PT1470079E

PT1470079E - Instalação de tratamento de águas por flotação

Info

Publication number: PT1470079E
Application number: PT02801115T
Authority: PT
Inventors: Patrick Vion
Original assignee: Degremont
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2007-02-28
Also published as: US20050115881A1; DE02801115T1; ES2233220T1; FR2835247B1; NZ534294A; AU2002364827B2; US7169301B2; CA2474347C; FR2835247A1; WO2003064326A1; EP1470079B1; HK1073832A1; RU2004126245A; PL370266A1; ATE350341T1; EP1470079A1; DE60217409T2; CN1617836A; BR0215534B1; KR100938770B1

Description

ΕΡ 1 470 079 /PT

DESCRIÇÃO "Instalação de tratamento de águas por flotação" A presente invenção refere uma instalação de tratamento de águas compreendendo uma célula de flotação na qual é admitida água bruta, previamente floculada e depois misturada com a água pressurizada e descomprimida de forma a que as matérias em suspensão contidas na água bruta sejam levadas pelas microbolhas resultantes da dita descompressão e evacuadas para a superfície do liquido contido na célula, sendo a água tratada evacuada pelo fundo da dita célula.

Conhece-se (EP-A-0 659 690) uma instalação do tipo mencionada acima que compreende uma zona de floculação, uma zona de mistura da água bruta floculada, numa corrente ascendente, com água pressurizada fornecida por um sistema de pressurização-descompressão, e uma zona de flotação na parte superior da qual são evacuadas as matérias em suspensão contidas na água bruta e levadas para a superfície pelas microbolhas, estando esta zona de flotação munida, na sua parte inferior, de um dispositivo de retoma perfurado (superfície inferior com ou sem embocaduras, colectores, etc...) de maneira a que toda a superfície da zona de flotação apresenta um fluxo de escoamento uniforme e idêntico do líquido clarificado.

Uma característica deste tipo de flotadores reside na formação de um leito espesso de microbolhas graças ao qual a floculação se efectua em dois estádios, primeiramente na zona de floculação e depois no seio do leito de microbolhas graças à grande massa de contacto devida às microbolhas assegurando ainda a separação por flotação das matérias em suspensão.

Uma das limitações para a utilização de tais instalações reside no seu dimensionamento. Segundo H.J. KIURI, num artigo intitulado « Development of dissolved air flottation technology from the first generation to the newest (third) one (DAF in turbulent flow conditions » publicado no « Water Science and Technology », Vol. 43, N° 8, pp 1-7, IWA Publishing 2001, uma regra para base do dimensionamento das células de flotação é a de que a relação da profundidade (ou 2 ΕΡ 1 470 079 /PT altura H) da zona de flotação, situada acima do sistema de retoma, dividida pelo comprimento horizontal L entre a entrada de água e a parede oposta (relação H/L), seja superior a 1. O respeito por esta regra leva à construção de instalações muito caras com grandes alturas.

Uma outra dificuldade que aparece quando da execução industrial deste tipo de instalação diz respeito à formação de um leito de microbolhas de grande altura na célula de flotação (altura do leito de microbolhas frequentemente superior a 3 metros).

Esta altura, por um lado deve ser superior a um valor mínimo para assegurar um bom acabamento da floculação, optimizar a aderência entre as microbolhas e os flocos e, igualmente, para permitir os fenómenos de coalescência ou de aglomeração que estão na origem do engrossamento das microbolhas e, assim, do crescimento da sua velocidade ascensional (30 a 60 m/h) e, por outro lado, deve ser limitada a fim de reduzir a profundidade das instalações (quer dizer a sua altura) e, consequentemente, o seu custo e as elevadas sobre-saturações em gás. É assim que uma altura de 1,5 m se pode traduzir numa sobre-saturação de + 15%, enquanto que uma altura de 4 m pode levar a uma sobre-saturação de + 40%, o que constitui um inconveniente maior quando a célula de flotação está implantada a montante de uma zona de tratamento por filtração, por exemplo, sobre um leito de areia ou sobre membranas.

Factores susceptíveis de aumentar a altura do leito de microbolhas são, nomeadamente, os seguintes: uma alimentação hidráulica de má qualidade (heterógenea) que conduz, por exemplo, a aumentar a taxa de pressurização a fim de aumentar a altura do leito de microbolhas para o tornar estável; e um comprimento importante da célula de flotação que conduz a fortes alturas (H/L > 1 de acordo com o estado anterior da arte). A presente invenção propôs-se como objectivo resolver, por um lado, o problema da grande profundidade necessária para a obtenção do leito de microbolhas e, por outro lado, o 3 ΕΡ 1 470 079 /PT problema da estabilidade do dito leito de microbolhas em tais instalações de tratamento.

Consequentemente, esta invenção refere uma instalação de purificação de águas compreendendo uma zona de coagulação, uma zona de floculação, uma zona de mistura, numa corrente ascendente, da água floculada com a água pressurizada fornecida por um sistema de pressurização-descompressão, gerador de microbolhas, e uma zona de flotação na parte superior da qual são evacuadas as matérias em suspensão trazidas à superfície pelas microbolhas, compreendendo esta zona de flotação na sua parte inferior um meio de retoma da água clarificada, sendo esta instalação caracterizada por: - a geometria da zona de flotação ser tal que a relação entre a altura da zona situada acima do meio de retoma de água clarificada e o comprimento da dita zona estar compreendida entre 0,3 e 1; e - a relação entre a superfície da lâmina de água à saída da zona de mistura e a superfície da zona de flotação, propriamente dita, estar compreendida entre 0,05 e 0,5 e, de preferência, entre 0,1 e 0,35.

Outras características e vantagens da presente invenção sobressairão da descrição feita adiante, com referência à figura única do desenho anexo que a ilustra, de forma esquemática um modo de realização dado a título não limitativo.

Como se vê na figura a instalação compreende: uma zona de coagulação 1 na qual a água bruta é misturada com um coagulante, coagulante este que pode, em certos casos, ser injectado a montante desta zona 1; uma zona de floculação 3, separada da zona de coagulação 1 por um sistema de descarregador 2, uma zona de mistura 5 na qual a água bruta floculada, trazida através de uma abertura de alimentação 4 é misturada numa corrente ascendente com microbolhas produzidas por um sistema de pressurização-descompressão 8 e uma zona de flotação 6. A zona de flotação 6 está separada da zona de mistura 5 por um descarregador inclinado 11. Na dita zona de flotação 6, produz-se uma acumulação de microbolhas que formam um leito espesso numa corrente descendente, as matérias em suspensão na água bruta trazidas pelas 4 ΕΡ 1 470 079 /PT microbolhas acumulam-se na superfície 7 para serem evacuadas em 10, sendo a água clarificada extraída na parte inferior desta zona de flotação, após retoma através de uma superfície inferior 9, ou meio similar que permita funcionar a grandes velocidades de flotação. À entrada da zona de floculação 3, a água bruta é repartida, de forma homogénea, sobre toda a largura desta zona, pelo sistema de descarregador 2 realizado, por exemplo, sob a forma de descarregadores contínuos, recortados, de tubos perfurados, ramificados ou não. Este sistema de descarregador e de repartição homogénea 2 permite assegurar, eventualmente, a entrada e a mistura na água bruta coagulada de produto(s) tal(is) como um adjuvante de floculação, sendo a floculação propriamente dita assegurada por um sistema estático ou por barreiras rotativas horizontais. A combinação do sistema de repartição 2 e dos floculadores estáticos ou de eixo horizontal assegura uma alimentação homogénea da zona de flotação em toda a sua largura. A floculação pode igualmente ser assegurada por um sistema de agitador(es) mecânico(s) de eixo vertical combinado com orifícios calibrados situados na entrada 4 da zona de mistura 5. Este último dispositivo permite re-equilibrar os fluxos e compensar as perturbações hidráulicas e os movimentos de rotação induzidos pela agitação de eixo vertical.

Na zona de mistura 5, a água bruta floculada é misturada às microbolhas, geradas no seio da água pressurizada produzida pelo reservatório de pressurização 8 numa corrente ascendente partindo da base da zona, sendo a descompressão e a formação das microbolhas realizadas por uma pluralidade de sistemas de injecção da água pressurizada, repartidos por toda a largura da zona, sendo esta corrente ascendente seguida por uma corrente descendente até ao sistema de retoma. O fluxo descendente apresenta uma velocidade inferior à do fluxo ascendente, sendo, em grande parte, as matérias em suspensão trazidas pelas microbolhas libertadas quando da alteração da direcção do fluxo vindo acumular-se em 7 na superfície da zona de flotação.

De acordo com a presente invenção, a altura do leito de microbolhas é mantida a, pelo menos, 1 metro a 1,5 m, de 5

ΕΡ 1 470 079 /PT forma a obter os efeitos benéficos do leito de microbolhas que desempenha o papel de filtro e de aglutinador destas últimas (o leito desempenha o papel de um acelerador da velocidade ascensional das microbolhas aglutinadas). A altura da zona de flotação 6 deve assim ser superior a 1,5 ou 2 metros e, de acordo com a invenção, a relação entre a altura (H) da zona situada acima do sistema de retoma 10 e o comprimento (L) desta zona está compreendida entre 0,3 e 1 (0,3<H/L<1). Esta caracteristica que vai ao encontro das recomendações do perito na Arte (Artigo de K.J. KIURU página 1, citado acima) permite restringir a profundidade das instalações, mantendo-se a superfície desta última constante e correspondendo, em geral, a uma velocidade de tratamento (expressa em relação à superfície Sp, quer dizer a superfície da zona de flotação 6 correspondente ao comprimento L desta zona designada na figura) compreendida entre 15 e 60 m3/m2.h, o que tem uma repercussão notável nos custos de construção das instalações. Esta redução da profundidade das instalações permite igualmente evitar as sobre-saturações em ar dissolvido e as suas repercussões a jusante da cadeia de tratamento, em particular, sobre os filtros de areia e/ou membranas.

Segundo uma outra caracteristica desta instalação de acordo com a invenção, a relação entre a superfície Sa da lâmina de água que está situada na vertical da saída da zona de mistura 5 (quer dizer a superfície da secção vertical compreendida entre o bordo superior do descarregador inclinado 11 e o plano de água da zona de flotação 6), e a superfície Sp da zona de flotação 6 (correspondendo a superfície desta zona ao comprimento L) deverá estar compreendida entre 0,05 e 0,5 (0,05<Sa/Sp<0,5) e, de preferência, entre 0,1 e 0,35 (0, l<Sa/Sp<0,35) . Esta caracteristica permite definir uma gama de velocidades da lâmina de água na vertical da saída da zona de mistura 5 tal que não se ultrapassa: - um limite superior de velocidade para além do qual, por um lado, se cria um movimento de rotação generalizado que desagrega o leito de bolhas na zona de flotação 6 e o arrasta para o efluente tratado e, por outro lado, desgastaria gravemente o leito de lamas 7 situado na superfície do flotador. Notar-se-á que um aumento da 6

ΕΡ 1 470 079 /PT taxa de pressurização, consequentemente da quantidade de microbolhas produzidas, poderia estabilizar o leito de bolhas com, por consequência, um aumento relativamente grande da altura, assim, no limite, incompatível com a geometria da instalação definida pela invenção; - um limite inferior de velocidade abaixo do qual o regime turbulento na zona de flotação 6 não é suficiente para assegurar a formação e a estabilidade do leito de microbolhas, o que leva a uma degradação rápida da qualidade da água tratada. O sistema de retoma 9 da água clarificada é constituído por uma superfície inferior munida de perfurações ou de tubagens providas de orifícios, como descrito na EP-A-0 659 690, criando uma resistência ao escoamento através desta superfície inferior que é máximo na extremidade final da zona de flotação (lado de evacuação) e vai diminuindo na direcção da extremidade inicial desta zona (lado de alimentação). Esta característica permite instaurar um regime turbulento no seio da zona de flotação, o que favorece a obtenção de um leito de microbolhas estável e suficientemente espesso, permitindo uma grande velocidade de tratamento.

Estas características de dimensionamento permitem, de forma surpreendente para o perito na matéria, atingir velocidades de tratamento que podem ir de 15 a 60 m/h, isto com aparelhos "rasos" (relação H/L compreendida entre 0,3 e D ·

Um determinado número de vantagens derivam da invenção de entre as quais se podem mencionar: - possibilidade de criar instalações de grande capacidade de tratamento com altura limitada. É assim que, por exemplo, a invenção permite realizar uma instalação com um comprimento de 7 m por uma altura de 3 m (em vez de uma altura de 7 m ou mais como preconizado no estado da arte anterior); a limitação em altura das dimensões de instalação traduz-se, por um lado, numa redução dos custos de construção e, por outro lado, por uma limitação das sobre-saturações em gases dissolvidos nefastas aos 7

ΕΡ 1 470 079 /PT sistemas de filtraçao situados a jusante da zona de flotação.

No exemplo mencionado acima, a adopção de uma altura limitada a 3 metros reduz consideravelmente a sobre-saturação da água clarificada dado que pode só ser 30% superior à dose de saturação, enquanto que poderia atingir 70% com uma altura de 7 m, de acordo com o estado anterior da arte. São dados adiante dois exemplos de execução destinados a fazer sobressair o interesse da escolha segundo a invenção de uma relação Sa (superfície da lâmina de água situada na vertical da saída da zona de mistura 5) dividida pela superfície Sp da zona de flotação 6 (quer dizer a superfície do sistema de retoma 9) compreendida entre 0,05 e 0,5.

Estes exemplos foram realizados numa unidade piloto compreendendo um coagulador, um floculador de tipo estático e uma célula de flotação com um comprimento de superfície inferior (L) de 2,50 me uma altura (H) acima da superfície inferior (sistema de retoma 9) de 3,6 m. A altura da lâmina de água acima do topo da zona de mistura (Ha) era variável entre 0,07 me 1,50 m. A velocidade de tratamento era de 35 m3/m2.h. A unidade piloto comportava ainda um circuito de pressurização de 5.10sPa e de descompressão permitindo injectar um débito de água pressurizada entre 10 e 20% do produto tratado. A fim de simular uma distorção hidráulica a entrada 4 da zona de flotação poderia estar parcialmente obstruída e, quando dos ensaios, neutralizou-se 50% da passagem.

Estes ensaios foram realizados numa água de ribeira pouco carregada. O débito de alimentação foi regulado para obter uma velocidade sobre a superfície inferior 9 de 40 m/h.

Os objectivos destes ensaios eram os de estudar as condições hidráulicas necessárias à formação e à estabilidade do leito de microbolhas e as condições de altura mínimas deste leito de microbolhas para manter a estabilidade.

Os dois principais parâmetros estudados foram a altura da lâmina de água acima do ponto de topo da zona de mistura e 8 ΕΡ 1 470 079 /PT a homogeneidade ou não da distribuição a montante desta zona. A percentagem ou taxa de água pressurizada óptima é de cerca de 10% e para obter a estabilização foi levada a 15 e 20%.

Os critérios de qualidade são a formação do leito de microbolhas, a sua altura e finalmente a qualidade da água que foi sujeita a flotação que é expressa aqui pela turbidez em NTU (unidade nefelométrica de turbidez). Se a turbidez for inferior a 2 NTU ela é considerada como aceitável e se for inferior a 1 NTU ela pode ser qualificada de excelente.

Os resultados obtidos foram estabelecidos adiante sob a forma de dois quadros. O primeiro quadro ilustra os resultados relativos ao exemplo 1 e mostra a influência da velocidade da lâmina de água à salda da zona de mistura 5 (esta saída corresponde a uma lâmina de água com uma altura Ha e uma superfície Sa) na estabilidade do leito de bolhas e sobre a turbidez da água tratada. O segundo quadro ilustra os resultados obtidos quando da execução do exemplo 2 e faz sobressair a influência da homogeneidade de distribuição a montante da zona de mistura 5 para uma relação Sa/Sp igual a 0,15. (Segue Quadro) 9

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Primeira série de ensaios

Influência da velocidade à saida da zona de mistura

Sa / Sp Ha (m) Y (Taxa de pressuri-zação) Leito de bolhas Turbidez da água tratada 0, 028 0,07 10% Sem interface. Colocado em rotação elevada. Saida de bolhas 11 NTU 0, 028 0,07 20% Idem 7 NTU 0, 04 0,1 10% Idem 9 NTU 0, 04 0,1 15% Rotação menos elevada, inicio de formação de um leito altura: cerca de 3,3 m 1,8 NTU 0, 08 0,2 10% Interface pouco nítido. Rotação ainda elevada. Leito mal formado. Altura imprecisa. 4 NTU 0, 08 0,2 15% Formação de leito de bolhas. Altura: cerca de 2,3 m. 1,1 NTU 0, 15 0,38 10% Interface nítido. Leito homogéneo. Altura: 1,5 m 0,7 NTU 0, 15 0,38 15% Interface nítido. Leito homogéneo. Altura: 2,1 m 0,6 NTU 0,30 0,75 10% Idem Altura: 1,60 m 0,8 NTU 0,60 1,5 10% ou 15% ou 20% Sem leito de bolhas. Saída das bolhas 9 NTU

Os resultados destes ensaios permitem avançar as seguintes conclusões: - uma velocidade demasiado forte na secção de altura Ha, relação Sa/Sp fraca, tem tendência a fazer rodar fortemente o leito de microbolhas impedindo, por isso, a sua estabilização e logo a sua formação. No entanto, aumentando a taxa de 10 ΕΡ 1 470 079 /PT pressurização é possível contrariar este movimento e obter um leito de bolhas. Assim, com uma taxa de 15% foi possível estabilizar o leito de bolhas (4o e 6o casos do quadro acima) mas com um grande aumento deste leito de microbolhas (respectivamente 3,3 me 2,3 m em vez de 1,5 m) ; - uma velocidade muito baixa, relação Sa/Sp forte (10° caso do quadro), ao contrário não provoca a rotação mínima, o regime turbulento não é atingido e o leito de bolhas não se pode formar. Um excesso de ar é aqui inoperante; - as relações Sa/Sp correctas situam-se na gama de 0,05 e 0,5 e permitem ter um leito de bolhas de altura limitada (relação H/L<1). Fora desta gama, o leito de bolhas não se forma ou a altura do leito de bolhas é grande. No 4o caso do quadro: altura do leito 3,3 m (ou seja H/L = 1,32).

Na segunda série de ensaios cujos resultados estão consignados no quadro adiante, a relação Sa/Sp de 0, 15 foi mantida. Foram realizados dois ensaios, um com uma alimentação homogénea garantida por um descarregador na entrada do floculador e uma floculação estática, neutralizando o outro 50% da entrada 4 da célula de flotação (alimentação baixa da célula de flotação).

Segunda série de ensaios:

Influência da homogeneidade de distribuição a montante da zona de mistura

Sa / Sp Ha Alimentação Y Leito de bolhas Turbidez da água tratada 0,15 0, 38 Homogénea na largura do flotador 10% H = 1, 5 m 0,7 NTU 0, 15 Alimentação em 50% da largura do flotador 10% Interface não nítido Arrastamento de bolhas 2 NTU 0, 15 Idem 15% Leito de bolhas H = 3,1 0,9 NTU 11

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Os resultados trazidos por estes ensaios permitem avançar com as seguintes conclusões: - uma alimentação não homogénea sobre a largura da célula de flotação nem sempre permite formar um leito de bolhas. no caso presente, foi necessário aumentar a taxa de pressurização. A altura do leito de bolhas é então importante, aqui 3,1 me a relação H/L da célula de flotação seria superior a 1; e - uma alimentação homogénea é necessária para a obtenção de leitos de bolhas de altura baixa.

Fica bem entendido que a presente invenção não está limitada aos exemplos de realização descritos e representados acima mas que engloba quaisquer variantes.

Lisboa,

Claims

ΕΡ 1 470 079 /PT 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Instalação de purificação de águas compreendendo uma zona de coagulação (1), uma zona de floculação (3), uma zona de mistura (5), numa corrente ascendente, da água floculada com a água pressurizada fornecida por um sistema de pressurização-descompressão (8) gerador de microbolhas e, uma zona de flotação (6) na parte superior da qual são evacuadas as matérias em suspensão trazidas à superfície pelas microbolhas, compreendendo esta zona de flotação na sua parte inferior um meio de retoma (10) da água clarificada, sendo esta instalação caracterizada por: - o meio de retoma (9) da água clarificada na base da zona de flotação ser constituído por uma superfície inferior munida de perfurações, ou de tubagens providas de orifícios, criando uma resistência ao escoamento através desta superfície inferior que é máximo na extremidade final da zona de flotação (lado de evacuação) e vai diminuindo na direcção da extremidade inicial desta zona (lado de alimentação); - a geometria da zona de flotação (6) ser tal que a relação entre a altura (H) da zona situada acima do meio de retoma (9) da água clarificada e o comprimento (L) da dita zona, estar compreendida entre 0,3 e 1; e - a relação entre a superfície (Sa) da lâmina de água à saída da zona de mistura (5) e a superfície (Sp) da zona de flotação propriamente dita estar compreendida entre 0,05 e 0,5 e, de preferência, entre 0,1 e 0,35.
2 - Instalação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender meios (2) concebidos de forma a repartir de maneira homogénea a água bruta coagulada na zona de coagulação (1) em toda a largura da zona de floculação (3) .
3 - Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada por a homogeneização e a floculação serem asseguradas por um sistema de floculação estática. ΕΡ 1 470 079 /PT 2/2
4 - Instalação de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada por a homogeneização e a floculação serem asseguradas por barreiras rotativas horizontais.
5 - Instalação de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada por a homogeneização e a floculação serem asseguradas por um sistema de agitadores mecânicos de eixo vertical, estando previstos orifícios calibrados na entrada (4) da zona de mistura (5).
6 - Instalação de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por os meios (2) que asseguram a repartição homogénea da água bruta sobre toda largura da zona de floculação (3) serem realizados, nomeadamente, sob a forma de descarregadores contínuos, entalhados, de tubos perfurados, eventualmente ramificados. Lisboa,