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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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:
Pare ver este gráfico descargar
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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
- 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)
- Lenntech.com (Tratamiento de
TRABAJO REALIZADO POR:
Cosme Arana Giralt
Ingeniero Organización Industrial
25/06/2004
(Madrid)