PROCESSO PARA FILTRAÇÃO DE ÁGUA PARA ELIMINAR A TURBIDEZ DA ÁGUA EM UM TANQUE
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção descreve um processo para filtração de água em grandes tanques, tais como fontes, lagos que refletem monumentos, piscinas e lagos com custos operacionais e investimentos baixos.
HISTÓRICO
Quando a água é colocada em tanques para fins de recreação ou ornamentais, a água frequentemente se torna turva a despeito da boa qualidade e níveis baixos de sólidos em suspensão na fonte de água. O ambiente adiciona poeira, sujeira, matéria orgânica, etc.ao tanque. Contudo, a fonte principal de partículasem suspensão que fazem com que a água fique turvaé frequentemente o inevitável crescimento de microorganismos, especialmente microalgas que são amplamente disseminadas na natureza e que encontram condições apropriadas de vida nestes meios aquáticos.
As algas são um grupo variado de plantas que são encontradas em uma ampla faixa de habitats ambientais. Elas são plantas fotossintéticas contendo clorofila, que possuem estruturas reprodutivas muito simples e seus tecidos não são diferenciados em raízes, caules ou folhas reais. O tamanho simples médio da alga unicelular
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algas são organismos vegetais unicelulares que se
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2/32 reproduzem sob a luz do sol. Elas estão presentes na vegetação, ar, solo e água. Seus esporos microscópicos são continuamente inseridos nos tanques e outros corpos de água pelo vento, tempestades de areia, chuva, etc. Eles crescem rapidamente em água estagnada quando são expostos à luz do sol e temperaturas acima de 4 °C. Eles podem gerar lama e/ou odores. Eles podem interferir na filtração apropriada e aumento considerável da demanda de cloro nas piscinas públicas. A presença de fosfatos e nitratos na água promove o seu crescimento.
Algas planctônicas são plantas microscópicas unicelulares que flutuam livremente na água. Quando estas plantas são extremamente abundantes ou seu Bloom, elas tornam a cor da água verde nos tanques. Menos frequentemente, elas podem colorir a água de outras cores, incluindo amarelo, cinza, marrom ou vermelha.
SUMÁRIO
De acordo com um aspecto da invenção, é provido um processo para filtração da água nos tanques. O processo de filtração é realizado em um pequeno volume de água e não em todo o tanque de água. O processo inclui emissão de ondas ultrassônicas no tanque, adição de um agente floculante à água, cobrindo a parte inferior do tanque com um dispositivo de sucção que aspira um fluxo de água com partículas floculadas para produzir um efluente do dispositivo de sucção, descarga do efluente do dispositivo de sucção para um tubo de coleta de efluente, filtração do fluxo de efluente do dispositivo de sucção do dito tubo de coleta de efluente para produzir um fluxo filtrado e retornando o fluxo filtrado para o tanque.
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De acordo com outro aspecto da invenção é provido um dispositivo de sucção que percorre a parte inferior do tanque com água. O dispositivo de sucção aspira o fluxo de água com partículas floculadas a fim de realizar a filtração da água do dito tanque, o dispositivo de sucção inclui uma armação estrutural possuindo um dispositivo de acoplamento a um sistema de bomba, um dispositivo de rodagem com um eixo horizontal para deslocamento ao redor do fundo do tanque, um dispositivo para deslizamento em rotação com um eixo vertical para deslocamento adjacente em relação às paredes do tanque, um dispositivo de sucção incluindo várias tubulações de sucção, um dispositivo de limpeza e um dispositivo de articulação entre os dispositivos de rodagem e a armação estrutural.
Deve ser entendido que ambas a descrição geral precedente e a descrição detalhada a seguir são exemplares e explicativas e se destinam a prover explicações adicionais da invenção conforme reivindicada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Os desenhos que se seguem e que fazem parte deste pedido são ilustrativos das concretizações dos sistemas e métodos descritos a seguir e não se destinam a limitar o escopo da invenção de que forma for, o escopo tendo como base as reivindicações apensas.
A figura 1 mostra uma vista superior de um tanque onde o processo da presente invenção foi aplicado.
A figura 2 mostra uma vista superior de um tanque com um sistema de filtração tradicional.
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A figura 3 mostra a parte inferior do tanque, onde os flocos dispersos devido ao efeito sinérgico de ultrassom e aplicação do floculante são observados.
A figura 4 mostra uma vista superior e esquemática do dispositivo de sucção.
A figura 5 mostra uma vista inferior e esquemática de um meio de sucção com o dispositivo de sucção.
A figura 6 mostra uma vista frontal do dispositivo de sucção.
A figura 7 mostra uma vista inferior do dispositivo de sucção.
A figura 8 mostra uma vista frontal de uma seção longitudinal do dispositivo de sucção.
A figura 9 mostra uma vista lateral em seção transversal do dispositivo de sucção.
A figura 10 mostra uma vista superior de um detalhe do dispositivo de sucção.
A figura 11 mostra uma vista superior de um detalhe adicional do dispositivo de sucção.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
A presente invenção descreve um processo de filtração eficiente e econômico para a água de tanques, tais como, fontes, lagos que refletem monumentos, piscinas públicas para natação e lagos artificiais. Os sólidos suspensos na água se precipitam por meio da ação sinérgica dos agentes floculantes e ondas de ultrassom e eles são então coletados na parte inferior por sucção com um dispositivo de sucção. A saída do dispositivo de sucção é então filtrada e retornada para o tanque, eliminando a turbidez de toda a água no tanque e filtrando apenas um
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5/32 pequeno fluxo, o que corresponde à saída do dispositivo de sucção, em comparação aos fluxos que são necessários nos sistemas de filtração tradicionais que filtram toda a água do tanque. De forma adicional, é descrito um dispositivo de 5 sucção necessário para realização do processo da presente invenção.
Conforme observado acima, a água colocada em tanques pode ficar turva em razão de inúmeros fatores. A fim de eliminar os sólidos suspensos, tais como, algas, 10 poeira, matéria orgânica, etc., dos tanques, os sistemas de filtração são geralmente empregados. A filtração é uma técnica consistindo em passagem de uma mistura de sólidos e fluidos, gases ou líquidos, através de um meio poroso ou de filtração que pode fazer parte de um dispositivo denominado 15 filtro, onde é removida a maior parte dos componentes sólidos da mistura.
Os usos do processo de filtração são diversos e são encontrados em muitas áreas de atividade humana, vida doméstica e industrial onde os processos industriais que 20 requerem técnicas de engenharia química são especificamente importantes.
A filtração foi desenvolvida juntamente com a evolução humana, recebendo mais atenção teórica desde o século XX. A classificação do processo de filtração e 25 equipamento é diversa e, em geral, categorias de classificação não são mutuamente exclusivas entre si.
A variedade de dispositivos de filtração e filtros é tão ampla como os tipos de materiais porosos disponíveis para seu uso como meios de filtração e condições 30 específicas em cada aplicação: a partir de dispositivos
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6/32 simples, tais como, filtros de café domésticos ou funis de filtração para separação em laboratório, aos grandes sistemas complexos que são altamente automatizados, tais como aqueles usados na indústria petroquímica e refinaria para recuperação de catalisador de valor alto ou sistemas para tratamento de água para beber para fornecimento urbano.
A filtração é uma operação mecânica ou física empregada para separação de sólidos nos fluidos (tais como líquidos ou gases) nos quais um meio de filtração é inserido e o fluido pode escoar através do meio de filtração, porém os sólidos (ou pelo menos parte deles) são retidos. De modo geral, a separação é considerada incompleta e depende do tamanho de poro e espessura do meio, bem como, da mecânica que acontece durante a filtração. De modo geral, em um processo de filtração, o meio de filtração possui várias camadas, porém outros mecanismos também estão envolvidos, tais como, intercepção direta, difusão e ação centrífuga, onde as partículas não são capazes de seguirem os túneis espiralados do meio de filtração através dos quais as tubulações de escoamento passam e elas permanecem retidas nas fibras do meio de filtração.
Existem duas técnicas de filtração principais:
- a filtração frontal que é a melhor conhecida passando o fluido perpendicularmente através da superfície do meio de filtração. Esta técnica é usada, por exemplo, nos filtros de café domésticos. As partículas são retidas no filtro, esta técnica é limitada por acúmulo de
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7/32 partículas na superfície do meio de filtração, que é finalmente bloqueado;
- a filtração tangencial, por outro lado, passa o fluido tangencialmente através da superfície do meio de filtração. É a pressão do fluido que permite propriamente a passagem através do filtro. Neste caso, as partículas permanecem em fluxo tangencial e o bloqueio do filtro é mais lento. Contudo, esta técnica é usada apenas para muitas partículas pequenas, de um nanômetro (nm) a um micrômetro (pm).
De forma adicional, os tipos de filtração podem ser classificados de acordo com o tamanho de poro do meio de filtração:
- a filtração por clarificação: quando o diâmetro do poro é de 10 pm a 450 pm;
- a filtração por esterilização: quando o diâmetro do poro é superior a 0,22 pm;
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0,1 nm a 1 nm.
A eficiência da filtração depende de um conjunto de variáveis, tais como, pressão, meio de filtração, viscosidade, temperatura, tamanho de partícula e concentração.
Em geral, caso o aumento na pressão conduza a um aumento significativo na taxa de fluxo ou filtração, isto é um sinal de formação de torta granulada. Contudo, para
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8/32 tornas espessas ou muito finas, um aumento na pressão de bombeamento não conduz a um aumento significativo do fluxo de filtração. Nestes casos, a torta é caracterizada por uma pressão crítica acima da qual a taxa de filtração é 5 diminuída. Na prática, a operação em uma taxa constante, iniciando em pressão baixa é preferida, embora em razão do uso difundido dos sistemas de bombeamento centrífugo, as condições regulares são pressão e fluxo variáveis.
Fora os pontos teóricos, além de considerar as 10 características do meio de filtração, o fluxo médio é inversamente proporcional à quantidade de torta e diretamente proporcional ao quadrado da área a ser filtrada. Como resultado destas duas variáveis, para a mesma quantidade de fluido a ser filtrada, ficará claro que 15 este fluxo é inversamente proporcional à espessura quadrada da torta no final do processo. Esta observação acarreta o fato de que a produtividade máxima seja teoricamente obtida com aquelas tortas com uma espessura muito fina, cuja resistência exceda a resistência do meio de filtração.
Contudo, outros fatores, tais como, o tempo para regenerar a torta, sua dificuldade de descarga e o custo de uma superfície de filtração mais ampla explicam que, na prática, é preferido trabalhar sob condições de tortas mais espessas.
A taxa de fluxo de filtração, a qualquer tempo, é inversamente proporcional à viscosidade de filtração.
Conforme a temperatura de filtração aumenta, sua viscosidade diminui e consequentemente, a taxa de fluxo de filtração é aumentada.
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O efeito do tamanho de partícula na resistência da torta e película é excelente. Mesmo pequenas modificações de troca das partículas afetam o coeficiente na equação para resistência da torta e modificações maiores afetam de a capacidade de compressão.
Pelas razões mencionadas acima, a filtração não é um processo simples, especialmente quando grandes quantidades são filtradas.
Nos tanques para fins ornamentais e de recreação, tais como, piscinas públicas e fontes são empregados os sistemas de areia, cartucho e diatomáceos, os sistemas de areia sendo os mais comuns.
Filtros de areia são os elementos que são mais utilizados na filtração da água com pouca ou nenhuma carga de contaminantes, requerendo remoção de partículas de até 20 pm de tamanho. As partículas suspensas que são transportadas pela água são retidas quando passam sobre um leito de filtração de areia. Uma vez que o filtro está carregado de impurezas, alcançando uma perda de carga predeterminada, o filtro pode ser regenerado por lavagem a montante.
A qualidade da filtração depende de vários parâmetros, entre outros, a forma do filtro, a altura do leito de filtração, as características e granulometria da massa de filtração, a taxa de filtração, etc.
Estes filtros podem ser fabricados com resinas de poliéster e fibra de vidro, apropriados para filtração de água de rio e de mar em razão de sua resistência completa à corrosão. Também são empregados aço inoxidável e aço
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10/32 carbono para concretizações nas quais é necessária uma melhor resistência à pressão.
O uso dos sistemas de filtração em tanques ornamentais e para fins de recreação, tais como, lagos que refletem monumentos e piscinas para natação é amplamente difundido mundialmente, contudo, quando o tamanho destes tanques aumenta dois problemas surgem os quais limitam sua escala.
A primeira limitação é a dos altos custos operacionais e de investimento. De fato, no mundo existem muito poucos tanques para fins de recreação com água filtrada de mais de 2.500 metros cúbicos (o volume de uma piscina olímpica) e aqueles próximos a estes volumes apresentam altos custos operacionais.
Por exemplo, se existir uma piscina em um condomínio residencial com um volume de 9.000 metros cúbicos, então uma taxa de filtração de 416 litros por segundo é necessária para satisfazer as recomendações de regulação sanitária para filtração em piscinas públicas. Estes volumes operacionais não são gerenciáveis para este tipo de projeto de construção, em razão de seu investimento inicial, a área ocupada pelos sistemas de filtração, a complexidade e, especialmente, os custos operacionais.
Contudo, existe um segundo problema que complica a filtração em grandes corpos de água e está relacionado à dificuldade de filtração homogênea de todo o volume de água. Em uma piscina ou fonte comum, um ponto de sucção e um ponto de descarga são suficientes para se obter uma filtração relativamente homogênea de toda a água. Conforme o corpo de água aumenta em volume, a influência do ponto de
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11/32 sucção é limitada a área circundante e não possui efeito em todo o volume. Isto implica no fato de que uma rede complexa e cara de tubos com um grande número de pontos de sucção e descarga deve ser planejada. Este tipo de sistema possui altas perdas de pressão e também gera curtoscircuitos no fluxo do filtrado, isto é, a mesma água filtrada várias vezes, diminuindo a eficácia do sistema.
Em razão dos motivos expostos acima, não economicamente viável sendo portando ineficiente manutenção de grandes corpos de água com sistemas de filtração e, portanto, não existem grandes tanques filtrados para fins ornamentais ou de recreação no mundo.
No estado da técnica, existe uma Patente
Chilena com o número de registro
CL
43.534 que é orientada no sentido de obter grandes corpos de água para fins de recreação, a mesma descreve um processo para obtenção (isto é, instalação e manutenção) de grandes volumes ou corpos de água para fins de recreação, tais como, lagos e piscinas com excelente coloração, alta transparência e limpeza semelhante àquela das piscinas ou mares tropicais com baixo custo, especialmente para corpos de água superiores a
15.000 metros cúbicos. A presente invenção define aspectos estruturais, tais como, escumadeiras para eliminação de óleo, sistemas de coleta de água, detalhes de construção, tipos e cores dos revestimentos, sistemas de circulação e injeção de aditivo, requisitos para fornecimento da água, medição do pH, adição de sais, uso de algicidas e floculantes, taxas de mudança de água limpa, aditivos e processos de oxidação e um veículo de sucção acionado por um barco.
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Na Patente, CL 43.534, um sistema aberto para circulação de água é empregado, desta forma, nenhum modo de restaurar a água é considerado e nenhum tipo de filtração é usado. Nem é resolvido o problema do biofilme que é formado 5 nas paredes e parte inferior do tanque, que é eliminado manualmente nos pequenos corpos, porém que é impossível de se realizar em grandes tanques.
O objetivo da presente invenção é diferente daquele da Patente CL 43.534 e, ao contrário, no presente pedido de 10 patente, um sistema de filtração de baixo custo é definido, o qual permite a recuperação da água sem filtração da água toda do tanque, como ocorre com sistemas de filtração de água caros nos tanques conhecidos atualmente, nem descarga de água do sistema de sucção como ocorre na patente 15 mencionada acima, o que implica em mais uso de água e eventualmente a descarga da água com sedimentos para fluxo natural.
Na Patente CL 43.534, a água é descarregada e não compreende um sistema de filtração, portanto a eficácia do 20 sistema de sucção e, obviamente a filtração propriamente não são importantes. Contudo, a sucção da parte inferior dos tanques maiores é um modo eficiente que usa fluxos de água baixos (um ponto importante quando a corrente deve ser filtrada) é uma questão complexa porque o dispositivo de 25 sucção deve passar em alta velocidade a fim de cobrir as superfícies grandes e, portanto, uma nuvem de sedimento é elevada, o que torna a água turva e diminui a eficiência do sistema. Por sua vez, existem limitações econômicas e reguladoras no uso de grandes quantidades de floculantes em 30 razão dos custos, dos grandes volumes de água envolvidos e
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13/32 restrições sanitárias. Por outro lado, as características deste sedimento não são apropriadas para filtração eficiente.
Foi encontrada uma solução para o problema da filtração econômica de água nos tanques maiores, sem a necessidade de filtração de todo o volume de água como ocorre com os presentes sistemas, com o desenvolvimento e verificação do uso conjunto dos agentes floculantes e ultrassom, o que gera flocos dispersos no fundo do tanque, separados um do outro e facilmente succionáveis por um dispositivo de sucção especialmente projetado que pode cobrir grandes superfícies em um tempo curto e então filtrados com eficiência maior, em razão da qualidade do filtrado, com um dispositivo simples, tal como, filtro de areia ou outro filtro pequeno e econômico disponível no mercado usando pequenas concentrações de floculantes.
A aplicação do ultrassom em tanques maiores permite uma sucção muito eficaz e fácil com o dispositivo de sucção, não apenas devido à formação de flocos grandes e dispersos com fácil sucção e filtração, porém também possibilita a aplicação do ultrassom que permite controlar o crescimento da biopelícula nos tanques e eliminação do ambiente no qual as algas aglutinam nas paredes e na parte inferior dos tanques. A biopelícula é compreendida de camadas de bactérias formadas nas superfícies do hospedeiro, criando pontos de aderência para algas que são difíceis de serem desalojadas das superfícies dos tanques. Para estes casos, as ondas de ultrassom impedem a formação da camada de base da biopelícula para evitar que a maioria das bactérias de flutuação planctônicas se tornem bactérias
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14/32 sésseis com capacidade muito forte de adesão de crescerem na superfície. A camada de base ou biofilme começa a se formar tão rápido quanto 20 minutos a 3 horas após a limpeza de uma superfície imersa em um reservatório.
Com a aplicação de ondas ultrassônicas no processo de floculação, o processo da presente invenção, de fato, remove células de algas, partículas, poeira e turbidez em geral da água, aperfeiçoando significativamente a eficiência de floculação devido ao efeito do ultrassom nos 10 floculantes de coagulação. Para obter uma remoção de 90% em geral das algas, partículas, poeira e turbidez, a sonicação reduz a quantidade dos floculantes em dois terços. O processo da presente invenção possui a grande vantagem com relação ao modo anterior de filtrar a água dos tanques com 15 investimento e custos operacionais muito baixos e alta eficiência de filtração da água.
Na realidade, em comparação aos sistemas de filtração de tanque convencionais, são obtidos excelentes resultados no nível de transparência da água com custos 20 operacionais e de investimento muito menores, uma vez que se utiliza um sistema sinérgico entre a floculação da partícula suspensa e a sonicação, a mesma sendo facilmente retirada por sucção quando do emprego do dispositivo de sucção devido à formação de flocos de tamanho grande que 25 são individualmente fundidos e fáceis de serem aspirados sem a presença de biopelículas e também filtração eficiente devido à qualidade do sedimento por um filtro padrão, pequeno, que se encontra disponível no mercado. Isto é obtido usando níveis muito baixos de floculantes. De forma 30 final, a filtração apenas de uma pequena porcentagem do
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15/32 volume total de água correspondendo ao fluxo para fora do dispositivo de sucção obtém um resultado que é igual ou melhor ao obtido com os sistemas tradicionais que filtram todo o corpo de água.
A presente invenção provê uma filtração eficiente e econômica da água de um tanque, onde a filtração é realizada em um volume pequeno de água e não em toda a água do tanque, compreendendo as etapas de:
a - a emissão de ondas ultrassônicas no tanque;
b - a adição de um agente floculante à água;
c - a cobertura da parte inferior do tanque com um dispositivo de sucção, o qual succiona um fluxo de água com particuladas floculadas e descarga de um tubo de coleta de efluente;
d - a filtração do fluxo de efluente do dispositivo de sucção do dito tubo de coleta de efluente; e e - o retorno do fluxo filtrado para o tanque.
De modo preferencial, na etapa a) da presente invenção, as ondas ultrassônicas são emitidas por um período de tempo de 1 hora a 24 horas diariamente com uma frequência de 20 kHz a 100 kHz e energia em uma faixa de 10 W a 45 W.
De modo preferencial, na etapa a) do processo da presente invenção, as ondas ultrassônicas são emitidas por um período de tempo de 12 horas a 24 horas e mais preferivelmente de 20 horas a 24 horas.
As ondas ultrassônicas podem ser emitidas por dispositivos emissores. Estes dispositivos emitem ondas ultrassônicas na forma radial em uma faixa de 180° e com uma distância de 150 metros do raio, portanto, os
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16/32 dispositivos emissores de ondas ultrassônicas estão localizados abaixo da superfície da água e espaçados por um raio em uma faixa de 100 m a 150 m, assim toda a água do tanque recebe as ondas ultrassônicas emitidas.
De modo geral, os emissores de onda ultrassônica são providos nas bordas do tanque; contudo, no caso de um tanque com um diâmetro superior a 300 m, uma ilha central ou outra plataforma central pode ser formada para permitir que os dispositivos emissores sejam colocados no centro do tanque, situados de modo que toda a superfície seja submetida às ondas ultrassônicas de acordo com a faixa de cobertura do dispositivo emissor empregado.
A finalidade da etapa a) do processo da presente invenção é:
- diminuir a quantidade de microalgas, que constituem o principal componente dos sólidos suspensos em água; tornando o processo de sucção mais fácil e aumentando a eficiência da filtração subsequente com um método ecológico de baixo custo o que diminui a aplicação de produtos químicos mantendo o propósito final de custo operacional baixo;
- eliminar a formação de biopelícula que é geralmente formada nas paredes e parte inferior do tanque constituindo uma fonte de crescimento das algas, o que torna o uso do dispositivo de sucção mais eficiente e diminui a limpeza manual das paredes, gerando um efeito sinérgico;
- diminuir a quantidade de floculante e facilitar a coagulação das algas e partículas em geral, para remoção da parte inferior do tanque com o dispositivo de sucção;
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- tornar a operação do dispositivo de sucção mais simples devido ao efeito sinérgico entre as ondas de ultrassom e o floculante, em razão disto são obtidos flocos maiores com sucção fácil sem geração de uma nuvem de partículas suspensas a mesma sendo formada quando o dispositivo de sucção reveste a parte inferior do tanque;
- facilitar a filtração com o uso de filtros de areia simples sem floculação adicional; e
- eliminar a turbidez da água do tanque juntamente com o floculante.
De modo preferencial, na etapa b) do processo da presente invenção, o agente floculante é um polímero iônico. Mais preferivelmente, o dito polímero iônico é um polieletrólito catiônico, biodegradável.
De modo preferencial, na etapa b) do processo da presente invenção, um agente floculante é adicionado à água do tanque, em uma concentração de 0,005 ppm a 2 ppm e pelo menos a cada 6 dias, preferivelmente em uma concentração de 0,01 ppm a 0,5 ppm pelo menos a cada 4 dias; mais preferivelmente em uma concentração de 0,0125 ppm a 0,04 ppm a cada 24 horas.
De modo preferencial, na etapa c) do processo da presente invenção, o fluxo de água com partículas floculadas está em uma faixa de 1 litros por segundo a 30 litros por segundo. Mais preferivelmente, o fluxo de água com partículas floculadas está em uma faixa de 10 litros por segundo a 20 litros por segundo.
Por outro lado, na etapa c) da presente invenção, quando a parte inferior do tanque é coberta com o dispositivo de sucção, este pode ser movido por diferentes
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18/32 meios de tração, tais como, um barco, na superfície do tanque; um carrinho de locomotiva sobre trilhos na parte inferior do tanque; um robô motorizado, automatizado e/ou de controle remoto ou com um sistema de cabo e polia.
Na etapa d), os fluxos de água variam dependendo do tamanho do dispositivo de sucção, que por sua vez está relacionado ao volume do tanque. De modo preferencial, na etapa d) do processo da presente invenção, o fluxo de efluente do dispositivo de sucção é filtrado em uma faixa de 1 litros por segundo a 30 litros por segundo, mais preferivelmente em uma faixa de 10 litros por segundo a 20 litros por segundo.
O fluxo do efluente do dispositivo de sucção é bombeado por uma bomba móvel conectada ao dispositivo de sucção com uma mangueira de sucção flexível localizada ao longo da borda na superfície da água do tanque sobre uma plataforma móvel ou fixa ou em um barco. O efluente do dispositivo de sucção é descarregado para um tubo de coleta de efluente; a partir do dito tubo de coleta de efluente a água é bombeada usando uma bomba centrífuga para filtração com um fluxo preferivelmente de 1 litro por segundo a 30 litros por segundo, mais preferivelmente com um fluxo de 10 litros por segundo a 20 litros por segundo; e a uma pressão de 100 kPa a 300 kPa (1 bar a 3 bar) na direção do filtro. O dito filtro pode ser um filtro de areia, diatomáceo ou de cartucho de acordo com o fluxo de efluente sendo aspirado pelo dispositivo de sucção.
Na etapa e), a água filtrada é retornada para o tanque usando uma bomba de recirculação localizada na borda do tanque e conectada com uma mangueira ou tubo a uma
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19/32 tubulação de fornecimento; usando injetores a água filtrada é retornada para o tanque a partir da dita tubulação de fornecimento para terminar o ciclo de recirculação e desta forma conservar a água dentro do sistema.
É importante ter em mente que o objetivo do dispositivo de sucção é a limpeza da parte inferior do tanque no processo da presente invenção, como ocorre com os dispositivos de sucção nas piscinas tradicionais, porém também, em conjunto com o floculante e emissão ultrassônica, o sistema para filtração de piscinas de natação públicas é totalmente substituído. Em outras palavras, o dispositivo de sucção não apenas elimina o material naturalmente situado na parte inferior (folhas, ramos, sujidade, etc.), porém, também todas as partículas suspensas e, no caso das piscinas de natação públicas, estas são eliminadas por filtração e toda a água quatro vezes ao dia. No caso da presente invenção, as partículas suspensas se transformam em flocos através do ultrassom e floculante (partículas maiores permitem sucção mais fácil) e são aspiradas pelo dispositivo de sucção e então filtradas, diminuindo os custos de eliminação em duas ordens de grandeza. Ou seja, ao invés de filtrar toda a água com os sistemas tradicionais, apenas o fluxo de efluente do dispositivo de sucção é filtrado.
De modo opcional, o filtrado da presente invenção pode incorporar a água das ranhuras ou saídas de descarte da superfície (escumadeiras) a fim de eliminar, especificamente, uma camada de superfície do tanque de água, que pode compreender óleos e partículas flutuantes. O fluxo evacuado usando as escumadeiras pode ser incorporado
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20/32 ao tubo de coleta de efluente, a fim de filtrar o mesmo como na etapa d) da presente invenção, uma vez que as escumadeiras eliminam apenas uma camada de água da superfície com um fluxo muito baixo, tal como de 1 litro 5 por segundo a 5 litros por segundo. Isto não afeta o rendimento dos filtros econômicos disponíveis no mercado os quais são usados no processo da presente invenção. É importante ressaltar que, em alguns sistemas de filtração tradicionais, a água é incorporada ao filtro a partir das 10 escumadeiras, porém neste caso isto corresponde a fluxos maiores que não apenas eliminam a camada de superfície, porém também filtram toda a água. No processo da presente patente, a questão é filtrar apenas a camada superficial, de modo que os fluxos são filtrados em duas ordens menores 15 de grandeza.
Na presente invenção, é necessário um dispositivo de sucção capaz de cobrir grandes superfícies sob a água do tanque, tal como aquele capaz de cobrir 10.000 metros quadrados (1 hectare) em 3 horas, isto é, capaz de avançar 20 com uma velocidade de 0,93 metro por segundo; o dito dispositivo de sucção não foi encontrado no mercado, portanto, um dispositivo de sucção foi especialmente projetado para realizar a etapa c) do processo da presente invenção; o dito dispositivo cobrindo pelo menos uma 25 superfície 100 vezes maior que a parte inferior do tanque no mesmo período de tempo, melhor que qualquer outro dispositivo existente.
Conforme visto nas figuras 4 a 11, o dispositivo de sucção usado na etapa c) do processo da presente invenção 30 compreende essencialmente uma armação estrutural (10); um
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21/32 dispositivo de acoplamento (20) a um sistema de bomba, dispositivo de rodagem (30) com um eixo horizontal para deslocamento ao redor do fundo do tanque, um dispositivo para deslizamento em rotação (40) com um eixo vertical para deslocamento circundando as paredes do tanque, um dispositivo de sucção (50) que compreende várias tubulações de sucção, que sugam um fluxo de água com partículas floculadas da parte inferior do tanque na direção do dispositivo de acoplamento (20), dispositivos de limpeza (60) que compreendem uma escova fina; e um dispositivo de articulação (70) entre o dispositivo de rodagem (30) e a armação estrutural (10) para adaptação do dispositivo de sucção às protuberâncias no fundo do tanque; a armação estrutural (10) compreende um dispositivo de sujeição articulável (80) para anexação a um dispositivo de tração, tal como um carrinho submarino robotizado de controle remoto; e um dispositivo de fixação (90) entre o dispositivo de sucção (50), o dispositivo de limpeza (60) e a armação estrutural (10).
Conforme visto na figura 5, o dispositivo de rodagem (3) compreende eixos horizontais de aço inoxidável (31) onde estão localizados roletes de proteção de poliuretano semirrígido (32) e rodas de suporte (33) fabricadas de plástico autolubrificado, tal como, polietileno de alta densidade para sustentação e deslocamento da armação estrutural (10). De forma adicional, o dito dispositivo de rodagem (30) compreende eixos secundários mancais de resina (34) fabricados de aço inoxidável nos epóxi (35) localizados nos lados do dispositivo de sucção (50) e dispositivo de limpeza (60);
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22/32 nos ditos eixos secundários (34) estão localizadas rodas (36) fabricadas de plástico autolubrificado, tal como, polietileno de alta densidade para sustentação e deslocamento do dispositivo de sucção (50) e dispositivo de
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limpeza |
(60). Além disto, o dispositivo de deslizamento em |
|
rotação |
(40) compreende eixos verticais e rodas de proteção |
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lateral |
fabricados de plástico autolubrificado, tal como |
polietileno de alta densidade.
Conforme visto na figura 6, o dispositivo de acoplamento (20) compreende um bocal de mangueira (21) para uma mangueira flexível conectada ao sistema de bomba, conectores de PVC (22) e tubos ondulados flexíveis (23) que são conectados ao dispositivo de sucção e que permitem a distribuição da força de sucção que chega do sistema de bomba.
Conforme visto na figura 7, o dispositivo de sucção (5) compreende um canal de sucção dobrado (51) fabricado de aço inoxidável que conecta as entradas de sucção (52) fabricadas de tubos de aço inoxidável, soldados com argônio com rebordo de solda contínua ao dito canal de sucção (51); e conectores de PVC (53) e tubos ondulados flexíveis (54) conectados ao dispositivo de acoplamento (20).
Conforme visto na figura 8, o dispositivo de articulação (70) conectou-se à armação estrutural (10), o dispositivo de rodagem (30) e o dispositivo de sucção (50) ao redor dos eixos horizontais (31). De forma adicional, deve ser ressaltado que o dispositivo articulável de sujeição (80) conecta o dispositivo de tração (não mostrado nesta figura) à armação estrutural (10).
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Na figura 9 é ressaltado que o dispositivo de fixação (90) compreende fios, por exemplo, fios plásticos, que sustentam o dispositivo de sucção (50) e dispositivo para limpeza (60) na armação estrutural (10) a não mais de 2 cm da parte inferior do tanque.
Conforme visto na figura 10, a armação estrutural (10) é compreendida de arcos entrelaçados (11) para definição de um espaço interior que contenha o dispositivo de sucção (50) e dispositivo de limpeza (60) suspensos pelo dispositivo de fixação (90). Os arcos entrelaçados (11) da armação estrutural (10) são fixados por parafusos de plástico. Nas extremidades inferiores dos ditos arcos entrelaçados está fixado o dispositivo de articulação (70) que se articula ao redor dos eixos horizontais (31). Entre cada roda de suporte (33) são fornecidos roletes de proteção (32) e rodas secundárias (36), entre o dispositivo de articulação (70) e o dispositivo de sujeição articulável (80) com arruelas de polietileno de alta densidade (não mostradas nas figuras).
A figura 11 mostra a distribuição das entradas de sucção (52) no dispositivo de sucção (50) e dispositivo de limpeza (60) como uma escova fina central.
EXEMPLO DE APLICAÇÃO
De modo a realizar o processo da presente invenção que permite filtração eficiente da água em tanques, tais como, fontes, lagos que refletem monumentos, piscinas para
|
natação |
e |
lagos |
com |
investimento e |
custos |
operacionais |
|
baixos, |
as |
etapas |
que |
se seguem foram |
realizadas: |
| |
Um |
tanque |
(A) |
foi construído |
de modo |
semelhante a |
um lago artificial, localizado na costa central do Chile,
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24/32 com uma área de aproximadamente 6.000 metros quadrados e um volume de 90.000 metros cúbicos conforme mostrado na figura 1. Na figura 1, uma vista frontal do tanque (A) é apresentada com a estrutura necessária para realizar o processo da presente invenção. Na figura 2, uma vista frontal do mesmo tanque é mostrada com a estrutura necessária para realizar filtração tradicional, onde toda a água do tanque é filtrada. A diferença na estrutura para filtração tradicional e filtração de acordo com o processo da presente invenção pode ser vista nas figuras 1 e 2; a estrutura da figura 1 é mais simples e mais econômica que a estrutura na figura 2. Especificamente, a figura 2 mostra as instalações necessárias para filtração tradicional, onde a grande necessidade de tubos para as bordas do tanque como uma área de filtração para operação de todos os filtros necessários pode ser vista. Toda a infraestrutura necessária para filtração tradicional pode ser vista, o que gera custos operacionais e de infraestrutura muito altos; por outro lado, a figura 1 mostra a simplicidade da estrutura necessária a um processo para filtração de água de acordo com a presente invenção e, portanto, a economia nos custos operacionais e de infraestrutura.
O processo da presente invenção foi realizado com as etapas que se seguem:
Na etapa a) ondas ultrassônicas foram emitidas com equipamento de emissão de ondas ultrassônicas (8), doravante denominado um sonicador, marca registrada LG Sonics modelo XL com frequência dupla em 20 e 100 kHz e 45 W de potência, fabricado pela LG SOUND, Gerrit van der Veenstraat 752321 CD, Leiden, Países Baixos; com este
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25/32 dispositivo a formação de biopelículas foi prevenida e a aplicação do polímero floculante foi reduzida em 75 %. Os ditos sonicadores (8) estão localizados de 10 cm a 30 cm abaixo da superfície da água usando flutuadores e localizados na borda do tanque, conforme mostrado na figura 1.
Conforme mostrado na figura 3, as partículas suspensas foram coaguladas em uma forma regular em flocos de um tamanho grande que foram dispersos, devido ao efeito sinérgico, entre a emissão de onda ultrassônica e aplicação do floculante, o que permite uma sucção mais fácil e filtração eficiente do fluxo de efluente do dispositivo de sucção.
Na etapa b) um polímero catiônico foi adicionado, Crystal Clear™, que é um polieletrólito catiônico biodegradável fabricado pela AP Aquarium Products, USA em concentrações de 0,08 ppm a cada 24 horas.
Na etapa c) a parte inferior do tanque foi coberta com um dispositivo de sucção mostrado nas figuras 4 a 6, que captura partículas floculadas aspirando um fluxo de 15 Litros por segundo de água com as ditas partículas floculadas, por 2 horas a cada 2 dias. Conforme mostrado na figura 1, o efluente do dispositivo de sucção (2c) é aspirado por uma bomba móvel (2e) com uma energia de 6,98 kW (9,5 hp) e conectado ao dispositivo de sucção por uma mangueira de plástico flexível (2d) de 10,16 cm (4 polegadas) de diâmetro e 150 m de comprimento, na direção do tubo de coleta de efluente (4) que descarrega em várias câmaras de efluente de concreto (2a), todas as mesmas sendo conectadas pelo tubo de coleta de efluente (4). O dito
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26/32 dispositivo de sucção cobriu a parte inferior do tanque, submergiu na água do tanque e cobriu 10.000 metros quadrados (um hectare) em 3 horas a uma velocidade de 0,93 metro por segundo. A dita velocidade é muito superior àquela de qualquer equipamento semelhante disponível no mercado. Este dispositivo projetado especificamente cobre pelo menos 100 vezes mais a superfície da parte inferior do tanque, no mesmo período de tempo, que qualquer outro dispositivo disponível no mercado.
Na etapa d) o efluente do dispositivo de sucção foi filtrado, bombeando com uma bomba centrífuga VOGT® modelo série N 628 de 5,52 kW (7,5 hp) com a força e fluxo de 15 Litros por segundo, conectada a uma calha (chute) de 10,16 cm (4 polegadas) de diâmetro interno, de uma ou mais câmaras de efluente de concreto. Um filtro de areia Aguasin® modelo QMA-210-E foi empregado, carreado com sustentação de cascalho C-5 e duas camadas de filtração, uma de CARENIT C-8 e a outra de CARENIT AN. Na etapa d) do processo da presente invenção, efluente total foi filtrado pelo dispositivo de sucção em uma hora e meia, portanto, 15 Litros por segundo por uma hora e meia/dia foram filtrados.
Na etapa e) a água filtrada foi retornada para o tanque usando três bombas de recirculação, cada uma com uma força de 1,84 kW (2,5 hp) e um fluxo de 5 litros por segundo, desta forma obtendo um fluxo de recirculação de 15 litros por segundo no total.
Biopelículas não foram formadas, portanto, a limpeza manual das partes e do dispositivo não foi necessária; a turbidez total da água foi eliminada e as impurezas precipitadas do polímero foram totalmente
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27/32 eliminadas de forma fácil e eficiente, deixando a parte inferior completamente limpa. O dispositivo que aspirou um fluxo de 15 litros por segundo da parte inferior do tanque deixou a superfície da parte inferior do tanque livre de partículas, flocos e camada residual, como uma limpeza fina, diferente de uma dragagem simples. O dispositivo de sucção foi aplicado à parte inferior do lago por 2 horas a cada 2 dias, a fim de aspirar o fluxo com partículas floculadas na parte inferior do tanque, mantendo a água completamente cristalina, satisfazendo e excedendo os padrões para limpidez na água destinada a fins de recreação em contato direto e regulamentações para piscinas de natação do país de solicitação do pedido, isto é,
Regulamentação NCh 1333, NCh 209 e Nch 409.
Tabela 1 - Tabela comparativa da água tratada com o processo da presente invenção em comparação à Normalização para água destinada a fins de recreação com contato direto
NCh 1333*
|
Parâmetros |
Valor medido
em piscina |
NCh 1333 |
|
pH |
7,8 |
6,5 a 8,3 - exceto se as condições naturais da água mostrarem valores diferentes, porém nunca inferiores a 5,0 ou superiores a 9,0 |
|
Temperatura, °C, máxima |
17,7 |
30 |
|
Limpidez, máxima* |
35 metros |
Visualização de discos de
Secchi em 1,20 m de |
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| |
|
profundidade |
|
Sólidos flutuantes visíveis e espumas não naturais |
Ausentes |
Ausentes |
|
Óleos e gorduras
flutuantes, mg/L,
máximo* |
< 5 |
5 |
|
Óleos e gorduras emulsionados, mg/L, máximo* |
< 5 |
10 |
|
Unidade de cor
escala Pc-Co,
máxima* |
10 |
100 |
|
Ausente |
Ausência de cores artificiais |
|
Turbidez, unidades de sílica, máximas* |
0,55 |
50 |
|
Coliformes fecais/
100 mL, máximo* |
— |
1.000 |
|
Substâncias que produzem odor ou problemas de gosto |
Ausentes |
Ausentes |
*As regulamentações oficiais do Chile foram empregadas (Chile é o país de solicitação do pedido) Regulamentação NCh 1333
Tabela 2 - Tabela comparativa da agua tratada com o proceso da presente invenção em comparação à Regulamentação para piscinas NCh 209*
|
Parâmetros |
Valor medido
em piscina |
NCh 209 |
|
pH |
7,8 |
7,2 - 8,2 |
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|
Cloro isento de resíduos (ppm) |
0,5 |
0,5 - 1,5 |
|
Cobre (algicida) (mg/L) |
0,38 |
Máximo 1,5 |
|
Bromo (desinfetante) (mg/L) |
|
1 - 3 |
|
Espumas, gorduras e partículas suspensas |
Ausentes |
Ausentes |
|
Bactérias anaeróbicas
(colônias/mL) |
Ausentes |
< 200 |
|
Coliformes fecais |
Ausentes |
Ausentes |
|
Coliformes totais
(colônias/100 mL) |
Ausentes |
< 20 |
|
Algas, larvas ou outros organismos vivos |
Ausentes |
Ausentes |
|
Visibilidade do Disco Preto de 15
cm |
35 m |
1,4 m |
*
As normalizações oficiais chilenas foram empregadas (O Chile é o país do pedido) Normalização NCh2 0 9.
A filtração de grandes volumes de água é tecnicamente complexa, envolvendo custos altos e, portanto, uma barreira para a graduação dos corpos de água cristalinos.
O dispositivo de sucção da presente invenção elimina os sólidos suspensos floculados com o agente floculante e sonicação de modo eficiente e econômico, diminuindo os fluxos para o filtro em quase cem vezes, diminuindo o investimento em filtros, tubos e custos de energia durante a operação, em comparação aos sistemas tradicionais de filtração em tanque. Eles permitem a redução no uso de desinfetantes, floculantes, algicidas e eliminação de biopelículas, eliminando a limpeza manual das
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30/32 paredes do tanque e tornando a operação do dispositivo de sucção mais eficiente.
Além do alto custo, os sistemas de filtração tradicionais não limpam a parte inferior do tanque.
A tecnologia descrita no presente documento, que obtêm redução marcante nos custos operacionais e de investimento, apresenta a possibilidade de eliminar uma das barreiras principais para construção de tanques de água cristalina maiores para fins de recreação e ornamentais.
As vantagens principais do processo implementado são economia significativa de energia e de produtos químicos, mantendo a proteção do meio ambiente e vantagem de custos de investimento e manutenção que são mostrados na tabela comparativa que se segue:
Tabela 3 - Tabela comparativa de custos aproximados entre um sistema de filtração tradicional* e o dispositivo de sucção
| |
Especificações |
Volume circulado pelas bombas |
Custos de instalação |
Custos operacionais, mensais |
|
Filtro tradicional |
- Vinte bombas centrífugas VOGT® modelo número de série 628, operando com um fluxo de 15 Litros por segundo, com motor de 5,5 95 kW (7,5 hp)
- Vinte filtros de |
|
|
|
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31/32
| |
areia AGUASIN
modelo QMA-210;
- 129.600 kg de
areia (Carenit C2, C3, C4, C5, C8 e
AN) ;
- Vinte baterias de válvulas 250 mm;
- Força de trabalho para instalação;
- Armazém de 1.000
metros quadrados
com bases especiais para sustentação de um peso total de 300 toneladas, com a vibração dos
filtros em
operação;
- 1.998 metros de
tubulação para
condução de água;
- Energia total
usada por um mês, 24 horas * 30 dias * 20 * 5,595 kW/h
(80,568 kW/h)
- Operações; e
- Manutenção |
300
Litros
por segundo |
US$
362,180 + |
US$
16,075 |
|
Pro- |
- Barco Windglider |
|
|
|
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32/32
|
cesso da invenção |
- Bomba de sucção com motor de 7,084 kW (9,5 hp)
- 3 sonicadores, modelo LGSONIC XL
- Dispositivo de sucção
- Bomba de sucção de 5,592 kW (7,5 hp)
- 449 metros de
tubulação para
condução de água
- 3 bombas de
recirculação de
1,84 kW (2,5 hp)
- Mangueiras, acessórios
- Combustível
- Floculante
- Operador
- Manutenção |
15 litros por segundo |
US$18,200 |
US$910 |
* É considerado como T = 4 (taxa mínima para filtração de piscina) Norma NCh209 + O custo do terreno para os armazéns de 1.000 metros quadrados não foi considerado.