, nutrientes...) llegando a tasas de depuración de más del 99% en muchos casos.
En cuanto al periodo de fabricación de los elementos y la construcción del sistema es corto, con lo que se pueden obtener sus beneficios en un plazo reducido. Además, su naturaleza permite el desarrollo de plantas modulares de pequeñas dimensiones que pueden movilizarse y transportarse hasta lugares afectados por problemas de suministro de agua potable (accidentes, terremotos, inundaciones, catástrofes diversas...) de forma inmediata.
Los beneficios del sistema se resumen a continuación, basados en la comparativa con las otras técnicas convencionales expuestas en el apartado "Antecedentes":
1. Permite un diseño y disposición de los polarizadores, dado que: - No son necesarios materiales de alto valor añadido.
- Todo el flujo de agua a tratar atraviesa los polarizadores y se encuentra a una mínima distancia de ellos, con lo que se halla en contacto directo con cada polarizador (positivo y negativo) y con él los contaminantes disueltos o en suspensión. - El régimen de flujo es altamente laminar (Re<50 en los orificios;
Re<300 entre polarizadores) y la morfología de la líneas de corriente favorecen la retención de iones muy cerca de las paredes de los polarizadores, cosa que se traduce en una mayor eficacia en la degradación de los contaminantes. - La conformación en e-MIP potencia el efecto de campo eléctrico.
- La conformación en m-MIP (en sus diferentes posiciones) combina el campo eléctrico con el magnético, creando el efecto Hall, con lo que las cargas eléctricas modifican su recorrido, desplazándose en sentido perpendicular al campo eléctrico, frenando su avance, cosa que aumenta el tiempo de residencia activo, y reconduciéndolas hacia la superficie o el fondo.
- La baja intensidad de corriente aplicada y la baja tensión necesaria reducen el consumo eléctrico y aporta seguridad a la instalación. - Los valores bajos de voltaje permiten utilizar de forma inmediata suministro eléctrico producido por paneles solares fotovoltaicos, (junto con el reducido tamaño), con lo que lo hace útil para atender mediante equipos móviles a zonas afectadas por catástrofes.
2.- Permite la utilización de los polarizadores HEP, con lo que:
- La vida útil se duplica, al estar conmutados para poder aplicar un cambio de polaridad periódicamente de forma automática.
- La disposición en zig-zag facilita el movimiento de la masa del agua por todo el recorrido de la etapa de choque en un reducido volumen.
3.- Permite establecer una secuencia de celda con HEP + celda con MIP, debido a que:
- El primer tratamiento se efectúa en la zona de choque, alcanzado, en poco tiempo, rendimientos del orden del 50%. Ello reduce las necesidades de grandes trenes de MIPs, posteriormente.
- Se reduce el tiempo de residencia total respecto a los equivalentes de tratamientos convencionales.
4.- Permite una distribución secuencial de los MIP en la celda de activación, con lo que:
Su conformación es flexible para establecer el número de MIP necesario.
- Los requerimientos futuros para obtener mayor depuración o aceptar mayor caudal de agua únicamente significa reducir las zonas de transición dentro de una misma celda, con lo que un volumen de la celda de tratamiento activo puede reconvertirse, tan solo añadiendo nuevos MIP, en una instalación con capacidad 20 ó 30 veces superior, sin aumentar volumen de planta ni añadir nuevos módulos, como es el caso de otros sistemas en los que se usan electrodos de barra, por ejemplo, que actúan sobre un volumen difuso y aumentar su número no implica incrementar proporcionalmente su eficacia depuradora. El hecho de confinar el campo eléctrico entre dos polarizadores (reivindicados) (y tener E=0 fuera de este volumen) permite dicha escalabilidad.
5.- Permite una distribución fractal de los MIP en la celda de activación, con lo que:
- Permite tratar de manera separada y apropiada (con voltajes, amperajes, tiempos de residencia específicos) ciertos contaminantes, básicamente sales en concentraciones significativas.
6.- La instalación como conjunto en el que se materializa es sistema, ofrece:
- Menor tiempo de residencia.
- Un sistema no selectivo ante la depuración de contaminantes, apto para aguas residuales tanto sanitarias como industriales. También para tratar aguas potables.
- Un proceso dirigido que permite potenciar, mediante la disposición y el diseño particularizados, el tratamiento de unas especies contaminantes u otras. - No se requieren aditivos químicos (floculantes, coagulantes, solidificantes, precipitantes, coadyuvantes, polimerizantes, oxidantes...). Sólo ajuste de pH cuando sea necesario. - El propio proceso depurador genera una dinámica en el flujo que permite separar los lodos en donde quedan atrapados los contaminantes.
- La separación de lodos se produce por sedimentación y flotación, esta última inducida por gases generados en la depuración, con lo que disminuye su presencia en el flujo de agua. Ello reduce la necesidad de grandes equipos de decantación o espesado de los fangos.
- La cantidad de lodos producida es significativamente inferior a los procesos convencionales de depuración de aguas. - No se requieren elementos eléctricos de potencia (a excepción del bombeo). No existen partes móviles.
- Es un sistema modular, escalable tanto para soportar mayores caudales como para obtener mejores calidades de las aguas (mayor depuración).
- Permite cualquier grado de automatización. - El único recurso necesario es el suministro eléctrico de corriente continua, a bajo voltaje y a bajo amperaje.
- La mano de obra de mantenimiento es muy reducida. Costes de explotación y mantenimiento más bajos.
- Posibilidad de construcción en fábrica de los módulos y ensamblaje en planta.
- Inversión reducida; de un orden mínimo de la mitad de un sistema convencional
- Menor espacio necesario.
- Rápida fabricación y suministro de recambios y polarizadores. - Tiempo de montaje de la instalación, menor.
- Reducción de los elementos de post tratamiento. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una vista en alzado de un polarizador con orificios.
La figura 2.- Muestra otra vista de un polarizador con orificios donde se dejan ver a mayor escala la disposición y distanciamiento de los orificios del polarizador.
La figura 3.- Muestra una representación correspondiente a una perspectiva general del polarizador representado en la figura anterior.
La figura 4.- Muestra una vista en perspectiva como la de la figura anterior, pero en este caso correspondiente a un polarizador sin orificios.
La figura 5.- Muestra la disposición de dos polarizadores con orificios pero sin activadores magnéticos.
La figura 6.- Muestra una representación como la de la figura anterior, pero con activadores magnéticos en disposición horizontal, es decir, en lo que se ha dado en denominar a lo largo de la descripción en "L". La figura 7.- Muestra una vista como la de la figura anterior con los activadores magnéticos en disposición vertical, es decir en lo que se ha dado en denominar posición en "F". La figura 8.- Muestra una vista en sección de dos polarizadores con activadores magnéticos intermedios, observándose los desplazamientos inducidos de las cargas positivas y negativas en el seno de doble campo magnetoeléctrico. Las figuras 9, 10 y 11.- Muestran otras tantas representaciones correspondientes a distintas disposiciones de los polarizadores para conformar tratamientos distintos, mostrándose en la figura 9 una disposición secuencial, en la figura 10 una disposición fractal o multiescala, y en la figura 1 1 una disposición combinada.
La figura 12.- Muestra una vista en sección y con detalles correspondientes al efecto del régimen laminar en la reacción polarizador/iones o de polos, viéndose la movilidad de las cargas eléctricas en la corriente del fluido y las zonas de mayor y menor velocidad, así como las de retención de iones.
Las figuras 13 y 14.- Muestran sendas vistas en planta y alzado de una unidad de tratamiento para unas dimensiones determinadas. La figura 15.- Muestra, finalmente, un detalle en sección de dos polarizadores con orificios y sin activadores magnéticos, en donde se deja ver la esquematización del flujo eléctrico, en el sentido del flujo del agua residual, el campo eléctrico, el de la corriente eléctrica continua, los electrones y la resistencia producida por el medio acuoso. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Como se puede ver en las figuras referidas, el sistema de la invención comprende una unidad de tratamiento (1), representada en las figuras 13 y 14, que puede repetirse modularmente, la cual consta fundamentalmente de dos zonas de trabajo (2 y 3) debidamente acotadas, además de otras partes que se irán exponiendo a lo largo de la presente descripción.
En la zona de trabajo (2) se establece un tratamiento de choque para las aguas, incluyendo pares de polarizadores sólidos (4), es decir sin orificios, también denominados (HEP), mientras que en la zona de trabajo (3) se establece un tratamiento activo, incluyendo polarizadores (5) con orificios, así como activadores magnéticos entre parejas de polarizadores.
Estos pares de polarizadores (5) se denominan también (m-MIP). Además, en dicha zona de trabajo (3), a continuación de los polarizadores (5), se incluyen otros pares de polarizadores (6) igualmente con orificios pero sin activadores magnéticos, denominándose (e-MIP).
El foco de la depuración se haya en la combinación adecuada de dichos elementos con su diseño particular, en la aplicación de un voltaje y una intensidad de corriente apropiados, así como la consecución del tiempo de residencia activo necesario.
En la unidad de tratamiento (1) comentada, con anterioridad a la zona de trabajo (2) o de tratamiento de choque, se incluye una entrada calmadora (7), mientras que a continuación de la zona de trabajo (3) o de tratamiento activo se incluye una zona de decantación (8), seguida de una cámara de bombeo (9) y de una zona de afino (10), incluyendo además un canal de recogida de lodos (1 1). Siguiendo la relación de las figuras, se tiene que en las figuras 1, 2 y 3 se muestra un polarizador (5), con orificios (12), a través de los cuales fluye el caudal de agua (13), como se muestra, por ejemplo, en las figuras 8, 9 10, 1 1 y 15. Los polarizadores en general presentan una longitud, anchura y grosor que dependerán de las dimensiones de la unidad de tratamiento (1).
En la figura 4 se muestra un polarizador sin orificios (4), que conformaría, junto con otro idéntico, un (HEP).
En la figura 5 se muestran dos polarizadores (5) dispuestos paralelamente entre si y en proximidad uno de otros, formando una arquitectura de polarizadores (e-MIP) sin activadores magnéticos, mientras que en la figura 6 se muestran dos polarizadores (5) y entre ellos unos activadores magnéticos (13), según una disposición horizontal o en "L", formando una arquitectura (m-MIP).
Sin embargo, en la figura 7 se muestran dos polarizadores (5) y entre ellos unos activadores magnéticos (13') con una disposición vertical o en "F", formando una arquitectura (m-MIP).
En la figura 8 se muestra una sección de la arquitectura correspondiente a la figura 6, produciéndose el efecto Hall y dejando ver los desplazamientos inducidos de las cargas (+ y -), en el seno del doble campo magnetoeléctrico (B). El flujo del agua es el referenciado con la flecha (14) y el nivel del agua el referenciado con (N).
En las figuras 9, 10 y 1 1 se muestra la disposición de los polarizadores (5) para conformar tratamientos distintos, correspondiendo la figura 9 a la disposición secuencial, de manera que todo el caudal de agua atraviesa los polarizadores, empezando por uno de ellos y seguidamente por su pareja, de manera que cuando abandona la primera zona activa se encontrara con otro polarizador y así sucesivamente. La figura 10 corresponde a la disposición fractal o multiescala, en donde los polarizadores están dispuestos de manera que partiendo de un polarizador inicial que recibe en su espacio activo el caudal a tratar, las cargas se dispersan por la fuerza impulsora del propio caudal, atravesando los polarizadores con orificios, de manera que las cargas positivas atraviesan el polarizador negativo y viceversa, produciendo una descomposición de las cargas en cada canalización. Los flujos resultantes se separan y no se ponen en contacto durante los siguientes procesos del tratamiento, que pueden estar en disposición secuencial. Sin embargo si esta disposición se prolonga de forma fractal se denominará indistintamente disposición multiescala o disposición fractal.
La figura 1 1 corresponde, finalmente, a la disposición combinada.
En dichas figuras 9, 10 y 1 1, el flujo del agua es el indicado con la ya comentada referencia (14).
En la figura 12 se muestra el efecto del régimen laminar en la reacción polarizador/iones o de polos, viéndose en detalle la movilidad de las cargas eléctricas correspondientes al campo eléctrico (E), en la corriente del fluido y las zonas de mayor y menor velocidad, así como las de retención de iones.
En las figuras 13 y 14 se muestra la ya descrita unidad de tratamiento (1) con unas dimensiones determinadas, y que se repetirá modularmente.
La figura 15 muestra, finalmente, una arquitectura (e-MIP) con la esquematización del flujo eléctrico, viéndose que, para una disposición determinada de los polarizadores (5), (+ y -), se recoge el sentido de flujo ( 14) del agua residual, así como el del campo eléctrico (E), el de la corriente eléctrica continua (I), el de los electrones (ne~) y la esquematización de la resistencia (R) producida por el medio acuoso, cuyo nivel es el representado con (N), mientras que (V) representa la alimentación eléctrica en continua. De acuerdo con lo hasta aquí expuesto, el proceso de depuración de acuerdo con el sistema de la invención es como sigue:
Las aguas residuales acceden a la unidad de tratamiento ( 1), por la zona calmadora (7), en donde se reduce la turbulencia, para que seguidamente se introduzcan en la zona (2) o de tratamiento de choque. En dicha zona los polarizadores (4), (HEP) generan un campo eléctrico del orden de 5-8 V/cm, con una densidad de corriente que dependerá de la conductividad eléctrica del
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agua y que oscilará entre los 2 y 10 mA/cm . Esta primera fase de tratamiento provoca un impacto en las cargas eléctricas (átomos y moléculas de los contaminantes), a pesar que la velocidad del agua no es menospreciable, se mantiene baja (10-100 cm/min), que permite la degradación por redoxidación de los contaminantes menos refractarios, de manera que se consigue eliminar un porcentaje significativo de carga contaminante (entre un 25 y un 60%; tr a = 0,2-2 min) en un reducido volumen antes del tratamiento específico en la siguiente etapa. Un cambio de polaridad periódica realizada de forma automática entre cada pareja de polarizadores (4) de arquitectura (HEP) permite prolongar la vida útil de ellos. Se ha establecido una cadencia que oscila entre 30 min y 2 h, según se ha extraído de las investigaciones, y que proporciona la mayor vida útil.
Un parámetro importante es el número adimensional de Reynolds. A pesar que en esta fase no es esencial, se mantiene en el régimen laminar. En las posteriores zonas activas sí que es imprescindible su control.
La siguiente etapa, tiene lugar en la zona (3) o de tratamiento activo, realizándose la depuración definitiva (hasta la calidad deseada) de las aguas contaminadas, ya que el diseño de los polarizadores, su conformación en (m-MIP) y/o (e-MIP) y los valores de voltaje y amperaje se ajustan a las características específicas del efluente.
En este caso, el número de polarizadores conformados en (M1P) debe ser tal que permita el tiempo de residencia activo necesario para reducir la carga contaminante de acuerdo a las premisas establecidas para la calidad de agua deseada, de manera que tr,a (celda trat. activo) =∑ ¡ tr>a(m-MIP)i +∑ ¡ tr a(e-MIP)¡
Los valores de tr a(celda trat. activo) dependen del tipo de agua residual, sus componentes contaminantes y los requerimientos de salida y puede oscilar entre unos pocos minutos y algunas horas, pero que, en comparación con el tratamiento convencional correspondiente, sigue hallándose por debajo.
A su vez los tiempos parciales entre los polarizadores en (MIP) son función de la distancia entre polarizadores y de la velocidad de paso del agua. La distancia se define para conseguir un amperaje determinado que dependerá de la resistencia eléctrica de la franja de agua que haya entre los polarizadores, a un voltaje establecido. Un modelo del funcionamiento del e ecto de polarización e ionización se ilustra en la figura 8, en donde R representa la resistencia (función inversa de la conductancia).
Así, dicha tensión tiene que ser como mínimo igual a la del potencial redox de la semi-reacción del compuesto a degradar (oxidar/reducir) más un sobrepotencial que consta de dos partes: una primera para vencer al efecto dieléctrico del agua (80 veces más conductora que el aire pero hasta 109 veces menor que el cobre), que crea un campo inverso al producido por los polarizadores (Vdiel), y una segunda que permite superar el defecto termodinámico descrito por la ecuación de Tafel, básicamente entendido como una energía de activación (Vact).
V2xpolanz ~~ Vfem + Vdjei act
Dado que los amperajes son inferiores a 5 A (normalmente 0,5 - 2 A) y los voltajes totales (con sobrepotencial incluido) se sitúan en un rango de 6 a 15 V entre los polarizadores (MIP), las potencias por unidad se hallarán en la horquilla 3 a 30 W, con lo que el consumo por pareja de polarizadores en la etapa de tratamiento activo puede oscilar entre 26 kWh/año y 260 kWh/año.
La velocidad del agua en esta zona es del orden de 6 cm/min, cosa que se da tanto en las transiciones como en el espacio activo entre polarizadores (MIP). Para la configuración de paso de la figura 13, ello supone un valor del número adimensional de Reynolds de 270, encontrándose en la zona de régimen laminar. En el momento que el flujo de agua atraviesa los polarizadores por los orificios, el Re se sitúa ligeramente por debajo de 50, a pesar de que la velocidad, mientras cruzan las perforaciones, aumenta hasta los 30 cm/min (figura 12).
El campo eléctrico aplicado permite polarizar las especies químicas presentes, a partir de tres tipos de polarización que constituyen la global y generan dipolos: la polarizabilidad electrónica, que representa el desplazamiento asimétrico de la nube de electrones respecto al núcleo formando un dipolo, la polarizabilidad bipolar, en la que se establece un cambio de orientación de los dipolos permanentes de las moléculas y la polarizabilidad iónica que produce la separación de un ión con relación a otros de distinto signo induciéndose un dipolo instantáneo que acaba por romperse y liberar de forma independiente los iones, cosa que provoca el movimiento de la corriente iónica evitando una adicional disminución de campo eléctrico local por oposición del campo dipolar (Ep).
A partir de estos fenómenos se configura el sistema del tratamiento activo para obtener el máximo rendimiento descontaminante: la polarizabilidad sobre las moléculas conseguida mediante el campo eléctrico (e-MIP) o la unión de éste con el campo magnético (m-MIP) es relativamente frágil ya que cualquier turbulencia las desorienta de nuevo y se reduce la capacidad del sistema para desplazar las moléculas o iones hacia su destino (polarizadores). De ahí que sea imprescindible tratar de mantener un régimen laminar en el seno del agua en el volumen activo intrapolarizadores. El régimen laminar es esencial para el éxito de la reacciones de degradación en el primer polarizador, aunque pueda pensarse que un régimen turbulento puede facilitar la transferencia de materia en la capa difusiva.
Los conocidos efectos positivos de la turbulencia en el acercamiento de las moléculas hacia la pared de los polarizadores y su capacidad para vencer la doble capa de Gony-Chapman y la absorbida de Helmholtz, contravienen la pérdida de orientación de los dipolos, cosa que reduce la eficacia. Con la intención de poder superar dicha doble capa sin aumentar el número de Reynolds, se han diseñado los polarizadores con las perforaciones adecuadas y unas dimensiones de orificio específicas para conseguir reducir el Re hasta valores inferiores a 100. En la figura 12 se observa su utilidad, ya que la zona de recirculación laminar de las líneas de corriente produce una acercamiento calmado de los iones del signo contrario hacia la pared del polarizador, confinándolos en dicho espacio (el equivalente en fluidodinámica al drag, resistencia al avance, o depletion zone, zona de agotamiento), y aumentando su concentración, cosa que facilita su atracción y contacto sin sufrir el efecto de repulsión de los contraiones que, debido al régimen laminar, no han sido mezclados con los primeros y se dirigen hacia el otro polarizador. La doble capa se hace, así, más estable y eficaz y se reduce la zona de agotamiento, que supone una resistencia a la transferencia de materia. Adicionalmente, la movilidad iónica, de magnitud muy reducida, mantiene su parte de peso específico en un régimen laminar tan bajo, aprovechándose, también, este efecto.
Este mecanismo también contrarresta el efecto turbulento que acompaña a la generación de gases en el polarizador anódico. aunque en general es muy pequeña, y reduce la resistencia a los efectos de la cinética de reacción electroquímica que, cabe indicarlo, son minimizados por cierta energía de activación proporcionada por el sobrepotencial correspondiente.
Todos estos factores se describen, por supuesto, desde un punto de vista estadístico.
En definitiva, todo el flujo emerge de un polarizador y ello provoca que el campo eléctrico llegue por igual a todos los puntos del volumen intrapolizadores, mientras que otros diseños (flujo tangencial, electrodos de barra...) presentan zonas muertas o de menor incidencia.
Una vez finalizado este recorrido por la celda de tratamiento activado, el agua la abandona, ya tratada, por una cota intermedia que evita el arrastre de lodos. El siguiente paso, el afino, puede ser cualquier sistema físico simple de ajuste de sólidos en suspensión, básicamente, o mediante lechos de sepiolita, zeolita o mixtos.
Con la combinación de los procesos llevados a cabo en los pares de polarizadores (HEP), inicialmente, y en los pares de los polarizadores (MIP) posteriormente, los contaminantes sufren diferentes efectos físicos con trascendencia química que supone la degradación de especies no deseadas hasta otras de menor nocividad. Además, algunas de las diferentes reacciones paralelas que se producen (acidificación, basificación, generación de radicales Cl , OH , O , peróxidos, entre otros) confieren un ambiente biocida muy intenso capaz de desinfectar el agua, eliminando los patógenos presentes.
Los porcentajes de eliminación de algunos contaminantes en el 00269
- 32 - sistema completo de tratamiento, a tiempos hidráulicos de residencia menores de los de los sistemas convencionales (entre 2 y 10 veces inferiores; si se aumenta el tiempo, el porcentaje también lo hace) se recogen a continuación.
Figure imgf000034_0001
Durante los procesos de redoxidación dirigida en el tratamientos de choque y en el tratamiento activo, se generan dos tipos de lodo: (a) pesado, que sedimenta y recoge los contaminantes más densos, siendo el menos importante en volumen, y (b) flotante, de menor densidad y que ve favorecida su flotación por la generación de gases en los polarizadores, efecto que proporciona una densidad aparente a los lodos menor y, por tanto, mayor flotabilidad. Por la zona intermedia circula el fluido en tratamiento. Este proceso inducido de separación de lodos reduce las necesidades de grandes decantadores y espesadores posteriores.
Los lodos sobrenadantes son evacuados por sobrevertido por un lateral, a través del canal de recogida (1 1). La cantidad total de lodos generados oscila entre un 2% y un 8% de fangos húmedos respecto al volumen total de aguas tratadas, que suponen entre un 0,5% y un 2% de éstos deshidratados. Se trata de cantidades y proporciones inferiores a la que generan otros sistemas.
El sistema es escalable para aumentar la calidad y la cantidad de agua tratada. La primera se obtiene mediante el incremento del tiempo de residencia activo, instalando en una misma celda más pares de polarizadores (e-MIP, m-MIP) o más celdas de tratamiento activo (actuación en serie). Por su parte, un incremento de módulos permite una mayor capacidad del sistema y, con ello, un mayor caudal a tratar (actuación en paralelo).

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
Ia.- Sistema de tratamiento de aguas residuales, previsto para reducir o eliminar la carga contaminante de las aguas residuales, siendo aplicable igualmente para tratar aguas domésticas e industriales, así como aguas con carácter potable, como son las de los acuíferos, lagos, ríos y pre- potabilizadas, caracterizado porque comprende una unidad de tratamiento (1) modular con dos zonas de trabajo (2) y (3), realizándose en la zona de trabajo (2) un tratamiento de choque, mientras que en la zona de trabajo (3) se realiza un tratamiento activo, incluyendo en la zona de trabajo (2) unos polarizadores sólidos (4) sin orificios, definiendo una arquitectura (HEP), en tanto que la zona de trabajo (3) incluye unos polarizadores (5) con orificios (12) y entre ellos unos activadores magnéticos (13 ó 13'), así como unos polarizadores (6) con orificios (12) pero sin activadores magnéticos, estableciendo los polarizadores con orificios y activadores magnéticos una arquitectura (m- MIP), mientras que los polarizadores con orificios y sin activadores magnéticos establecen una arquitectura (e-MIP).
2a.- Sistema de tratamiento de aguas residuales, según reivindicación 1, caracterizado porque los activadores magnéticos (13) de los pares de polarizadores (5) (m-ΜΙΡ) con orificios (12), presentan una disposición intercalada de forma horizontal, favoreciendo la ralentización de los iones y moléculas antes del propio tratamiento de las aguas. 3a.- Sistema de tratamiento de aguas residuales, según reivindicación 1, caracterizado porque los activadores magnéticos (13') de los pares de polarizadores (5) (m-MIP) con orificios (12), presentan una disposición vertical, favoreciendo la conducción de los iones y moléculas de ambas cargas (+ y -), hacia los extremos opuestos. 4a.- Sistema de tratamiento de aguas residuales, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los orificios de los polarizadores presentan una disposición y un diámetro que favorecen el contacto de los iones y moléculas polares con la pared interior del polarizador.
5a.- Sistema de tratamiento de aguas residuales, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque a continuación de la zona de trabajo (3) de la unidad de tratamiento (1), se incluye una zona de decantación (8) de reducidas dimensiones.
6a.- Sistema de tratamiento de aguas residuales, según reivindicación 1 , caracterizado porque los polarizadores de arquitectura (e- MIP) presentan una disposición secuencial, fractal, o una combinación de ambas,
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