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Técnicas de Flotación




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    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.

    1. DESCRIPCIÓN:

    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:

    1. Aireación a presión atmosférica
      (flotación por
      aireación
      ).
    2. Saturación con aire a la presión
      atmosférica, seguido de la aplicación del
      vacío al líquido (flotación por
      vacío).
    3. 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.

     

    1. 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.

    2. 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..

       

    3. FLOTACIÓN POR
      VACÍO:
    4. 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:

     

    Pare ver este
    gráfico descargar la versión completa desde el
    menú superior, opción: "Bajar trabajo"

     

    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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    opción: "Bajar trabajo"

    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

     

     

    BIBLIOGRAFÍA:

    • 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)

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