Flotación por aire disuelto (FAD)
Una de las operaciones realizadas por la empresa Delphi en el tratamiento de aguas residuales es la flotación.
La flotación es una "operación física unitaria", esto es, un método de tratamiento en el que predominan los fenómenos físicos, que se emplea para la separación de partículas de una fase líquida. La separación se consigue introduciendo finas burbujas de gas, normalmente aire, en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensorial que experimenta el conjunto partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido. De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partículas cuya densidad es mayor que la del líquido, además de favorecer la ascensión de las partículas cuya densidad es inferior, como el caso del aceite en el agua. Una vez las partículas se hallan en superficie, pueden recogerse mediante un rascado superficial
En el tratamiento de aguas residuales, la flotación se emplea para la eliminación de la materia suspendida y para la concentración de los fangos biológicos. La principal ventaja del proceso del proceso de flotación frente al de sedimentación consiste en que permite eliminar mejor y en menos tiempo las partículas pequeñas o ligeras cuya deposición es lenta. Su uso está generalizado para las aguas industriales y no tanto para las urbanas.
La flotación como proceso de descontaminación se realiza con microburbujas, de diámetros del orden de 15-100 micrómetros (*m) y con burbujas medianas (100-600 *m). En el primer caso, la capacidad de remoción de carga de estas burbujas es muy pequeña, sin embargo, hoy en día existen técnicas y equipos que generan burbujas de tamaño intermedio.
Las burbujas se añaden, o se induce su formación, mediante uno de los siguientes métodos:
- Aireación a presión atmosférica (flotación por aireación).
- Saturación con aire a la presión atmosférica, seguido de la aplicación del vacío al líquido (flotación por vacío).
- Inyección de aire en el líquido sometido a presión y posterior liberación de la presión a que está sometido el líquido (flotación por aire disuelto FAD).
Normalmente, se suelen añadir determinados compuestos químicos para facilitar el proceso de flotación. En su mayor parte, estos reactivos químicos funcionan de manera que crean una superficie o una estructura que permite absorber o atrapar fácilmente las burbujas de aire. Los reactivos químicos inorgánicos, tales como las sales de hierro o de aluminio y la sílice activada, se emplean para agregar las partículas sólidas, de manera que se cree una estructura que facilite la absorción de las burbujas de aire. También se pueden emplear diversos polímeros orgánicos para modificar la naturaleza de las interfases aire-líquido, sólido líquido, o de ambas a la vez. Por lo general, estos compuestos actúan situándose en la interfase para producir los cambios deseados.
En los sistemas de flotación por aireación, las burbujas de aire se introducen directamente en la fase líquida por medio de difusores o turbinas sumergidas. La aireación directa durante cortos periodos de tiempo no es especialmente efectiva a la hora de conseguir que los sólidos floten. La instalación de tanques de aireación no suele estar recomendada para conseguir la flotación de las grasas, aceites y sólidos presentes en las aguas residuales normales, pero ha resultado exitosa en el caso de algunas aguas residuales con tendencia a generar espumas.
- FLOTACIÓN POR AIREACIÓN:
La flotación por vacío consiste en saturar de aire el agua residual directamente en el tanque de aireación, o permitiendo que el aire penetre en el conducto de aspiración de una bomba. Al aplicar un vacío parcial, el aire disuelto abandona la solución en forma de burbujas diminutas. Las burbujas y las partículas sólidas a las que se adhieren ascienden entonces a la superficie para formar una capa de espuma que se elimina mediante un mecanismo de rascado superficial. La arena y demás sólidos pesados que se depositan en el fondo, se transportan hacia un cuenco central de fangos para su extracción por bombeo. En el caso de que la instalación esté prevista para la eliminación de las arenas y si el fango ha de ser digerido, es necesario separar la arena del fango en un clasificador de arena antes del bombeo a los digestores.
La instalación está compuesta por una cuba cilíndrica cubierta, en la que se mantiene un vacío parcial, que incluye mecanismos par ala extracción de fangos y espumas. La materia flotante se barre continuamente hacia la periferia de la cuba, donde se descarga automáticamente a una arqueta de espumas de donde se extrae de la instalación por bombeo, asimismo, en condiciones de vacío parcial. El equipo auxiliar incluye un calderín para saturar de aire el agua residual, un tanque que proporciona un tiempo de detención corto para la eliminación de las burbujas grandes y las bombas de fangos y de espumas..
- FLOTACIÓN POR VACÍO:
- FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO:
En los sistemas FAD (Flotación por Aire Disuelto), el aire se disuelve en el agua residual a una presión de varias atmósferas, y a continuación se libera la presión hasta alcanzar la atmosférica. En las instalaciones de pequeño tamaño, se puede presurizar a 275-230 kPa mediante una bomba la totalidad del caudal a tratar, añadiéndose el aire comprimido en la tubería de aspiración de la bomba. El caudal se mantiene bajo presión en un calderín durante algunos minutos, para dar tiempo para dar tiempo a que el aire se disuelva. A continuación, el líquido presurizado se alimenta al tanque de flotación a través de una válvula reductora de presión, lo cual provoca que el aire deje de estar en disolución y que se formen diminutas burbujas distribuidas por todo el volumen de líquido.
En las instalaciones de mayor tamaño, se recircula parte del efluente del proceso de FAD (entre el 15 y el 20 por ciento), el cual se presuriza, y se semisatura con aire. El caudal recirculado se mezcla con la corriente principal si presurizar antes de la entrada al tanque de flotación, lo que provoca que el aire deje de estar en disolución y entre en contacto con las partículas sólidas a la entrada del tanque. Las principales aplicaciones de la flotación por aire disuelto se centran en el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de fangos.
4.1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL SISTEMA FAD:
El proceso de flotación por aire disuelto surgió en 1924 en los países escandinavos y fue desarrollado inicialmente para la recuperación de fibras en la industria del papel.
Los principales hitos en el desarrollo de equipos y procesos FAD son descritos en la Tabla que sigue:
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Hoy en día se reconoce a la FAD como uno de los más económicos y efectivos métodos de recuperación-remoción de sólidos y iones, el tratamiento de aguas de procesos
4.2. VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL SISTEMA FAD:
La creciente utilización de la FAD en todos los campos, se debe a las diversas ventajas con relación al proceso de coagulación-sedimentación. Entre otras pueden ser citadas:
• Alta eficiencia (incluyendo cinética) en la remoción de sólidos.
• Menor área requerida para instalación. El equipo de flotación ocupa apenas una fracción del área ocupada por unidades de sedimentación (para capacidades similares). • Mayor eficiencia en la remoción de DBO que otros procesos de separación. • Alta tasa de separación (o flujo superficial). Existen unidades FAD modernas com capacidad hasta de 40 m/h (m3/m2/h). Esto permite su aplicación en efluentes voluminosos. • Remoción de microorganismos y precipitados difíciles de sedimentar y filtrar.
Las desventajas observadas son:
• Comparada con la sedimentación, la FAD es más sensible a variaciones de temperatura, concentración de sólidos en suspensión (> 3-4 %), recargas hidráulicas y principalmente a variaciones en las características químicas y físico químicas de los sólidos en suspensión.
• Costos operacionales elevados, principalmente cuando existe necesidad de un riguroso control automático, de parámetros y dosis de reactivos.
4.3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO FAD:
La figura que sigue muestra un diagrama de un sistema de FAD continuo, convencional con reciclo de agua tratada al saturador:
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El proceso se compone de los siguientes subprocesos:
4.3.1. Saturación de agua con aire a presión > 3 atmósferas.
Este proceso tiene como objetivo disolver aire en agua a presión elevada para proveer, una vez reducida la presión, del gradiente de concentración de aire y energía necesario para la formación de microburbujas. La disolución de aire en agua depende de la temperatura y presión. La cinética de disolución depende de las características del sistema de saturación. Esta se lleva a cabo en "saturadores" o estanques herméticos resistentes a la presión, operando en continuo con alimentación de agua y aire.
Una de las formas más utilizadas para contactar el aire con el agua es un sistema que emplea un empaque (anillos Rashig) por el cual se distribuye el agua bajo presión y se contacta íntimamente con el aire. Este último método es el más utilizado en el ámbito industrial.
Fig. Saturador de aire Lecho de percolación con anillos de Raschig.
4.3.2. Generación de microburbujas, vía cavitación-nucleación en constrictores de flujo (venturi, válvulas de aguja, placas de orificio).
Estas se producen en los constrictores de flujo, situados entre el saturador y la celda de flotación. La selección de este sistema de constricción del flujo es importante porque de su eficiencia depende la distribución de tamaño de burbujas y la cantidad de aire "liberado", dos de los factores de mayor importancia en la FAD. Por ejemplo, simples constricciones de placas con orificios de diámetro variable son baratos y eficientes, consiguiendo valores de "liberación", del orden de 90 % del aire disponible.
La energia transferida en el proceso de expansión y generación de burbujas depende de la tensión superficial líquido/aire y de la diferencia de presión entre el saturador y la constricción. La energia requerida en la generación de burbujas, en la constricción de flujo, será menor cuanto menor sea la tensión superficial y mayor la diferencia de presiones entre la salida del saturador y el constrictor.
Después de la expansión, las cavidades llevan un tiempo para alcanzar el tamaño de las burbujas. La "precipitación" del aire en la forma de burbujas no es total en esta expansión a través del constrictor y muchas burbujas son "nucleadas" y formadas en superfícies sólidas.
Fig. Constrictor de flujo tipo venturi
4.3.3. Coagulación y/o floculación de las partículas a separar.
Esta etapa involucra la desestabilización de suspensiones coloidales o emulsiones, condición necesaria para que estas se puedan unir en agregados de mayor tamaño, susceptibles de ser capturadas por las microburbujas. La agregación puede ser realizada vía coagulantes, floculantes o ambos.
El tiempo de residencia en esta etapa dependerá del grado de dispersión de los sólidos (o emulsiones) a remover, del tipo y concentración de reactivos y de la hidrodinámica requerida.
Otros factores que influyen en el diseño de coguladores o floculadores son las características del efluente, la cinética de adsorción de contaminantes, en el caso de usar precipitados coloidales adsorbentes y del punto de adición de los reactivos.
4.3.4. Acondicionamiento para contacto y adhesión de microburbujas y partículas (zona de "captura").
Esta etapa tiene como objetivo lograr la captura de partículas por burbujas y la formación de agregados "aireados" (con aire aprisionado). Corresponde a la zona donde se libera el agua saturada (reciclo).
4.3.5. Flotación y remoción de sólidos flotados (zona de separación).
La flotación propiamente dicho ocurre en un tanque que recibe la suspensión proveniente de la zona de contacto y tiene por objetivo separar las fases flotada y efluente tratado (agua). Los sistemas de descarga del agua tratada, normalmente por el fondo, emplean mecanismos especiales, como canaletas provistas de ranuras que las atraviesan longitudinalmente por su parte inferior, o dispositivos que minimizan la formación de corrientes de agua. El parámetro más importante que debe ser considerado en el diseño de esta etapa, es el "flujo superficial" que es una medida del tiempo de residencia medio del fluido dentro del estanque.
En relación con el producto flotado, su extracción es normalmente realizada con un raspador (colector) mecánico que atraviesa lentamente la superficie de la unidad de flotación o situado en el extremo final del estanque separador.
Fig. Tanque de Flotación
- INGENIERÍA DE AGUAS RESIDUALES. Tratamiento vertido y reutilización. Ed. Mc Graw Hill. Metcalf & Hedí
- Apuntes de la asignatura Tecnología Medioambiental (Tema 2.4).
- Publicaciones de internet:
- Lenntech.com (Tratamiento de agua)
- Acuamarket.com (Productos y Servicios para la Industria del Agua en Latinoamérica).
- Aquapurificacion.com (Sistemas de purificación de agua)
TRABAJO REALIZADO POR:
Cosme Arana Giralt
Ingeniero Organización Industrial
25/06/2004
(Madrid)