WO2015136140A1 - Dispositivo y procedimiento para la depuración de aguas residuales mediante plantas acuáticas - Google Patents

Dispositivo y procedimiento para la depuración de aguas residuales mediante plantas acuáticas Download PDF

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Vicente Torres Junco
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Vicente Torres Junco
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/32—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the animals or plants used, e.g. algae
    • C02F3/327—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the animals or plants used, e.g. algae characterised by animals and plants
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    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to a device and method for the purification of waste or contaminated water by the use of aquatic plants, such as floating helophyte plants.
  • helophytes also called emerging macrophytes, a series of amphibious perennials whose persistent organs are rooted in the bottom of a wetland and whose stems emerge and develop leaves and flowers in the air environment are included.
  • This type of plant has the power to transport oxygen from the air from the emerging parts to the roots through a specific tissue called an airborne.
  • the excess oxygen that the roots do not use is used by the microorganisms that live in the rhizosphere of these plants to breathe and thus degrade the surrounding organic matter, this being a natural way of purifying the waters of natural wetlands and ditches , streams and rivers that receive wastewater
  • Helophyte plants have demonstrated a great capacity for purification of wastewater, regenerating water without consuming energy or producing sludge, thus providing robust and sustainable solutions to industrial and urban purification. They therefore offer important advantages over other traditional treatments, especially for their energy efficiency, and their maintenance is scarce and simple.
  • Some methods are known that employ floating macrophyte plants for water purification, for example, the one described in patent ES2120388 B1 which makes use of emerging macrophyte plants that form a floating tapestry or mantle on the surface of the water.
  • document ES2324277 discloses a continuous tapestry of helophyte plants with ballast for semi-submerged use in wastewater treatment.
  • the drawback of the systems described so far in the purification of water using macrophyte or helophyte plants is that these plants are sinking as they grow, due to the increase in the weight of their aerial biomass. The sinking of them causes their purification capacity to decrease or paralyze, it can even cause the death of the plant. The same goes for the semi-submerged plants procedure.
  • the fully developed Typha helophite plants of the genus and leaving them floating in an upright stable vertical position on the surface of the water sink the base of their leaves in the water around 25 cm, which minimizes the transfer of oxygen to the water in more than 61%.
  • the present invention discloses a new device that allows to keep the plants in hyperflotation, that is, with its system of leaves and stems floating outside the water and only keeping the rhizomes and roots of the same submerged as close to the water surface.
  • the procedure based on the use of this device allows to increase the contribution of oxygen to the water by the plants, thus favoring its ability to degrade the organic matter present in the water, in addition to preventing their death by sinking into areas anoxic where they cannot transfer oxygen.
  • the device for the purification of wastewater by means of aquatic plants of the helophyte type comprises a mesh that is maintained in flotation thanks to a series of floating buoys to which said mesh is attached.
  • Floating buoys are swollen with a less dense fluid than water (air, hydrogen, etc.) and are configured to allow the mesh to support a weight of at least 5 kg / m 2 of surface.
  • the material that constitutes the mesh can be of more or less density than water, since its weight is supported by the buoys.
  • Helophyte plants are attached to the mesh with flanges, wires or any other similar element.
  • helophyte plants used are the aneas (genus Typha), castanet (genus Cyperus), esparganio (genus Sparganius), reeds (genus Juncus), papyri (genus Cyperus).
  • the process of the present invention is based on the use of the device described above, to which the helophite plants that are kept in hyperflotation are fixed, that is, always keeping their leaf and stem system emergent, out of the water and only being their rhizomatic system submerged in water.
  • the device described above in order to carry out the purification process, is first placed on the surface of the water and the plants are placed or fixed therein.
  • the buoys support the weight of the constituent material of the mesh itself and the aerial part (leaves, stems) of the plants that grow associated or attached to it.
  • the rhizomatic system of the plants is always kept submerged and the closest to the surface of the water to be purified, causing an increase in the transfer of oxygen to the water of more than 67%, being the maximum isostatic difference of oxygen between the air system and the rhizomatic.
  • the mesh supported by the buoys allows to support the weight of the leaves and stems of the helophyte plants even in their maximum degree of development, without them sinking below the level of the surface of the water the entrenchment of the leaves with the rhizomatic system. It is only keeping your rhizomatic system underwater and as close to the surface.
  • the rhizomatic system does not transfer weight to the mesh since its density tends to be that of water.
  • the increase in oxygen transferred to the water for the degradation of organic matter is achieved through the inherent capacity of the plant structure of the helophyte plants, due to the difference in isostatic pressure between the pressure of dissolved oxygen in the air and in the medium in which the rhizome and root system (the rhizosphere) is found.
  • the rhizosphere In the rhizosphere the interaction with aerobic microorganisms takes place, which capture the oxygen supplied by the plants.
  • the transfer of oxygen to water by helophyte plants is a function of the difference in oxygen concentration in contact with the leaves (the air always tends to 21% at sea level) and the depth at which the rhizomes bathed by the water, which can reach 0%, and the internal resistance offered by the plant to the passage of oxygen through its spongy parenchyma or aerénquima (which produces a pressure loss 0.35-0.4 atmospheres).
  • the rhizomatic system is obliged to always remain as close to the surface of the water, without descending to a depth greater than 0.65 meters from the surface of the water in order to remain in an toxic environment created by the transfer of oxygen from the rhizome or root towards the water that bathes its exterior.
  • Figure 1 shows a plan view of the device of the present invention.
  • Figure 2 shows a section of Figure 1 on ll-ll in which helophyte plants have been located.
  • the device used for the purification of sewage or contaminated water, whether urban, industrial, mining, etc. comprises a mesh (9) to which helophyte plants are attached, said mesh (9) is kept floating due to buoys floating (4) to which it is attached.
  • the buoys (4) are swollen with a less dense fluid than water, such as air, hydrogen, etc., allowing the entire system of stems and leaves (1) of the plants to be maintained on the surface of the water (3) and only its Rhizome (2) with its roots remains submerged (see figure 2).
  • the mesh (9) is formed by ribs (7) that cross each other forming the knots (10) of the mesh.
  • rigid tensioning elements (7) can be placed by connecting non-contiguous knots (10) of the mesh (9).
  • the buoys (4) are connected to a fluid storage tank (6) through conductive tubes (5) through which the fluid flows less dense than water from the storage tank (6) to the buoys (4), so that buoys can swell as necessary to keep the system of stems and leaves (1) of the helophyte plant emerging.
  • the direction of the fluid from the accumulator tank (6) to the buoys (4) is shown with arrows.
  • FIG 1 only some of the buoys (4) are represented, and there may be a greater number of buoys according to the needs.
  • the mesh (9) attached to buoys (4) is preferably configured for a lift of at least 14kg / m 2 , which is possible, for example, by swelling the buoys (4) with hydrogen or helium.
  • the aerial part of the plants (stems and leaves) in green stage can weigh a maximum of 12 Kg / m 2 , reason why the mesh (9) could bear without problem the weight of the same maintaining them in constant flotation and without sinking, in the period of vegetative stop ("dry leaves”), its weight would be about 3 Kg./m 2 .
  • the maximum oxygen transfer (100%) will be achieved when the foliar system (leaves) of the plant is maintained above the water level, so the floating system has to fully support the weight of the aerial biomass capable of producing the helophyte, that is, a weight around 12 Kg / m 2 .
  • the rhizomatic system In a device like the one described, capable of supporting the weight of the foliar system (leaves) of the helophyte, the rhizomatic system will not descend more than 40 cm from the surface of the water and the oxygen transfer will reach 100% of its capacity. If the bearable weight of the floating system is lower, the rhizomatic system may descend to 65 cm. and the transfer of oxygen at this depth will drop to 0%. From This depth will not be able to live the helophyte since it would be attacked by anaerobic bacteria.
  • x% oxygen transfer (25- h) x 4, where h is the depth at which the base of the leaves, expressed in cm, has sunk.

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Abstract

Dispositivo para la depuración de aguas residuales mediante plantas acuáticas formado por una malla (9) en la que se fijan las plantas acuáticas y una serie de boyas flotantes (4) a las cuales va unida a la malla (9), estando dichas boyas hinchadas con un fluido menos denso que el agua y configuradas para permitir que la malla (9) soporte un peso de al menos 5 Kg/m2 sin hundirse. El procedimiento de depuración se basa en el uso de este dispositivo al cual se fijan plantas helofitas manteniendo su sistema de tallos y hojas emergente sobre la superficie del agua con objeto de aumentar la transferencia de oxígeno desde el sistema rizomático de las plantas al agua.

Description

DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO PARA LA DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE PLANTAS ACUÁTICAS Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo y procedimiento para la depuración de aguas residuales o contaminadas mediante el uso de plantas acuáticas, tales como plantas helofitas en flotación.
Antecedentes de la invención
El procedimiento de plantación y cultivo de plantas en la superficie del agua sin necesidad de tierra está siendo muy utilizado en la depuración de aguas residuales y vertidos contaminantes. Entre las plantas utilizadas con esta finalidad se encuentran las plantas helofitas.
Bajo el término de helofitas, también llamadas macrofitas emergentes, se incluye a una serie de plantas perennes anfibias cuyos órganos persistentes están arraigados en el fondo de un humedal y cuyos tallos emergen y desarrollan hojas y flores en el medio aéreo. Este tipo de plantas posee la facultad de transportar el oxígeno del aire desde las partes emergidas hasta las raíces a través de un tejido específico llamado aerénquima. El exceso de oxígeno que no utilizan las raíces es aprovechado por los microorganismos que viven en la rizosfera de estas plantas para respirar y degradar así la materia orgánica circundante, siendo ésta una forma natural de depuración de las aguas de los humedales naturales y de las acequias, arroyos y ríos que reciben aguas residuales
Las plantas helofitas han demostrado una gran capacidad de purificación de aguas residuales, regeneran el agua sin consumir energía ni producir fangos, aportando de esta forma soluciones robustas y sostenibles a la depuración industrial y urbana. Ofrecen, por tanto, importantes ventajas respecto a otros tratamientos tradicionales, especialmente por su eficiencia energética, siendo además su mantenimiento escaso y sencillo.
Se conocen algunos procedimientos que emplean plantas macrofitas en flotación para la depuración de aguas, por ejemplo, el descrito en la patente ES2120388 B1 que hace uso de plantas macrofitas emergentes que forman un tapiz o manto flotante sobre la superficie del agua.
Por otra parte, el documento ES2324277 divulga un tapiz continuo de plantas helofitas con lastre para su uso semisumergido en la depuración de aguas residuales. El inconveniente de los sistemas descritos hasta ahora en la depuración de aguas utilizando plantas macrofitas o helofitas es que dichas plantas se van hundiendo según van creciendo, debido al incremento del peso de su biomasa aérea. El hundimiento de las mismas provoca que su capacidad de depuración disminuya o se paralice, incluso puede provocar la muerte de la planta. Lo mismo ocurre mediante el procedimiento de las plantas semisumergidas.
Así, por ejemplo, las plantas helofitas del género Typhas completamente desarrolladas y dejándolas flotantes en posición erecta vertical estable en la superficie del agua, hunden la base de sus hojas en el agua entorno a 25 cm, lo que hace minimizar la transferencia de oxígeno al agua en más del 61 %.
Por esta razón, la presente invención divulga un nuevo dispositivo que permite mantener las plantas en hiperflotación, es decir, con su sistema de hojas y tallos en flotación fuera del agua y solamente manteniendo sumergidos los rizomas y raíces de las mismas lo más próximo a la superficie del agua. El procedimiento basado en el uso de este dispositivo permite aumentar la aportación de oxígeno al agua por parte de las plantas, favoreciendo así su capacidad de degradación de la materia orgánica presente en el agua, además de evitarse la muerte de las mismas por hundimiento a zonas anóxicas donde no pueden transferir oxigeno.
Descripción de la invención
El dispositivo para la depuración de aguas residuales mediante plantas acuáticas del tipo helofitas comprende una malla que se mantiene en flotación gracias a una serie de boyas flotantes a las que dicha malla va unida. Las boyas flotantes se encuentran hinchadas con un fluido menos denso que el agua (aire, hidrógeno, etc) y están configuradas para permitir que la malla soporte un peso de al menos 5 Kg/m2 de superficie. El material que constituye la malla puede ser de más o menos densidad que el agua, dado que su peso lo soportan las boyas. Las plantas helofitas se encuentran fijadas a la malla con bridas, alambres o cualquier otro elemento similar. Entre las plantas helofitas utilizadas se encuentran las aneas (género Typha), castañuela (género Cyperus), esparganio (género Sparganius), juncos (género Juncus), papiros (género Cyperus).
El procedimiento de la presente invención se basa en el uso del dispositivo descrito anteriormente, al cual se fijan las plantas helofitas que se mantienen en hiperflotación, es decir, manteniendo siempre emergente, fuera del agua, su sistema de hojas y tallos y solamente estando su sistema rizomático sumergido en el agua. En general, para llevar a cabo el procedimiento de depuración, en primer lugar se sitúa primero el dispositivo descrito sobre la superficie del agua y en él se colocan o fijan las plantas.
Las boyas soportan el peso del material constituyente de la propia malla y de la parte aérea (hojas, tallos) de las plantas que crecen asociadas o unidas a ésta. El sistema rizomático de las plantas se mantiene siempre sumergido y lo mas próximo a la superficie del agua a depurar, provocando un incremento en la transferencia de oxígeno al agua de más del 67%, al ser máxima la diferencia isostática de oxigeno entre el sistema aéreo y el rizomático. La malla sostenida por las boyas permite soportar el peso de las hojas y tallos de las plantas helofitas incluso en su máximo grado de desarrollo, sin que éstas hundan por debajo del nivel de la superficie del agua el entronque de las hojas con el sistema rizomático. Únicamente es manteniendo su sistema rizomático bajo el agua y lo más próximo a la superficie. El sistema rizomático no transfiere peso a la malla dado que su densidad tiende a ser la del agua. El incremento de oxígeno transferido al agua para la degradación de la materia orgánica, se consigue mediante la capacidad inherente de la estructura vegetal de las plantas helofitas, debido a la diferencia de presión isostática existente entre la presión de oxígeno disuelto en el aire y en el medio en el que se encuentra el sistema de rizomas y raíces (la rizosfera). En la rizosfera tiene lugar la interacción con microorganismos aerobios, que captan el oxígeno suministrado por las plantas.
La transferencia de oxígeno al agua por parte de las plantas helofitas es función de la diferencia de concentración de oxígeno en contacto con las hojas (el aire siempre tiende al 21 % a nivel del mar) y a la profundidad a que se encuentran los rizomas bañados por el agua, que puede llegar a ser del 0%, y de la resistencia interna que ofrece la planta al paso del oxigeno por su parénquima esponjoso o aerénquima (que produce una perdida de presión 0,35-0,4 atmósferas). En la presente invención, el sistema rizomático es obligado a permanecer siempre lo más próximo a la superficie del agua, sin descender a una profundidad superior a 0,65 metros de la superficie del agua para mantenerse en ambiente óxico creado por la transferencia de oxigeno del rizoma o raíz hacia el agua que baña su exterior. Entorno de los 0,65 m. de profundidad, la planta no puede emitir oxigeno por su sistema rizomático al no tenerlo en sus vasos internos por lo que las bacterias de la podredumbre, que viven siempre en ambiente anóxico, llegarán a ponerse en contacto con la superficie de las plantas pasando a su interior y pudriéndolas Descripción de las figuras
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de figuras donde con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra una vista en planta del dispositivo de la presente invención.
La figura 2 muestra una sección de la figura 1 por ll-ll en la que se han situado plantas helofitas.
En dichas figuras, las diferentes referencias que en ellas aparecen tienen los siguientes significados:
1. - Hoja de planta helofita
2. - Rizoma de planta helofita
3. - Superficie del agua
4. - Boya flotante
5. -Tubo conductor de fluido
6. - Depósito acumulador de fluido
7. - Nervios
8. - Elemento tensor
9. - Malla
10.-Nudos
Descripción detallada de una realización preferida
Para ayudar a comprender mejor todo lo descrito con anterioridad, se reseña a continuación una realización preferida de la invención en base a las figuras presentadas.
El dispositivo utilizado para la depuración de aguas residuales o contaminadas, bien sean urbanas, industriales, mineras, etc., comprende una malla (9) a la que van fijadas plantas helofitas, dicha malla (9) se mantiene en flotación gracias a unas boyas flotantes (4) a las que va unida. Las boyas (4) están hinchadas con un fluido menos denso que el agua, como el aire, hidrógeno, etc, permitiendo mantener todo el sistema de tallos y hojas (1) de las plantas sobre la superficie del agua (3) y sólo su rizoma (2) con sus raíces permanece sumergido (véase figura 2).
Tal y como se observa en la figura 1 , la malla (9) está formada por nervios (7) que se cruzan entre sí formando los nudos (10) de las malla. Con objeto de mantener la estructura de la malla (9) y que ésta no se deforme, se pueden poner unos elementos tensores (7) rígidos conectando nudos (10) no contiguos de la malla (9). La boyas (4), a su vez, están conectadas a un depósito acumulador (6) de fluido a través de unos tubos conductores (5) por los cuales circula el fluido menos denso que el agua desde el depósito acumulador (6) hasta las boyas (4), de forma que las boyas se pueden hinchar lo necesario para mantener emergente el sistema de tallos y hojas (1) de la planta helofita. En la figura 1 se muestra con flechas la dirección que sigue el fluido desde el depósito acumulador (6) hasta las boyas (4). En la figura 1 sólo aparecen representadas algunas de las boyas (4), pudiendo existir mayor número de boyas según las necesidades.
La malla (9) unida a boyas (4) preferiblemente está configurada para una sustentación de al menos 14kg/m2, lo cual es posible, por ejemplo, hinchando las boyas (4) con hidrógeno o helio.
Para el caso concreto de plantas del género Typhas, es conocido que la densidad de conjunto rizomático es prácticamente igual que la del agua, por lo que el sistema rizomático tiende a mantenerse estable y hundido en el agua, sin causar hundimiento de la planta helofita.
En el máximo de desarrollo vegetal, la parte aérea de las plantas (tallos y hojas) en estadio verde pueden pesar un máximo de 12 Kg/m2, por lo que la malla (9) podría soportar sin problema el peso de las mismas manteniéndolas en flotación constante y sin que se hundan, en el periodo de parada vegetativa ("hojas secas"), su peso sería de unos 3 Kg./m2.
Se conoce que si se toma el conjunto de una planta helofita de género Typha completamente desarrollada (rizomas, raíces y hojas) y se introduce verticalmente dentro del agua, ésta empieza a flotar cuando se sumergen las hojas 24 a 28 cm. dependiendo la profundidad del grado de desarrollo alcanzado. A medida que la planta se va hundiendo, disminuye la inyección de oxigeno por los rizomas y raíces al aumentarse la presión isostática en el sistema rizomático, causa que provoca la disminución de transferencia de oxigeno al agua por parte del helofito.
La transferencia máxima de oxigeno (100%) se lograra cuando se mantenga el sistema foliar (hojas) de la planta por encima del nivel del agua, por lo que el sistema flotante tiene que soportar completamente el peso de la biomasa aérea capaz de producir el helofito, es decir, un peso entorno a los 12 Kg/m2.
En un dispositivo como el descrito, capaz de soportar el peso del sistema foliar (hojas) del helofito, el sistema rizomático no descenderá a más de 40 cm de la superficie del agua y la transferencia de oxigeno alcanzara el 100% de su capacidad. Si el peso soportable del sistema flotante fuera inferior, el sistema rizomático podrá descender a 65 cm. y la transferencia de oxigeno a esta profundidad descenderá a 0%. A partir de esta profundidad no podrá vivir el helofito ya que sería atacado por las bacterias anaerobias.
La expresión matemática que indica la mejora de eficacia transferencia de 02 al agua en función de la profundidad es: (25-h) x4
x% deTransferencia oxigeno = (25- h) x 4, siendo h la profundidad a que se ha hundido la base de las hojas expresada en cm.
Así para h=25 cm., el % de transferencia de 02 sería: (25-25)% =0% 02, es decir, no habría transferencia de oxígeno.
Para h= 10,0 cm. el % de transferencia de 02 sería: :(25-10)x4 = 60%;
Para h mayor de 25 cm el % el resultado es negativo y se pudrirá la zona que se encuentre hundida a más de los 65 cm.
Para h = 0 cm. la transferencia de 02 por el sistema rizosferico sería: (25-0)x4= 100%. Para un hundimiento del 15 cm. la transferencia de oxigeno sería: (25 -15)x4 = 40% Mediante el procedimiento de la presente invención que permite mantener las hojas y tallos de la planta helofita por encima del nivel del agua, se consigue la máxima eficiencia de depuración del agua al incrementarse la eficiencia de transferencia de oxigeno, de forma que el numero de bacterias que pueden vivir por unidad de volumen también será el máximo.

Claims

Reivindicaciones
1. - Dispositivo para la depuración de aguas residuales mediante plantas acuáticas caracterizado por comprender:
- una malla (9) en la que se fijan las plantas acuáticas y
- una serie de boyas flotantes (4) a las cuales va unida a la malla (9), estando dichas boyas hinchadas con un fluido menos denso que el agua y configuradas para permitir que la malla (9) soporte un peso de al menos 3 Kg/m2 sin hundirse.
2. - Dispositivo para la depuración de aguas residuales mediante plantas acuáticas, según reivindicación 1 , caracterizado por comprender un depósito acumulador de fluido (6) y unos tubos conductores (5) que comunican dicho depósito con las boyas flotantes (4).
3. - Dispositivo para la depuración de aguas residuales mediante plantas acuáticas según reivindicación 1 , caracterizado porque la malla (9) está formada por nervios (7) que se cruzan entre sí formando unos nudos (10) e incluye unos elementos tensores rígidos (8) que conectan nudos (10) no contiguos de la malla (9).
4. - Dispositivo para la depuración de aguas residuales mediante plantas acuáticas según reivindicación 1 , caracterizado porque el fluido menos denso que el agua con el que se hinchan las boyas (4) es aire, hidrógeno o helio.
5.- Dispositivo para la depuración de aguas residuales mediante plantas acuáticas según reivindicación 1 , caracterizado las boyas (4) hinchadas con un fluido menos denso que el agua están configuradas para permitir que la malla (9) soporte un peso de al menos 14 Kg/m2 sin hundirse.
6. - Procedimiento para la depuración de aguas residuales y contaminadas caracterizado por emplear plantas helofitas colocadas en un dispositivo como el descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores e hinchando las boyas hasta mantener el sistema de tallos y hojas (1) emergente sobre la superficie del agua (3).
7. - Procedimiento para la depuración de aguas residuales y contaminadas, según reivindicación 6, caracterizado porque las plantas empleadas son aneas (género Typha), castañuela (género Cyperus), sparganius (género Sparganius), juncos (género Juncus), papiros (género Cyperus).
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