MX2012008953A - Sistemas y metodos de tratamiento de agua. - Google Patents
Sistemas y metodos de tratamiento de agua.Info
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Abstract
Se proveen sistemas y métodos de tratamiento de agua para minimizar el ensuciamiento de membranas y el mantenimiento requerido que resulta de los mismos. El sistema de tratamiento de agua incluye un recipiente a presión con una pluralidad de membranas separadas espaciadamente dispuestas en el mismo y un impulsor u otros medios para hacer circular el agua de alimentación a través del interior del recipiente y más allá de las membranas. Partículas antiensuciamiento (tales como tierra diatomácea o carbón activado) y/o pelotillas pueden ser agregadas al agua de alimentación para inhibir el ensuciamiento de membrana y prolongar la vida útil de las membranas.
Description
SISTEMAS Y MÉTODOS DE TRATAMIENTO DE AGUA
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente solicitud es concerniente con el campo de agua y tratamiento de agua de desperdicio. Más en particular, esta solicitud es concerniente con un sistema de membrana para el tratamiento de agua y agua de desperdicio.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En tanto que hay muchos métodos para remover impurezas del agua, el tratamiento por membrana se esta volviendo por mucho más común a medida que las tecnologías mejoran y las fuentes de agua se vuelven más contaminadas. El tratamiento por membrana abarca proveer una diferencial de presión a través de una membrana semipermeable. El diferencial permite que moléculas de agua relativamente más pequeñas fluyan a través de la membrana mientras que los contaminantes relativamente más grandes permanecen en el lado de alta presión. En tanto que los contaminantes son más grandes que los poros en la membrana, pueden ser filtrados diferencialmente por la membrana y removidos con el concentrado.
Diferentes membranas pueden ser usadas para diferentes fuentes de agua pura y objetivos de tratamiento. Las clasificaciones de membranas caen en general en cuatro categorías amplias, definidas en general por el tamaño de contaminantes tamizados por la membrana. Este tamaño puede holgadamente ser correlacionado con el tamaño de poro en la membrana. Las cuatro categorías amplias de membrana son, en orden decreciente del tamaño · de materiales tamizados, membranas de micro filtración (MF) (que son aptas de tamizar materiales con pesos atómicos de entre aproximadamente 80,000 y 10,000,000 de Daltons); membranas de. ultrafiltración (UF) que son aptas de tamizar materiales con pesos atómicos de entre aproximadamente 5,000 y aproximadamente 400,000 Daltons); membranas de nano filtración (NF) (que son aptas de tamizar materiales con pesos atómicos de entre aproximadamente 180 y aproximadamente 15,000 Daltons) y membranas de osmosis inversa (RO) (que son aptas de tamizar materiales con pesos atómicos de entre aproximadamente 30 y aproximadamente 700 Daltons) .
Los sistemas de membrana de MF y UF se ponen en operación comúnmente bajo presiones positivas de, por ejemplo 2.1 Kg/cm2 (30 libras/pulgada cuadrada) a 2.8 Kg/cm2 (40 libras/pulgada cuadrada) o presiones negativas (vacío) de por ejemplo -0.21 Kg/cm2 (-3 libras/pulgada cuadrada) a -2.1 Kg/cm2 (- 12 libras/pulgada cuadrada y pueden ser usados para remover partículas y microbios. Las membranas de MF y UF pueden ser denominadas como "membranas de baja presión". Las membranas de NF y RO, en contraste, se ponen en operación comúnmente a presiones más altas que los sistemas de membrana de MF y UF y pueden ser usados para remover sólidos disueltos, incluyendo tanto compuestos inorgánicos como orgánicos de soluciones acuosas. Las membranas de NF y RO pueden ser denominadas como "membranas osmóticas". Las membranas osmóticas son en general cargadas, agregándose a su habilidad para rechazar contaminantes en base no solamente al tamaño de poro sino también en la repulsión de contaminantes cargados opuestamente tales como muchos sólidos disueltos comunes. Las membranas de osmosis inversa (RO) nano filtración (NF) y a alguna extensión, ultrafiltración (UF) pueden ser usadas en sistemas de filtración de flujo cruzado si operan en procesos continuos (en contraposición a procesos por lotes) a menos de 100% de recuperación.
Las membranas de RO y NF pueden estar compuestas de una película delgada de poliamida depositada sobre hojas de sustrato de polisulfona. Una forma común de membrana de RO o NF es una membrana de hoja plana compuesta de película delgada que es enrollada fuertemente a una configuración en espiral. Las membranas de UF son provistas más comúnmente como membranas de fibra hueca, pero pueden también ser usadas en elementos enrollados en espiral. Los elementos en espiral hacen uso eficiente del volumen en un recipiente a presión al ajusfar fuertemente a un área grande membrana a un espacio pequeño. Un elemento en espiral consiste comúnmente de hojas de membranas de lámina plana de parte posterior a la parte posterior adjuntas a un tubo perforado. Entre las membranas de la parte posterior a la parte posterior de cada hoja se encuentra una lámina' portadora de permeado que transporta el agua tratada alrededor del espiral al tubo de recolección perforado central. Un separador de agua de · alimentación es enrollado al espiral para separar hojas adyacentes. Después que las hojas son enrolladas una contra la otra están tan cercanamente como de 0.5 a 0.8 milímetros (aproximadamente el espesor del separador de alimentación físico (agua cruda) que es enrollado con las hojas de membrana) . El separador de agua de alimentación mantiene un canal apropiado entre las capas de membrana de tal manera que el agua de alimentación presurizada puede fluir entre ellas.
Los separadores de canal de alimentación consisten comúnmente de una red de fibras cilindricas. Estas fibras impiden el flujo del agua por el canal, creando "espacios muertos" de poco o ningún movimiento de agua tanto corriente arriba como corriente debajo de las fibras del separador de alimentación. La FIGURA 7 muestra una vista en sección transversal longitudinal de uno de tales canales de alimentación (tomada perpendicular a la dirección de enrollamiento) . La dirección de flujo 29 es indicada por la flecha de la FIGURA 7. En los espacios muertos 30 corriente arriba y corriente debajo de las fibras cilindricas 23, partículas pequeñas 25 y bacterias se asientan y se acumulan.
Los puntos muertos 30 son regiones con virtualmente ninguna velocidad de flujo y representan condiciones perfectos para que las partículas 25 se asienten y para que las bacterias se colonicen. El asentamiento de partículas 25 en estos puntos muertos ensucian la membrana. Con el paso del tiempo, a medida que las partículas se acumulan y los organismos biológicos se reproducen, este ensuciamiento puede detener el flujo longitudinal 29 del agua en los espacios de inter-membrana y puede frenar la penetración del permeado a través de la membrana 24.
El ensuciamiento es la cuestión de mantenimiento mayor asociada con el tratamiento de agua de membrana. El ensuciamiento ocurre cuando los contaminantes en el agua se adhieren a Ja superficie de membrana y/o se alojan a los poros de la membrana. El ensuciamiento crea una perdida de presión en el proceso de tratamiento, incrementando los costos de energía y reduciendo la capacidad del sistema. Numerosos métodos de limpieza han sido desarrollados para des ensuciar membranas que son complejas, requieren tiempo de paralización significativo y frecuentemente no restauran plenamente el flujo de las membranas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Las modalidades de la invención» proveen sistemas y métodos de tratamiento de agua que minimizan el ensuciamiento de membrana y el mantenimiento requerido que resulta de los mismos. Las modalidades de la invención también reducen significativamente el costo y la complejidad de los sistemas de separación de membrana. En algunas modalidades, una configuración de membrana única esta situada en un tanque de presión. En algunas modalidades, elementos de membrana planos pueden estar separados entre si por una distancia suficiente para impedir que se toquen entre si sin el uso de una hoja separadora de agua de alimentación convencional. En algunas modalidades, partículas antiensuciami'ento son agregadas al agua de alimentación para absorber y/o absorber partículas contaminantes e inhibir el ensuciamiento de membrana. En algunas modalidades, las pelotillas son suspendidas en el tanque a presión con el agua de alimentación, para desalojar partículas que se pueden haber asentado sobre la superficie de membrana. En algunas modalidades, el tanque a presión es sometido a un sistema de vibración para reducir o impedir el asentamiento de y/o ¦ suspender contaminantes sobre la superficie de membrana. En algunas modalidades, un sistema de re-circulación en el recipiente es provisto para incrementar la velocidad de la solución de alimentación para reducir el asentamiento de partículas. Se pueden proveer deflectores en el recipiente para dirigir el agua de alimentación alrededor del interior del recipiente. La alta velocidad de flujo cruzado de algunas modalidades puede servir para mitigar el asentamiento de partículas y ensuciamiento de membrana. Algunas modalidades de la invención puede reducir espectacularmente los requerimientos de mantenimiento de membrana y preferir un sistema que puede acomodar una mayor variedad de calidades de agua de alimentación con una vasta reducción en requerimientos de pre-tratamiento .
En un primer aspecto, se provee un método de tratamiento de un líquido que contiene enrutamientos de membrana. El método comprende agregar partículas antiensuciamiento al líquido, las partículas antiensuciamiento tienen un área superficial especifica de 10 m2/g o más, suministrar el líquido a un recipiente a presión, el recipiente a presión tiene una entrada, una salida del permeado y una pluralidad de elementos de membrana osmóticos dispuestos dentro de recipiente a presión, aplicar una diferencial de presión a través de los elementos de membrana osmóticos, hacer circular el líquido y las partículas antiensuciamiento más allá de los elementos de membrana osmóticos en el recipiente a presión y recolectar el permeado de la salida del permeado. Las partículas antiensuciamiento pueden estar configuradas para absorber por lo menos algunos de los agentes de ensuciamiento de membrana mientras que permiten el paso del permeado a través de los elementos de membrana. Las partículas antiensuciamiento pueden ser configuradas para absorber los elementos de ensuciamiento de membrana que comprenden partículas suspendidas y/o disueltas. Por lo menos uno de los elementos de membrana osmóticos pueden comprender una membrana de osmosis inversa. Por lo menos uno de los elementos de membrana osmóticos pueden comprender una membrana de nano filtración. El líquido se puede hacer circular a una velocidad de flujo cruzado de entre 0.15 metros (0.5 pies) por segundo y 3 metros (10 pies) por segundo. El líquido se puede hacer circular a una velocidad de flujo cruzado de entre 0.3 metros (1 pie) por segundo y 0.6 metros (2 pies) por segundo. El recipiente a presión puede ser presurizado a una presión de operación de 1.05 Kg/cm2 (15 libras/pulgada cuadrada) a 17.6 Kg/cm2 (250 libras/pulgada cuadrada) . Las partículas antiensuciamiento pueden tener un área superficial especifica de 30 m2/g o más. Las partículas antiensuciamiento pueden tener un área superficial especifica de 300 m2/g o más. Las partículas antiensuciamiento pueden tener una dimensión mayor mínima de 0.5 mieras o más. Las partículas antiensuciamiento pueden tener una dimensión mayor mínima de 1.0 mieras o más. Las partículas antiensuciamiento pueden estar configuradas para absorber los agentes de ensuciamiento de membrana que tienen un diámetro de 1 miera o menos. Las partículas antiensuciamiento pueden comprender tierra diatomácea. Las partículas antiensuciamiento comprenden carbón activado. Las partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas al líquido durante el tratamiento. Las partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas al líquido continuamente durante el tratamiento. Las partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas para tener una concentración de entre 1 y 20 mg/1 de líquido en el recipiente a presión. El líc[uido puede ser el efluente primario de un proceso de tratamiento primario de agua de desperdicio. El efluente primario puede ser suministrado al recipiente a presión del proceso de tratamiento primario de agua de desperdiqio sin ningún proceso de tratamiento biológico intermedio. En una modalidad, el método comprende además agregaJr pelotillas al recipiente a presión. Las pelotillas pueden estar configuradas para desalojar por lo menos algo de los ensuciantes de membrana y/o por lo menos algo de las partículas antiensuciamiento de los element|os de membrana osmótica a medida que las pelotillas c|irculan en el recipiente a presión. Las pelotillas pueden 'tener una forma cilindrica. Las pelotillas pueden tener una forma oblonga. Las pelotillas pueden tener una dimensión mayor máxima de entre 0.1 mm y 2.0 rara. Cada elemento de membrana osmótico puede estar separado de un elemento de membrana osmótico e inmediatamente adyacente por un espaciamiento de aproximadamente 2 mm a aproximadamente 8 mm Las pelotillas pueden tener una dimensión mayor máxima que puede ser menor igual a la mitad de la separación. Las pelotillas pueden ser agregadas para tener una concentración de entre aproximadamente 0.5% y aproximadamente 10% del volumen de liquido en el recipiente a presión. En una modalidad, el recipiente comprende además una salida del concentrado.
En un segundo aspecto,' se provee un sistema para tratar liquido que comprenden ensuciantes de membrana. El sistema comprende un recipiente a presión configurado para contener un volumen de liquido y que tiene una entrada y una salida del permeado, una pluralidad de elementos de membrana osmótica dispuesto dentro del recipiente a presión, un circulador configurado para hacer circular el liquido en el recipiente en una dirección en general paralela a las superficies activas de los elementos de membrana y un aparato antiensuciamiento configurado para administrar un suministro de partículas antiensuciamiento al líquido, las partículas antiensuciamiento tienen un área especifica qie puede ser de 10 m2/g o más. El aparato antiensuciamienio puede estar configurado para administrar las particular antiensuciamiento a una velocidad controlada. Las partículas antiensuciamiento pueden tener un área superficial especifica de 30 m /g o más. Las partículas antiensuciamiento pueden tener un área superficial especifica de 500 m2/g o más. Las partículas antiensuciamiento pueden tener una dimensión mayor de 0.5 mieras o más. Las partículas antiensuciamien pueden tener una dimensión mayor de 1.0 mieras o más s partículas antiensuciamiento pueden estar configuradas para absorber ensuciantes de membrana que tienen un diámetro de 1 miera o menos. Las partículas' antiensuciamiento pueden comprender tierra diatomácea. Las partículas antiensuci ¡amiento pueden comprender carbón activado. Cada elemento de membrana puede estar separado de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por entre aproximadamente 2 mm y aproximadamente 8 mm. Cada elemento de membrana puede estar separado de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por al menos mm. En una modalidad, el sistema compreijide además un suministro de pelotillas configuradas para inhibir la acumulación de agentes de ensuciamiento de membrana sobre los elementos de membrana. El volumen de las pelotillas puede ser de aproximadamente de entre 0.5% y aproximadamente 10% de el volumen de el líquido. Las pelotillas pueden tener una densidad mayor de aproximadamente 1.0. g/ml Las pelotillas pueden tener forma no esférica. Cada elemen|to de membrana puede estar separado de . un elemento de membrana inmediatamente adyacente por un espaciamiento de entre aproximadamente 2 mm y aproximadamente 8 mm . las pelotillas pueden tener una dimensión mayor que es menor o igual a aproximadamente la mitad del espaciamiento
En un tercer aspecto, se provee un sistema para tratar líquido que comprende agentes de ensuciamiento de membrana. El sistema comprende medios para contener el Ilíquido, medios para presurizar el líquido en los medios de contención, medios para separar el líquido en un componente de permeado y un componente retenido por lo menos cuando el líquido puede ser presurizado suficientemente, el componente de permeado que contiene una concentración de constituyentes disueltos masa baja que el componente retenido, medios para hacer circular el líquido más allá de los medios de separación y medios para inhibir la acumulación agentes ensuciamiento de membrana sobre los medios separación.
inhibición pueden comprender antiensuciamiento suspendidas en el liquido, Los medios de inhibición pueden comprender pelotillas suspendidas en el líquido .
En cuarto aspecto, se provee un método dé tratamiento de agua de desperdicio municipal o industrial que comprende sólidos suspendidos y disueltos. El método cómprende someter el agua de desperdicio a un proceso de tratamiento primario para remover por lo menos algunos sólidos suspendidos y producir un efluente primario que comprende compuestos inorgánicos y orgánicos disueltos, someter el efluente primario a un proceso de tratamiento osmótiico para remover por lo menos algunos constituyentes biológicos por lo menos algunos constituyentes de partículas y por lo menos algunos constituyentes disueltos del efluente primario para producir un permeado de calidad suficiente para | por lo menos estándares de agua potable indirectos para aplicaciones de rehúso. El proceso de tratamiento osmótico puede comprender suministrar el efluente primario a un recipiente a presión, el recipiente a presión que tiene una pluralidad de elementos de membrana osmóticos dispuestos al interior djel recipiente a presión, cada elemento de membrana que tiene una configuración sustancialmente plana, cada elemento de membrana espaciado de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por al menos 1 mm, cada elemento de membrana que tiene un lado de agua de alimentación y un lac.o del permeado. El método comprende además exponer el lado del agua de alimentación a una presión del recipiente suficiente para impulsar un proceso de filtración a través de los elementos de membrana osmótica del lado de agua de alimentación al lado del permeado y generar flujo cruzado del agua de alimentación en el recipiente a presión en una dirección en general paralela a la configuración plana de los elementos de membrana. El efluente primario puede ser sometido al proceso de tratamiento osmótico sin ningún proceso tratamiento biológico intermedio. En una modalidad, someter el efluente primario al proceso de tratamiento osmótico remueve sustancialmente todos los constituyentes b¡iológicos y en partículas del efluente primario. En una modalidad, el someter el efluente primario al proceso de tratamiento osmótico remueve por lo menos 10% de los constituyentes disueltos monovalentes del efluente primario. En una modalidad, someter el efluente primario al proceso de tratamiento osmótico remueve por lo menos 30% de los constituyentes disueltos monovalentes del efluente primario. En otra modalidad, someter el efluente primarip al proceso de tratamiento osmótico remueve por lo menos 60% de constituyentes disueltos multivalentes del efluente primario, En otra modalidad, someter el efluente primarilo al proceso de tratamiento osmótico remueve por lo menos 80% de los constituyentes disueltos multivalentes del efluente primario. La velocidad de flujo cruzado del agua de alimentación en el recipiente a presión puede ser de entre aproximadamente 0.15 metros (0.5 pies) por segundo y aproximadamente 3 metros (10.0 pies) por segundo. La velocidad de flujo cruzado del agua de alimentación en el recipiente a presi| |ón puede ser de entre aproximadamente 0.6 metros (2.0 pies) por segundo y aproximadamente 1 metro (3.0 pies) por segundo. La presión de recipiente puede ser entre aproximadamente 2.1 Kg/cm2 30 libras/pulgada cuadrada) y aproximadamente 5.3 Kg/cm2 (75 libras/pulgada cuadrada) . El- proceso de tratamiento osmótico se puede poner en operación a una velocidad de recuperación de entre aproximadamente 20% y 95%. El proceso de tratamiento osmótico se puede poner en operación a una velocidad de recuperación de entre aproximadamente 30% y 80%. Los elementos de membrana se pueden extender en Ana dirección en general vertical. Cada elemento de membrana puede estar espaciado de un elemento de membrana inmediatamente adyacente sin la presencia de un separador de agua de alimentación convencional dispuesto entre los elementos. Cada elemento de membrana puede estar separado de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 12 mm. Cada elemento de membrana puede estar separado de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por aproximadamente 3 mm. Cada uno de los elementos de membrana osmóticos pueden comprender dos membranas osmóticas separadas por un separador del permeado. Los elementos de membrana osmóticos pueden comprender membranas de nano filtración. Los elementos de membrana osmóticos pueden comprender membranas de osmosis inversa. En general el flujo cruzado puede comprender hacer girar un impulsor dispuesto al interior del recipiente a presión. En una modalidad, el método comprende además hacer re circular el agua de alimentación en el recipiente a presión parja crear por lo menos flujo bidireccional en el recipiente a presión. El recipiente a presión puede comprender adema1 s un deflector configurado para dirigir el flujo del agua de alimentación que re circula en el recipiente a presión. En una modalidad, el método comprende además administrar vibración ultrasónica al agua de alimentación al interior del recipiente a presión. La vibración ultrasónica puede ser administrada continua o intermitentemente. En una modalidad, el método comprende además administrar vibración sónica al agua de alimentación al interior del recipiente a presión. La vibración sónica puede ser administrada continua o intermitentemente. En una modalidad, el método comprende además suministrar el permeado a un proceso de tratamiento de seguimiento, El proceso de tratamiento de seguimiento puede comprender un proceso de membrana osmótico. En una modalidad, el méjtodo comprende además recolectar el permeado al exterior del recipiente a presión. En una modalidad, el método comprende además suministrar el concentrado del proceso de tratamiento osmótico a un proceso de tratamiento de seguimiento para producir un efluente secundario. El proceso de tratamiento seguimiento puede incluir un proceso de lodo activado y proceso de bioreactor de calificación o de membrana secundario. En una modalidad, el método comprende además suministrar el efluente secundario a un proceso de tratamiento osmótico secundario. El segundo proceso de tratamiento osmótico puede comprender suministrar el efluente a un segundo recipiente a presión, el segundo recipiente a presión tiene una segunda pluralidad de elementos de membrana osmóticos dispuestos al interior del segunc.o recipiente a presión, cada elemento de membrana tiene una configuración sustancialmente plana, cada elemento de membrana separado de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por al menos 1 rara, cada elemento de membrana tiene un lado de agua de alimentación y un lado del permeado, que expone el lado del agua de alimentación a una presión de recipiente suficiente para impulsar un proceso de filtración a través de los elementos de membrana osmótica desde el lado del agua de alimentación al lado del permeado y generar el flujo cruzado del agua de alimentación en el recipiente a presión en una dirección en general paralela a la configuración plana de los elementos de membrana. En una modalidad, el método comprende además suministrar el concentrado del segundo proceso de tratamiento osmótico a procesos de tratamiento de seguimiento.
En otro aspecto, se provee un sistema para separación contaminante del agua de la inventación. El sistema comprende un recipiente a presión para contener agua de alimentación a ser tratada, el recipiente a presión tiene una región ocupada y por lo menos una región abierta, una pluralidad de elementos de membrana separados dispuestos al interior del recipiente a presión en la región ocupada, cada elemento de membrana tiene un lado de agua de alimentación y un lado del permeado, el lado del permeado esta expuesto a la presión atmosférica, el lado del agua de la inventación es expuesto a una presión de recipiente suficiente para impulsar un proceso de filtración a través de los elementos de membrana, un tubo de recolección del permeado sellado del lado del agua de alimentación y en comunicación fluida con el lado de alimentación del permeado de los elementos de membrana y un circulador dispuesto al interior del recipiente a presión, el circulador esta configurado para generar circulación del agua de alimentación a través de la región ocupada y por lo menos una región abierta del recipiente a presión. En una modalidad, el sistema comprende además por lo menos un deflector dispuesto al interior del recipiente a presión, el deflector esta configurado para dirigir el agua de alimentación que circula a través de la región ocupada y la por lo menos una región abierta del recipiente a presión. El circulador puede ser un impulsor. El circulador y el por lo menos un deflector pueden cooperar para dirigir el flujo en una primera dirección en una primera porción de la región ocupada y en una segunda dirección en una segunda porción de la región ocupada la segunda dirección es opuesta de la primera dirección. El sistema puede comprender además un sistema de vibración configurado para producir ondas de vibración en el agua de alimentación. El sistema de vibración puede estar configurado para administrar ondas de vibración directamente al agua de la inventación. El sistema de vibración puede estar configurado para administrar ondas de vibración a la pared del recipiente a presión. El sistema de vibración puede estar configurado para producir ondas de vibración que tienen una frecuencia mayor de aproximadamente 15 kHz. El sistema de vibración puede estar configurado para producir ondas de vibración que tienen una frecuencia mayores de aproximadamente 20 kHz. El sistema de vibración puede estar configurado para producir ondas de vibración tanto a frecuencias sónicas como ultrasónicas. El sistema de vibración puede estar configurado para producir las ondas ultrasónicas intermitentemente a un primer intervalo y las ondas sónicas intermitentemente a un segundo intervalo. El segundo intervalo puede ser más corto que el primer intervalo. Los elementos de membrana pueden comprender membranas de osmosis inversa (RO) , membranas de nano filtración (NF) , membranas de ultrafiltración (UF) , membranas' de micro filtración (MF) u otros tipos de membrana. Los elementos de membrana adyacentes pueden estar separados por al menos 1 mm, por lo menos 2 mm, por lo menos 3 mm, por lo menos 4 mm o cualquier otra distancia apropiada. Los elementos de membrana pueden ser sustancialmente planos. Los elementos de membrana pueden estar orientados verticalmente al interior del recipiente a presión.
En otro aspecto, se provee un método para separar contaminantes del agua de la inventación. El método comprende suministrar agua de alimentación a un recipiente a presión, el recipiente a presión comprende una pluralidad de elementos de membrana separados dispuestos al interior del recipiente a presión, cada elemento de membrana tiene un lado de agua de alimentación y un lado del permeado, exponer el lado del permeado a la presión atmosférica, exponer el lado del agua de alimentación a una presión del recipiente suficiente para impulsar un proceso de filtración a través de los elementos de membrana y hacer re circular el agua de alimentación al interior del recipiente a presión. La recirculación del agua de la inventación puede comprender hacer girar un impulsor dispuesto al interior del recipiente a presión. El recipiente a presión puede comprender además un deflector configurado para dirigir el flujo del agua de alimentación que re circula en el recipiente a presión. El método puede comprender además administrar vibración ultrasónica al agua de alimentación al interior del recipiente a presión. La vibración ultrasónica puede ser administrada continua o intermitentemente. El método comprende además administrar la vibración ultrasónica al agua de alimentación. La vibración sónica puede ser administrada continua o intermitentemente. La vibración ultrasónica puede ser administrada intermitentemente a un primer intervalo. La vibración sónica puede ser administrada intermitentemente a un segundo intervalo, el segundo intervalo es más corto que el primer intervalo. El método puede comprender además comprende además recolectar el permeado al exterior del recipiente a presión.
En otro aspecto, un sistema de tratamiento de agua comprende un recipiente a presión para contener agua de alimentación a ser tratada. El recipiente a presión puede comprender una primera cámara que tiene una primera pluralidad de elementos de membrana separados dispuestos en el interior de la primera cámara, cada elemento de membrana tiene un lado .de agua de alimentación y un lado dél permeado, el lado del agua de alimentación esta expuesto al interior de la primera cámara, el lado del permeado esta expuesto a la presión atmosférica, una segunda cámara que tiene una .segunda pluralidad de elementos de membrana separados dispuestos en el interior de la segunda cámara, cada elemento de membrana tiene un lado de agua de alimentación y un lado del permeado, el lado del agua de alimentación esta expuesto al interior de la segunda cámara, el lado del permeado esta expuesto a la presión atmosférica, un elemento de sellado configurado para sellar de manera liberable la primera cámara y la segunda cámara conjuntamente, en donde, cuando son sellados, el interior de la primera cámara y el interior de la segunda cámara pueden estar en comunicación fluida y en donde, cuando son liberados, la segunda cámara puede ser separable de la primera cámara y una tercera cámara que tiene un circulador dispuesto en el interior de la tercera cámara, el interior de la tercera cámara esta en comunicación fluida con el interior de las primeras y segundas cámaras por lo menos cuando el elemento de sellado puede ser sellado, el circulador esta configurado para generar circulación del agua de alimentación a través de las primeras y segundas cámaras por lo menos cuando el elemento de sellado puede ser sellado. El área de sección transversal de la primera cámara puede ser sustancialmervte igual al área de sección transversal de la segunda cámara. El área de sección transversal de la segunda cámara puede ser sustancialmente igual al área de sección transversal de la tercera cámara. El sistema puede comprender además un primer tubo de recolección del permeado acoplado a la primera pluralidad de elementos de membrana separados y en comunicación fluida con el lado del permeado de los elementos de membrana de la primera pluralidad de elementos de membrana separados. El sistema puede comprender además un segundo tubo de recolección del permeado acoplado a la segunda pluralidad de elementos de membrana separados y en comunicación fluida con el lado del permeado de los elementos de membrana de la segunda pluralidad de elementos de membrana separados. El sistema puede comprender además un primer sistema de vibración acoplado a la primera cámara, el primer sistema de vibración configurado para administrar ondas de vibración al interior de la primera cámara. El sistema puede comprender además un sistema de vibración acoplado a la segunda cámara, el segundo sistema de vibración configurado para administrar ondas de vibración al interior de la segunda cámara. La primera cámara puede comprender un primer deflector configurado para definir por lo menos primeras y segundas trayectorias de flujo a través del interior de la primera cámara. La segunda cámara puede comprender un segundo deflector configurado para definir por lo menos terceras y cuartas trayectorias22dwrf de flujo a través del interior de la segunda cámara. El primer deflector puede estar configurado para acoplarse al segundo deflector por lo menos cuando el elemento de sellado puede ser sellado para acoplar fluidamente las primeras y terceras trayectorias de flujo y las segundas y cuartas trayectorias de flujo, respectivamente. La tercera cámara puede comprender un tercer deflector configurado para dirigir el flujo hacia y/o a lo lejos del circulador.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La FIGURA 1A muestra una sección transversal horizontal del sistema de tratamiento de agua de acuerdo con una modalidad, que comprende un sistema de membrana dispuesto en un recipiente a presión.
La FIGURA IB muestra la sección transversal de la FIGURA Ia con el cartucho de membrana removido para ilustrar mejor el deflector e impulsor dispuesto dentro del recipiente a presión .
La FIGURA 2A muestra una sección transversal horizontal del sistema de tratamiento de agua de acuerdo con otra modalidad.
La FIGURA- 2B muestra la sección transversal de la FIGURA 2A con el cartucho de membrana removido para ilustrar mejor el deflector e impulsor dispuestos dentro del recipiente a presión .
La FIGURA 3 muestra una sección transversal vertical de otra modalidad de un sistema de tratamiento.
La FIGURA 4A muestra una vista en perspectiva detallada de componentes de un elemento de membrana configurado de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 4B muestra una vista en perspectiva de un elemento de membrana ensamblado configurado de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 5 muestra una vista en perspectiva de un cartucho de membrana configurado de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 6A es una sección transversal vertical en vista lateral de un sistema de tratamiento de agua de acuerdo con una modalidad alternativa.
La FIGURA 6B es una vista del extremo en sección transversal vertical de la modalidad mostrada en la FIGURA 6A.
La FIGURA 6C es una vista ' en planta del deflector e impulsor mostrados en la FIGURA 6A.
La FIGURA 6D es una vista en planta de un deflector alternativo que puede ser usado en modalidades de la invención, por ejemplo la modalidad mostrada en la FIGURA 6A.
La FIGURA 7 es un diagrama esquemático que ilustra el flujo de agua de alimentación a través de un canal de alimentación de un elemento de membrana enrollado en espiral convencional .
La FIGURA 8 es una sección transversal de un sistema de tratamiento de agua de acuerdo con otra -modalidad.
La FIGURA 9 es una sección transversal de un sistema de tratamiento de agua de acuerdo con una modalidad adicional.
La FIGURA 10 es un diagrama esquemático de un modo de operación de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 11 es un diagrama esquemático que ilustra un modo de operación de acuerdo con otra modalidad.
La FIGURA 12 es un diagrama esquemático que ilustra un sistema de tratamiento móvil de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 13 es un diagrama esquemático que ilustra mejor la configuración de unidades de membrana de la modalidad mostrada en la FIGURA 12.
La FIGURA 14A es un diagrama esquemático que ilustra una configuración alternativa de unidades de membrana en un recipiente a presión, de acuerdo con otra modalidad.
La FIGURA 14B es un diagrama que ilustra unidades de membrana enrolladas alrededor de soportes y anexadas a tubos de recolección de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 14C es un diagrama que ilustra una unidad de membrana anexada a un tubo de recolección.
La FIGURA 15 es un diagrama esquemático que ilustra una vista lateral y secciones transversales en vista lateral y en planta de un sistema de filtración de acuerdo con una modalidad adicional.
La FIGURA 16 es un diagrama en. perspectiva que ilustra un arreglo de elementos de membrana con separadores de junta incluyendo un remate en forma de T para colgar los elementos sobre un bastidor, de acuerdo con una modalidad adicional.
La FIGURA 17 es un diagrama en perspectiva que ilustra un cartucho de múltiples elementos de membrana soportados sobre un bastidor, de acuerdo con todavía una modalidad adicional .
La FIGURA 18A es una vista en planta de un separador de junta configurado de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 18B es una vista en sección transversal de un separador de juntas de la FIGURA 18A, tomada a través de la línea B-B.
La FIGURA 18C es una vista en sección transversal del separador de junta de la FIGURA 18A, tomada a través de la línea C-C.
La FIGURA 19 es una vista en planta de un elemento de membrana configurado de acuerdo con una modalidad y mostrado con el separador de juntas de la FIGURA 18 colocados sobre el elemento.
La FIGURA 20 es una vista superior de un cartucho de membrana que comprende una serie de elementos de membrana separados por separadores de juntas, de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 21 es una vista en perspectiva del cartucho de membrana ilustrado en la FIGURA 20.
La FIGURA 22A es una vista en planta de un separador de junta, configurado de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 22B es una vista lateral del separador de junta de la FIGURA 22A.
La FIGURA 22C es una vista en perspectiva del separador de juntas de la FIGURA 22A.
La FIGURA 23 es un diagrama de proceso que ilustra un régimen de tratamiento de agua de desperdicio convencional que incluye etapas de tratamiento primaria, secundaria, terciaria y avanzada.
La FIGURA 24 es un diagrama de proceso que ilustra un método de tratamiento de agua de desperdicio de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 25A-D son diagramas de procesos que ilustran varios métodos de tratamiento de agua de desperdicio de acuerdo con varias modalidades.
La FIGURA 26 es un diagrama de proceso que ilustra otro método de tratamiento de agua de desperdicio, de acuerdo con una modalidad adicional.
La FIGURA 27A muestra una sección transversal de un recipiente cilindrico convencional con paredes para soportar la presión del lado interno (o presión de operación) aplicada a la solución de alimentación.
La FIGURA 27B muestra una sección transversal de un recipiente cilindrico de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 27C muestra un ejemplo de como múltiples selectores de flujo en un recipiente pueden ser dirigidas, de acuerdo con una modalidad.
Las FIGURAS 28A y 28B muestran una configuración posible de tapas del extremo configuradas para dirigir el flujo del agua de alimentación en los extremos longitudinales de un recipiente de acuerdo con una modalidad.
Las FIGURAS 29A y 29B muestran ejemplos de diferentes configuraciones de elementos de membranas que pueden ser alojados dentro de un recipiente de acuerdo con varías modalidades .
Las FIGURAS 30A-30C muestran vistas en planta, del extremo cercano y en sección transversal del extremo lejano, respectivamente de un recipiente que tiene una forma de sección transversal rectangular, de acuerdo con una modalidad.
Las FIGURAS 31A y 31B son dibujos esquemáticos que ilustran la derivación de la geometría de un ejemplo de un recipiente a presión, por ejemplo como se ilustran en la FIGURA 31C.
La FIGURA 31C es una sección transversal de un recipiente de acuerdo con una modalidad.
Las FIGURAS 31D y 31E muestran vistas en sección transversal de ejemplos de etapas del extremo que pueden ser dispuestas en extremos longitudinales opuestos del recipiente mostrado en la FIGURA 31C.
La FIGURA 32 es una sección transversal de un recipiente de acuerdo con otra modalidad.
La FIGURA 33 muestra vistas en sección transversal de ejemplos y tapas del extremo que pueden ser dispuestas en los extremos longitudinales opuestos del recipiente mostrado en la FIGURA 32.
Las FIGURAS 34 y 35 son representación esquemática de otra configuración de tapas del extremo que pueden ser usadas en modalidades.
La FIGURA 36 muestra una vista detallada esquemática de un . recipiente de acuerdo con una modalidad, incluyendo porciones del extremo cercano, cuerpo principal y del extremo lejano.
La FIGURA 37 muestra una sección transversal de un ejemplo de un recipiente hexagonal de acuerdo con otra modalidad .
La FIGURA 38 muestra una sección transversal de otro ejemplo de un recipiente hexagonal.
La FIGURA 39A muestra una sección transversal en vista del extremo y una vista lateral de un recipiente segmentado de acuerdo con otra modalidad.
La FIGURA 39B ilustra una sección transversal en vista del extremo y una vista lateral de un recipiente segmentado de acuerdo con otra modalidad.
La FIGURA 40A muestra una vista en planta de un separador de agua de alimentación configurado de acuerdo con una modalidad.
La FIGURA 40B muestra una sección transversal del separador de agua de alimentación de la FIGURA 40a, tomada a lo largo de la linea 40B-40B de la FIGURA 40A.
La FIGURA 41A muestra una vista en sección transversal de una pila de elementos de membrana y separadores de agua de alimentación configurados de acuerdo con otra modalidad.
La FIGURA 41B es una vista en sección transversal detallada de la pila ilustrada en la FIGURA 41A.
La FIGURA 42A es una vista en sección transversa esquemática que ilustra un canal de alimentación entre dos elementos de membrana con partículas contaminantes suspendidas en el agua de alimentación y que comienza a recubrir las membranas.
La FIGURA 42B es una vista en sección transversal esquemática que ilustra un canal de alimentación entre dos elementos de membrana, con partículas antiensuciamiento agregadas al agua de alimentación, de acuerdo con una modalidad .
La FIGURA 43A es una vista en sección transversal esquemática que ilustra un canal de alimentación entre dos elementos de membrana en otra modalidad al comienzo de un proceso de tratamiento.
La FIGURA 43B es una vista en sección transversal esquemática del canal de alimentación de la FIGURA 43A a una etapa posterior en el proceso de tratamiento.
La FIGURA 44A es una vista en sección transversal esquemática de un canal de alimentación entre¦ dos elementos de membrana con pelotillas delgadas al agua de alimentación, de acuerdo con otra modalidad.
La FIGURA 44B es una vista en sección transversal esquemática de un canal de alimentación entre dos elementos de membrana, con partículas antiensuciamiento y pelotillas agregadas al agua de alimentación y con una capa de partículas antiensuciamiento que recubren las membranas de acuerdo con otra modalidad.
La FIGURA 45A-C son micrografías electrónicas de barrido
(SEM) de tierra diatomácea que puede ser usada en algunas modalidades .
Las FIGURAS 46A-C son SEM de carbono activado que pueden ser usadas en algunas modalidades.
Las FIGURAS 47A-C son diagramas de método que ilustran varios procesos para tratamiento de agua de acuerdo con algunas modalidades.
Las FIGURAS 48A-C son diagramas esquemáticos que ilustran- varios sistemas de tratamiento de agua configurados de acuerdo con algunas modalidades.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS
Los elementos, aspectos y ventajas de la presente invención serán ahora descritos con referencia a las figuras de varias modalidades que pretenden estar dentro del alcance de la invención revelada en la presente. Estas y otras modalidades se harán fácilmente evidentes para aquellos experimentados en el arte a partir de la siguiente descripción detallada de las modalidades con referencia a las figuras adjuntas, la invención no esta limitada a cualquier modalidad particular revelada.
Los procesos de tratamiento de agua .a base de membrana emplean frecuentemente dos o más métodos de filtración en etapas para minimizar el ensuciamiento de membranas en la etapa posterior. Como un ejemplo, un sistema de tratamiento de agua recuperada podría incluir una primera etapa de tratamiento de membrana de micro filtración (MF) y una segunda etapa de membrana de osmosis inversa (RO) que recibe el agua producto de la primera etapa como entrada. Los contaminantes más grandes que los poros de la membrana se pueden alojar en los poros y bloquear el flujo de agua a través de la membrana ya sea en una etapa u otra. Cuando esto ocurre, se dice que la membrana esta ensuciada. El ensuciamiento de membrana puede ser provocado por partículas (por ejemplo, cienos, arcillas, etc.), organismos biológicos (por ejemplo, algas, bacterias, etc.), compuestos orgánicos disueltos (por ejemplo, materia orgánica natural) o precipitación de compuestos inorgánicos disueltos (por ejemplo, calcio, magnesio, manganeso, etc.) .
La productividad de membrana puede también disminuir a medida que los sólidos disueltos se incrementan en concentración en el agua de alimentación. Un incremento en la concentración de los sólidos disueltos cerca de la superficie de membrana eleva el incremento de presión osmótica. Para una presión de alimentación dada, esto puede dar como resultado una reducción en la presión impulsora efectiva y una velocidad de flujo más baja.
Otra fuente de ensuciamiento es la incrustación que puede ocurrir cuando los sólidos disueltos se incrementan en concentración al punto de precipitación. La formación de incrustación puede bloquear la membrana y reducir la productividad .
El ensuciamiento de membrana requiere una presión más alta y más energía para mantener la productividad de la membrana. En el sistema de dos etapas descrito anteriormente, las membranas de MF de la primera etapa, que tienen poros relativamente más grandes que las membranas de RO de la segunda etapa, pueden ser limpiadas mediante retro lavado periódico, que involucra forzar el agua limpia de regreso a través de las membranas en dirección opuesta del flujo de proceso de tratamiento. Esta etapa de retro lavado lleva al sistema de membrana fuera de operación por el periodo del retro lavado. Los procesos de limpieza menos frecuentes, pero más prolongados, pueden involucrar la remoción de los elementos de membrana de sus contenedores y limpieza con químicos y agitación.
Las desventajas de estos sistemas de limpieza son varias. En primer lugar, debido a que la primera etapa de MF no tamiza todos los ensuciantes potenciales, la etapa de RO corriente abajo frecuentemente requiere todavía mantenimiento significativo. Además, la etapa de retro lavado de MF requiere equipo caro tales como ' bombas y válvulas automatizadas. Esta etapa también reduce la capacidad del sistema ya que el agua del producto es usada en el proceso de limpieza. Estos procesos requieren operadores hábiles para mantener sistemas electrónicos complicados y los químicos usados. para limpieza requieren contención especial y procedimientos de manipulación especiales. Las modalidades de la presente invención evitan el ensuciamiento de membrana con sistemas simples que requieren muy poco mantenimiento.
En modalidades preferidas, una o más unidades de membrana son dispuestas en un recipiente a presión configurado para contener el agua fuente a ser tratada. Las unidades de membrana pueden ser dispuestas en una configuración espaciada, tal como por ejemplo una configuración suficientemente espaciada para limitar o impedir la atracción entre unidades de membrana- adyacentes y/o colapsos de las unidades de membrana adyacentes una sobre la otra. Cada unidad de membrana tiene un lado de agua de alimentación y un lado del permeado. El lado del agua de alimentación es expuesto a la presión del recipiente y el lado del permeado es expuesto a la presión atmosférica. La diferencial de presión entre la presión del recipiente y la presión atmosférica impulsa el proceso de filtración a través de las membranas. En algunas modalidades, las unidades o elementos de membrana están configurados en una configuración "abierta", con elementos de membrana adyacentes están espaciados por una distancia mayor que en los sistemas de membrana osmótica convencionales y sin un separador de agua de alimentación continuo convencional dispuesto entre superficies de membrana activa adyacentes sobre el lado de agua de alimentación. Tal configuración puede tanto inhibir el asentamiento de bacterias y/o partículas sobre membrana y puede también reducir la perdida de cabeza longitudinal en comparación con los sistemas convencionales. En algunas modalidades, los elementos de membrana son dispuestos verticalmente dentro del recipiente a presión.
Los sistemas de ciertas modalidades son ventajosos en que simplifican o eliminan ciertas etapas de proceso que de otra manera serian necesarios en una planta de tratamiento de agua convencional, tal como una planta que emplea sistemas de membrana enrollados en espiral convencionales. Las modalidades pueden estar configuradas para tratar un amplio intervalo de agua fuente (cruda) , incluyendo agua potable o agua de superficie salubre, agua de pozo potable o salubre, agua de mar, agua de alimentación industrial, agua de desperdicios industrial, agua de tormenta y agua de desperdicio municipal para producir agua producto de una calidad apropiada para un uso deseado particular, incluyendo suministro del agua producto a procesos de tratamiento de seguimiento particulares. Además, los sistemas descritos en la presente pueden ser montados y/o transportados en un vehículo y desplegados en situaciones de emergencia para remover por ejemplo sales disueltas u otros constituyentes indeseables tales como virus y bacterias para producir agua potable a partir de un suministro de agua contaminado o de otra manera no potable.
Los sistemas involucran la exposición de una o más membranas, tales como membranas de nano filtración (NF) o membranas de osmosis inversa (RO) , aun volumen de agua contenido a presión en un recipiente a presión. La presión del recipiente puede ser adaptada a las membranas seleccionadas y los objetivos de tratamiento. En modalidades que emplean una membrana osmótica (una que remueve una porción de sólidos disueltos), por ejemplo, la presión de operación mínima requerida seria la suma de la diferencial de presión osmótica del agua de alimentación y el permeado, la presión de transmembrana y la perdida de cabeza longitudinal a través del recipiente.
Modalidades de la presente invención comprenden una configuración de elementos de membrana única dispuesta al interior de un recipiente a presión, como sistemas de antiensuciamiento integrados al recipiente. En algunas modalidades, agua de alimentación presurizada es bombeada a los recipientes y el agua de alimentación es separada en permeadp y concentrado mediante un proceso de membrana de flujo cruzado. Las membranas pueden comprender membranas de micro filtración, ultrafiltración, nano filtración o membranas de hoja plana de osmosis inversa. Las membranas pueden tener una configuración en general plana y pueden ser apiladas en serie para formar un arreglo de membranas espaciadas separadamente. Mediante tal configuración, las modalidades de la invención evitan los "puntos muertos" que son formados en la trayectoria del flujo del agua de alimentación mediante separadores de agua de alimentación convencionales. El espaciamiento entre las membranas (para evitar la tendencia de las hojas para atraerse entre si vía tensión superficial y para disminuir la perdida de cabeza) pueden ser mantenido cualesquier medios apropiados. Por ejemplo y sin limitación, en modalidades de la invención, un canal de recolección puede ser formado en una dirección en general perpendicular a través del arreglo mediante un tubo de recolección que penetra a cada elemento de membrana. Tal tubo de recolección puede estar rodeado por un separador, tal como un separador conjunto o un separador de montante, entre cada par adyacente de hojas de membrana. En algunas modalidades, la tensión entre dos de tales canales de recolección puede jalar los elementos de membrana fuertes y reducir o eliminar su tendencia a atraerse entre si y tocarse. En algunas modalidades, separadores adicionales pueden ser dispuestos entre uno o más bordes de las hojas de membrana adyacentes para impedir que las membranas se colapsen una hacia la otra. En algunas modalidades, los separadores pueden ser dispuestos a lo largo de los bordes delanteros de los elementos de membrana, con la circulación del agua que ayuda a mantener el espaciamiento de los elementos de membrana a lo largo de la trayectoria de flujo. En modalidades de la invención, las hojas de membranas adyacentes son separadas adicionalmente que los elementos enrollados en espiral tradicionales, por ejemplo por al menos aproximadamente 1 mm. En otras modalidades, las láminas de membrana adyacentes están separadas por al menos aproximadamente 2 mm. El espaciamiento mayor combinado con la ausencia de una lamina separadora de agua de la inventación ondulada convencional, impide a las laminas de membrana adyacentes se atraigan entre si y se toquen como resultado de la tensión superficial. En mayor espaciamiento y la ausencia de un separador de agua de alimentación continuo convencional también reduce significativamente la perdida de cabeza longitudinal a través del sistema en comparación con un sistema de membrana en espiral convencional.
En algunas modalidades, las membranas comprenden membranas de ultrafiltración (UF) , nano filtración (NF) y osmosis inversa (RO) que son relativamente mucho más fuertes y más lisas que las membranas de micro filtración (MF) . Con tamaños de poro mucho más pequeños que las membranas de MF típicas, estas membranas no permiten que contaminantes grandes se alojen en sus poros. Además, las membrana's de NF y RO que son frecuentemente cargadas, pueden remover cantidades variables de sólidos disueltos de la corriente de agua de alimentación. Las membranas de RO son usualmente aptas de remover más sólidos disueltos que las membranas de nano filtración. En algunas modalidades, el uso de membranas de NF y RO involucran presiones impulsoras más altas que las membranas de MF, dando como resultado un flujo mucho más bajo, también como fuerzas de atracción más bajas entre la superficie de membrana, ayudando en la naturaleza antiensuciamiento de las modalidades.
Las modalidades de la invención pueden también incorporar otros elementos para mitigar el ensuciamiento. Suponiendo una recuperación constante en un sistema de una sola etapa, a medida que el espacio entre los elementos de membrana se incrementan, la velocidad de flujo cruzado es disminuida. Puesto que la velocidad de flujo cruzado más alto ayuda a impedir que las partículas se asienten sobre las membranas y asi mitiga el ensuciamiento, modalidades de la invención incorporan elementos y/o métodos para incrementar esta velocidad. Por ejemplo, en algunas modalidades, la velocidad de agua de alimentación puede ser elevada a hacer re circular el agua más allá de las membranas al interior del recipiente a presión. En lugar de remover el agua de alimentación del recipiente a presión en un extremo y bombearla de regreso al otro extremo vía un conducto o circuito externo, en modalidades de la invención, el agua de alimentación es enrutada a través de áreas abiertas al interior del recipiente a presión (áreas no ocupadas por la membrana o cartuchos de membrana) vía deflectores que dirigen el flujo de agua alrededor del (los) cartucho (s) de membrana. Por ejemplo, deflectores frustocónicos pueden ser dispuestos en un extremo de los cartuchos de membrana para dirigir el agua de alimentación a través de un circulador, tal como por ejemplo una bomba o impulsor giratorio. El impulsador puede estar configurado y colocado para atraer el agua de . alimentación que fluye entre los elementos de membrana y redirigir aquella agua alrededor de los deflectores, a a través de las áreas abiertas al interior del recipiente a presión y de regreso al otro extremo del (los) cartucho (s) de membrana. La recirculación del agua de alimentación dentro del recipiente da como resultado menos pérdida de presión que en sistemas convencionales que redirigen el agua de alimentación a un circuito de abertura más pequeñas al exterior del recipiente.
En algunas modalidades, partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas a un suministro de agua contaminada para inhibir o impedir el ensuciamiento de membrana, prolongando el tiempo entre limpieza de membrana periódicas y prolongando la vida útil de las membranas. En suspensión, las partículas antiensuciamiento pueden absorber y/o absorber (esto es, atraer y contener) partículas contaminantes más pequeñas que podrían de otra manera recubrir la superficie de membrana y bloquear el flujo del permeado a través de la superficie de membrana. Las partículas antiensuciamiento pueden también recubrir la superficie de membrana para formar una estructura (o capa) protectora permeable al agua sobre la superficie de membrana. Tal estructura protectora puede atraer y contener partículas contaminantes en todo su espesor, impidiendo la acumulación de una capa impermeable al agua densa cercana a o sobre la superficie de membrana. En algunas modalidades, pelotillas pueden ser agregadas al agua de alimentación al interior del recipiente. Las pelotillas pueden estar configuradas para ponerse en contacto y desalojar partículas contaminantes que se pueden haber acumulado sobre la superficie de membrana, inhibiendo o impidiendo la acumulación de una capa no porosa (o de baja porosidad) de partículas contaminantes sobre la superficie de membrana. En modalidades que emplean tanto partículas como pelotillas antiensuciamiento, las pelotillas pueden estar configuradas para ponerse en contacto y desalojar partículas antiensuciamiento que se pueden haber acumulado en la superficie de membrana, junto con cualquier partículas contaminantes que se pueden haber adherido a las partículas antiensuciamiento. En tal modalidad, las pelotillas pueden inhibir o impedir la formación de un "grumo" de partículas contaminantes en la superficie de la capa antiensuciamiento que esta expuesta al agua de alimentación, mejorando el desempeño de la capa antiensuciamiento.
Modalidades de la invención pueden ser usadas como una etapa de pre tratamiento mejorada en un proceso de multi etapas para facilitar velocidades de recuperación de agua más altas que los sistemas convencionales. Por ejemplo, un sistema como se describe en la presente puede estar configurada con membranas de NF relativamente holgadas para apuntar minerales disueltos (calcio, magnesio) también como orgánicos disueltos y contaminantes biológicos en el efluente de la planta de agua de desperdicio (esto es, efluente primario también como efluente secundario o terciario) . Tal sistema puede ser instalado corriente arriba de un sistema de RO convencional (como la etapa de tratamiento final) y configurado para proporcionar una corriente de alimentación extremadamente limpia a la etapa de RO, permitiendo que la etapa de RO opere a recuperaciones más altas que las típicas-tan altas o más altas de 90%. En este ejemplo, debido a que el concentrado producido en la etapa de tratamiento mejorada no es altamente salino, puede ser enviado de regreso a través de la planta de tratamiento de agua desperdicio sin provocar ningún problema del proceso. En algunas modalidades, el contenido de calcio más alto del concentrado de la etapa de pre tratamiento mejorada puede facilitar realmente el proceso de tratamiento de agua recuperada global. Tal sistema de pre tratamiento se puede poner en operación a cualquier velocidad de recuperación apropiada. Al reciclar el concentrado de la etapa de pre tratamiento mejorada de regreso al comienzo del proceso de tratamiento de agua recuperada, se puede obtener una velocidad de recuperación de 90 a 95% para el proceso global.
Una modalidad de la invención, mostrada en la FIGURA 1, comprende un cartucho de membrana rectangular 1 dispuesto en un recipiente a presión 2 que tiene una sección transversal redonda. Las áreas abiertas 6 creadas entre las superficies externas del cartucho de membrana rectangular ' y las superficies internas del recipiente redondeado 2 son usadas para conducir o hacer re circular el agua de alimentación de un extremo de los cartuchos de membrana 1 de regreso al otro extremo (a y fuera de la pagina, en la FIGURA 1) . En la modalidad ilustrada de la FIGURA 1, las cuatro áreas abiertas 6 actúan como un conducto de retorno para el agua de alimentación del fondo del recipiente 2 a la parte superior del recipiente 2. En otra modalidad, como se muestra en la FIGURA 2, tres cartuchos de membrana rectangulares 1 son dispuestos en un recipiente a presión de sección de transversal circular 2 con el fin de acomodar un área superficial de membrana total mayor en el recipiente cilindrico 2. Estos tres cartuchos de membrana 1 crean cuatro huecos en forma de segmento circular 6 y cuatro huecos semi-triangulares que pueden ser usados como conductos de retorno para el agua cruda circulante. Todos los huecos 6 alrededor de los elementos de membrana pueden ser usados para dirigir el agua del fondo del recipiente 2 de regreso a la parte superior del recipiente 2 (hacia adentro y hacia afuera de la página) .
En la modalidad ilustrada de la FIGURA 3, un impulsor 7 es dispuesto cerca del fondo del deflector 10 con su eje 12 que penetra al recipiente. El impulsor 7 puede ser impulsado por un motor externo (no mostrado) . El impulsor 7 atrae el agua de alimentación entre las membranas del cartucho de membrana 1 y la impulsa a través de los huecos 6 de regreso hacia la parte superior del recipiente 2. El deflector frustocónico 10 en el fondo del tanque 2 dirige el agua de alimentación a través del impulsor 7 que impulsa el agua de alimentación hacia arriba de los huecos 6 dentro del tanque, en general en la dirección indicada por la flecha 11. Aunque es ilustrado con una forma frustocónica, el deflector 10 tiene cualquier forma en consideración apropiada para acomodar la forma de la huella de los cartuchos de membrana 1 en la parte central del recipiente y dirigir el agua de alimentación hacia el impulsor 7. El deflector 10 puede ser fabricado de cualquier material apropiado, tal como por ejemplo un material inerte tal como plástico. Estructuralmente el deflector 10 esta configurado para soportar la ligera diferencial de presión provocada por el flujo bidireccional del agua (eso es, hacia abajo en la parte central del recipiente, en la cual las membranas son dispuestos y hacia arriba abiertas en la periferia del recipiente entre las membranas y la superficie interna del recipiente) . La vibración, mientras que es destructiva a la mayoría de las cosas mecánicas, puede también ser incorporadas para ayudar a limitar o impedir el asentamiento de partículas. En modalidades de la invención, transductores 4 son colocados sobre o en el recipiente a presión 2 para generar y dirigir ondas de vibración a través del agua de alimentación, que transportan las ondas entre los elementos de membrana 3. Las ondas producidas por la vibración actúan para suspender partículas y/o ensuciantes de la superficie de los elementos de membrana 3. Cuando las ondas de vibración llegan a la superficie de membrana, la superficie de membrana actúa como raquetas de tenis, chocando con y repeliendo las partículas que de otra manera se podrían asentar sobre las membranas. Además, la vibración provoca el movimiento de la membrana alternativamente, lo que crea turbulencia en el agua de alimentación en la superficie de las membranas, mejorando la mezcla y movimiento de las partículas disueltas y suspendidas de la superficie de membrana y a través de los canales del agua de alimentación y de las superficies de membrana. La cantidad de vibración aplicada puede variar dependiendo de parámetros tales como la calidad del agua fuente y las características (carga, aspereza, etc.) de la membrana usada. El tipo de vibración puede también variar por ejemplo de vibración mecánica física a vibración sónica y ultrasónica, ya que la frecuencia y energía puede ser ajustada para satisfacer las necesidades de la aplicación particular
Módulos de membrana
Los sistemas de modalidades preferidas utilizan módulos de membrana de varias configuraciones. En una configuración preferida, el modulo de membrana emplea un sistema de membrana en donde dos hojas de membrana paralelas son mantenidas separadas por separadores del permeado y en donde el volumen entre las hojas de membrana es encerrado. El agua (permeado) pasa a través de las membranas y al volumen encerrado, en donde es recolectada. Modalidades particularmente preferidas emplean separadores rígidos para mantener el espaciamiento entre las membranas en el lado de baja presión (permeado) ; sin embargo, cualquier configuración de separador del permeado apropiada (por ejemplo, separadores que tienen algún grado de flexibilidad o deformabilidad) pueden ser empleados que son aptos de mantener una separación de las dos hojas de membrana. Los separadores pueden tener cualquier configuración, forma o estructura apropiada apta de mantener una separación entre las hojas de membrana, por ejemplo sección transversal cuadrada, rectangular o poligonal (sólida o por lo menos parcialmente hueca) , sección transversal circular, vigas en forma de I y los semejantes. Los separadores pueden ser empleados para mantener una separación entre las hojas de membrana en el espacio en el cual el permeado es recolectado (separadores del permeado) y los separadores pueden mantener una separación entre las hojas de membrana en el área expuesta al agua cruda o sin tratar (por ejemplo, separadores de agua cruda) . Alternativamente, se pueden emplear configuraciones que no utilizan separadores de agua cruda. En lugar de esto, la separación puede ser provista por la estructura que mantiene las membranas en su lugar, por ejemplo el bastidor de soporte. La separación puede también ser provista por ejemplo mediante una serie de medios de plástico expandidos espaciados (por ejemplo, esferas),- fibras de plástico tejidas corrugadas, monolitos porosos, hojas fibrosas no tejidas o los semejantes. Además, la separación puede ser obtenida mediante tejido de la unidad o unidades de membrana por medio de una serie de soportes. Similarmente, el separador puede ser fabricado de cualquier material apropiado. Materiales apropiados pueden incluir polímeros rígidos, cerámica, acero inoxidable, compuestos, metal recubierto de polímero y los semejantes. Como se discute anteriormente, los separadores u otras estructuras que proveen espaciamiento son empleados dentro del espacio entre las dos superficies de membrana en donde el permeado es recolectado (por ejemplo, separadores de permeado) o entre superficies de membrana activas expuestas al agua cruda (por ejemplo, separadores de agua cruda) .
Alternativamente, una o más unidades de membrana enrolladas en espiral pueden ser empleadas en una configuración laminada holgadamente en donde ' la gravedad o corrientes de agua pueden hacer mover el concentrado de densidad más alta a través de la configuración y a lo lejos de las superficies de membrana. Los elementos de membrana pueden alternativamente ser dispuestos en varias otras configuraciones (plana, curva, corrugada, etc.) que maximizan la exposición de la superficie y minimizan los requerimientos de espacio. En una configuración preferida, estos elementos son dispuestos verticalmente, espaciados suficientemente para evitar la atracción y/o colapso de elementos adyacentes unos sobre otros y son dispuestos dentro del recipiente a presión. La presión del recipiente inducida impulsa el agua a través de la membrana y un sistema de recolección recolecta el agua tratada y la libera a un sitio fuera del recipiente a presión. Cualquier configuración de recolección del permeado apropiada puede ser empleada en los sistemas de modalidades preferidas. Por ejemplo, una configuración emplea un colector central con unidades de membrana o cartuchos adjuntos al colector ya sea de un lado u otro. Otra configuración emplea unidades de membrana en circuios concéntricos con colectores radiales que hacen mover el agua potable al recolector central. Todavía otra configuración emplea unidades de membrana que se extienden entre tubos de recolección. En tal configuración, los tubos de recolección pueden estar configurados para soportar las unidades de membrana, mantenerlas separadas entre si y recolectar el permeado también.
En algunas modalidades, un sistema de membrana puede comprender una serie de elementos de membrana laminares en general planos 3 dispuestos en uno o más cartuchos discretos, por ejemplo es ilustrado en la FIGURA 5. La FIGURA 4 muestra un solo elemento de membrana 3 que comprende dos hojas de frente hacia afuera 13 de membrana compuesta de película delgada con una hoja portadora del permeado 14 dispuesta entre ellas. Las membranas apropiadas son manufacturadas por varios proveedores internacionales en particular Dow Filmtec, Toray e Hydranautics . Hojas de portador de permeado apropiadas son manufacturadas por compañías tales como Guilford Mills y Industrial Netting. Estos componentes planos 13, 14 son apilados uno contra el otro y selladas conjuntamente alrededor de los bordes 15 mediante cualquier método apropiado, por ejemplo utilizando un adhesivo o sellado térmico o ambos. El sello del borde 15 requiere la desactivación de algo del material de membrana, ya que la membrana no puede efectuar su función de filtración si es parte del sello. Se hace una abertura 16 en cada elemento 3 en la misma posición y un separador de junta es colocado alrededor de la abertura 16, entre cada par adyacente entre cada elemento 3. Con referencia ahora a la FIGURA 5, un tubo de recolección perforado 5 es insertado al canal formado por la serie de separadores de junta y aberturas 16. El tubo de recolección 5 puede ser usado para comprimir la serie de separadores para formar un sello con las juntas. Este sello separa el agua de alimentación en el lado activo en los elementos de membrana 3 (el lado expuesto al agua de alimentación) del permeado en las hojas portadoras 14 entre las membranas 13 y en el canal de recolección. Alternativamente o además, las juntas pueden ser comprimidas utilizando colas de milano que se extienden a través del arreglo de membrana, en cuyo caso un tubo de recolección perforado puede no ser necesario. Las penetraciones de cola de cola de milano en los elementos de membrana 3 pueden también ser sellados para impedir que el agua cruda entre al interior del elemento de membrana.
Con referencia continua a la FIGURA 5, los separadores de perímetro 18 pueden ser usados para mantener la separación de (y espaciamiento entre) elementos de membrana adyacentes 3. En algunas modalidades, estos separadores perimétrico 18 pueden comprender pequeñas piezas de plástico, hule o caucho u otros materiales apropiados que son adheridos a los bordes de las membranas. En algunas modalidades, los separadores perimétricos pueden comprender uno o más elementos semejantes a peine que unen el arreglo y sirven para mantener el espaciamiento entre todos los elementos en un solo cartucho 1. La separación adicional de los elementos de membrana puede ser obtenida por medio de la tensión aplicada sobre los elementos 3 (en el plano de la cara de membrana) . La tensión puede ser jalada de los bordes de los elementos de membrana o de dos o más canales de recolección. En algunas modalidades, los elementos de membrana 3 pueden ser reforzados al agregar material extra, tal como una pieza plegada de poliéster sobre el perímetro. Además o alternativamente, componentes de plástico delgados interiores que actúan como montantes en una pared, pueden ser colocados a lo largo de la hoja del separador del permeado 14 para reforzar los elementos de membrana 3 y mediante esto ayudar a impedir que colapsen (o atracción) de los elementos de membrana adyacentes uno sobre el otro.
En modalidades preferidas de la invención, un modulo de membrana puede ser sumergido en . un recipiente a presión y usarse para producir agua potable a partir de un suministro no potable. El lado del permeado de las membranas es mantenido a aproximadamente la presión atmosférica por una compuerta (no mostrada) que coloca el sistema de recolección en comunicación fluida con la atmosfera al exterior del recipiente a presión, vía una tubería, tubo u otro medio para transmitir el agua producto a través del lado del recipiente a presión a un tanque de almacenamiento o punto de distribución. El (los) modulo (s) de membrana puede (n) incluir uno o más cartuchos que pueden estar configurados para soportar la presión del recipiente a la cual serán expuestos durante la operación y que pueden comprender materiales apropiados para la aplicación particular.
Cuando el modulo de membrana es sumergido, el agua fuente presurizada en el recipiente a presión fluye sustancialmente libre a través de la parte superior, fondo y parte posterior de cada cartucho. La diferencial de presión entre el lado del agua fuente de las membranas y el lado del permeado de las membranas provoca que el agua permeado fluya al lado de baja presión (permeado) de las membranas. Aunque las modalidades ilustradas muestran una configuración en general simétrica con cartuchos sobre un lado u otro de un sistema de recolección los módulos de membrana pueden estar configurados en cualquier otra configuración apropiada. Una de tal configuración podría ser tapar el extremo de un cartucho individual y conectar los cartuchos de membrana conjuntamente con una serie de tuberías o tubos de recolección.
La FIGURA 12 muestra un arreglo para un sistema de tratamiento móvil 1100 de acuerdo con una modalidad preferida de la invención. El sistema 1100 comprende un sistema de bombeo 1102 configurado para extraer agua de una fuente de agua dulce contaminada 1104 y alimentarla al sistema de tratamiento a presiones que varían de aproximadamente 1.4 Kg/cm2 (20 libras/pulgada cuadrada) a 7 Kg/cm2 (100 libras/pulgada cuadrada) . La presión usada puede variar dependiendo de las membranas particulares usadas y puede ser de aproximadamente 0.35 Kg/cm2 (5 libras/pulgada .cuadrada), 0.7 Kg/cm2 (10 libras/pulgada cuadrada), 1.4 Kg/cm2 (20 libras/pulgada cuadrada), 2.1 Kg/cm2 (30 libras/pulgada cuadrada), 2.8 Kg/cm2 (40 libras/pulgada cuadrada), 3.5 Kg/cm2 (50 libras/pulgada cuadrada), 4.2 Kg/cm2 (60 libras/pulgada cuadrada), 4.9 Kg/cm2 (70 libras/pulgada cuadrada), 5.6 Kg/cm2 (80 libras/pulgada cuadrada), 6.3 Kg/cm2 (90 libras/pulgada cuadrada), 7 Kg/cm2 (100 libras/pulgada cuadrada), 7.7 Kg/cm2 (110 libras/pulgada cuadrada), 8.4 Kg/cm2 (120 libras/pulgada cuadrada), 9.1 Kg/cm2 (130 libras/pulgada cuadrada), 9.8 Kg/cm2 (140 libras/pulgada cuadrada), 10.5 Kg/cm2 (150 libras/pulgada cuadrada) en un intervalo definido por cualquiera de estos dos números o más altos. El sistema 1100 también incluye uno o más recipientes a presión 1106 que tienen una o más unidades de membrana 1108 dispuestos en los mismos. Los recipientes a presión 1106 reciben el agua de fuente de la bomba 1102 a través de una o más entradas 1110 y mantienen el agua a presión. Las unidades de membrana 1108 son dispuestos dentro del recipiente 1106 de tal manera que el agua fuente puede fluir sustancialmente libre más allá, de las membranas. Las unidades de membrana 1108 tienen un lado del permeado configurado para dirigir el flujo del permeado a un sistema de recolección 1112. El sistema de recolección 1112 esta en comunicación fluido con la presión atmosférica. El sistema de recolección 1112 puede ser colocado en comunicación con la presión atmosférica de cualquier manera apropiada, tal como por ejemplo transporte por tubería del agua a través del lado del recipiente a presión 1106, un tubo que se extiende a través de la parte superior del recipiente a presión 1106 o cualquier otro método apropiado. El sistema de recolección 1112 tiene una salida 1114 a través de la cual el permeado puede viajar hasta afuera del recipiente a presión 1106. La salida puede también proveer comunicación fluida a la presión atmosférica fuera del recipiente 1106. El sistema 1100 puede también incluir un tanque de almacenamiento 1106 configurado para recibir el permeado del sistema de recolección 1112 y almacenar el permeado para uso posterior. Por supuesto, en algunas modalidades, el permeado puede ser suministrado del sistema de recolección 1112 a una unidad de almacenamiento separada, dispuesta fuera del sistema 1100.
En algunas modalidades, el sistema 1100 incluye un sistema de desinfección 1118, tal como un sistema de desinfección por luz ultravioleta, dispuesto corriente debajo de los recipientes a presión 1106. El sistema 1100 puede también incluir una o más bombas configuradas para bombear el permeado del sistema de recolección 1112 al sistema de desinfección 1118 y/o del sistema de desinfección al tanque de almacenamiento 1116. El sistema 1100 incluye un panel eléctrico 1120 configurado para controlar la bomba o bombas 1102 y el sistema de desinfección 1118 (si lo hay) . El sistema 1100 incluye además un generador portátil y tanque de combustible 1122 configurado para suministrar energía a las bombas 1102 y el sistema de desinfección 1118 (si lo hay) . Opcionalmente, el sistema 1100 puede también emplear algunos métodos de pre tratamiento, que pueden incluir filtros burdos o los semejantes, para proteger a las bombas y las membranas de los daños debido a partículas grandes.
Las modalidades de la invención pueden ser montadas sobre un vehículo, tal como un semi-camión y transportadas a un área en donde se necesita el tratamiento. Las modalidades pueden ser desplegadas rápidamente, usadas como se requiera y luego ser movidas a otra área cuando se desee. Los sistemas configurados de acuerdo con modalidades preferidas ofrecen facilidad de operación con mínimos requerimientos de pre tratamiento (filtro burdo solamente) y ningún requerimiento químico de proceso. Las modalidades que comprenden membranas de nano filtración pueden estar configuradas para proveer una calidad excepcional del agua producto.
La FIGURA 13 ilustra una configuración de unidades de membrana 1108 en el recipiente a presión 1106. Las unidades de membrana 1108 están separadas espaciadamente en cartuchos 1124 y montadas ya sea sobre un lado u otro de un canal de recolección central 1112. Los cartuchos 1124 son dimensionados de manera variada para maximizar el uso de espacio dentro del recipiente a presión 1106. Por lo menos una porción del canal de recolección 1112 es puesto en comunicación con la presión atmosférica vía una ventilación o compuerta 1126 que se extiende desde el canal al exterior del recipiente a presión 1106, permitiendo mediante esto que el recipiente a presión impulse el proceso de filtración a través de las unidades de membrana 1108.
Por supuesto, las unidades de membrana y sistemas de recolección pueden tener cualquier otra configuración apropiada consistente con su propósito planeado. La FIGURA 14A, por ejemplo, ilustra un sistema de membrana 1200 dispuesto al interior de un recipiente a presión 1202. El sistema de membrana 1200 incluye una o más unidades de membrana 1204 que son tejidas alternativamente a través de una serie de soportes dispuestos alrededor del perímetro del recipiente 1202 y/o a lo largo de un canal central 1206. Las unidades de membrana 1204 son también unidas en uno o más puntos a uno o más tubos de recolección, de tal manera que el lado del permeado de las unidades de membrana 1204 es dispuesto en comunicación fluida con el interior del tubo o tubos de recolección. La FIGURA 14B ilustra (con un espaciamiento exagerado) un ejemplo de unidades de membrana 1210 que son tejidas alrededor del soporte 1212 y unidas en los extremos a uno o más tubos de recolección 1216. Los soportes 1212 y/o los tubos de recolección 1216 pueden, ser dispuestos en cualquier configuración apropiada. Por ejemplo, los soportes 1212 y/o los tubos de recolección 1216 pueden ser dispuestos en una orientación aproximadamente perpendicular a la orientación de las unidades de membrana 1204. Como se ilustra mejor en la FIGURA 14C, la unidad de membrana 1210 tiene un lado del agua fuente 1214 que esta expuesto al agua fuente presurizada mantenida en el recipiente 1202. La unidad de membrana 1210 es también unida en uno o más puntos a una perforación 1215 en uno o más tubos de recolección 1216, de tal manera que el lado del permeado 1218 de la unidad de membrana 1210 es dispuesto en comunicación fluida con el interior del tubo de recolección 1216. Aunque no se ilustra, en algunas modalidades, el tubo o tubos de recolección 1216 se pueden interconectar y fluir a un canal central. En otras modalidades, una red de tubos de recolección pueden comprender el sistema de recolección. Los tubos de recolección y/o el sistema de recolección pueden estar expuestos a la presión atmosférica, por ejemplo vía una compuerta o tubo de respiración que se extiende a través del recipiente a presión, de tal manera que la presión del recipiente impulsa un proceso de filtración a través de las unidades de membrana y a los tubos de recolección.
Con referencia ahora a la FIGURA 15, se ilustra un sistema de filtración móvil más pequeño 1300 de acuerdo con otra modalidad. El sistema 1300 incluye una bomba externa 1302 configurada para proveer agua fuente a presión al recipiente 1304. El recipiente 1304 incluye uno o más cartuchos de membrana 1306 o sistemas de membrana que incluyen una o más membranas 1307 que están configuradas para producir permeado cuando son expuestas al agua fuente presurizada. Los cartuchos de membrana 1306 están configurados para dirigir el flujo del permeado al canal de recolección 1308 que esta expuesto a la. presión atmosférica. El sistema 1300 puede también incluir un sistema de desinfección 310, tal como un sistema de desinfección ultravioleta, configurado para desinfectar agua producto recolectada en el canal de recolección 1308. El sistema 1300 puede también incluir una unidad de almacenamiento de agua producto 1312 dispuesta corriente abajo del canal de recolección 1308. Tal sistema puede estar configurado a una escala muy pequeña si se desea. Por ejemplo, tal sistema puede estar configurado para uso en uno o más recipientes de almacenamiento o latas estándar de 5 galones. Tal sistema puede también e'star configurado én tamaños más grandes o más pequeños y/o puede ser usado en modelos "bajo el fregadero".
La FIGURA 16 es un diagrama en . perspectiva que ilustra un arreglo 1500 de elementos de membrana 1502 con separadores de junta 1504. Cada uno de los separadores 1504 tiene una parte superior en forma de T para colgar los elementos 1502 sobre un soporte o bastidor (no mostrado) . Los separadores de junta 1504 pueden ser apilados en serie para definir y crear un canal de recolección del permeado 1506 a través del cual el permeado puede fluir en general en la dirección indicada por la flecha 1507. En la modalidad ilustrada, el canal de recolección 1506 esta ubicada en general en la parte superior y centro de las series de elementos 1502. En otras modalidades, uno o más canales o puntos de recolección pueden estar dispuestos en otros sitios apropiados.
La FIGURA 17 es un diagrama en perspectiva que ilustra un cartucho 1510 que comprende una pluralidad de elementos de membrana 1512 separados espaciadamente por una serie de separadores de junta 1514. Las series de separadores 1514 son comprimidos conjuntamente mediante medios apropiados para definir un conducto del permeado. Un tubo de recolección 1518 que comprende perforaciones o hendiduras puede ser dispuesto al interior del conducto para recibir y transportar el permeado, en general en la dirección indicada por la flecha 1519. Cada uno de los separadores 1514 puede tener partes superiores en general en forma de T de tal manera que los separadores 1514 (y asi, los elementos 1512 comprimidos entre los separadores) pueden ser soportados sobre un bastidor 1516. Las dimensiones del bastidor 1516 pueden variar dependiendo de la capacidad requerida restricciones de embalaje, peso y otros factores. Materiales de bastidor apropiados pueden incluir metal, plástico, fibra de vidrio u otros materiales con una resistencia apropiada y resistencia a la corrosión apropiada para la aplicación particular.
La FIGURA 18A, es una vista en planta de un ejemplo de un separador con junta 1520 configurado de acuerdo con una modalidad. El separador 1520 comprende un material apropiadamente rígido para mantener el espaciamiento entre elementos de membrana adyacentes. El separador 1520 puede ser provisto con cualquier número apropiado de agujeros 1526 para recibir uno o más sujetadores o conectores, tal como un perno rígido o cola de milano que se extenderá a través de una serie apilada de separadores 1520 y elementos de membrana. El separador 1520 es también provisto con un agujero de conducto 1524 configurado para permitir que el permeado pase desde el lado del permeado del elemento de membrana al agujero 1524. El separador ilustrado 1520 tiene una forma en general rectangular; sin embargo, separadores pueden tener cualquier otra forma apropiada, incluyendo una forma en general anular y pueden también incluir cualquier forma de extensión deseada, tal como por ejemplo una extensión en forma de T como se ilustra en la FIGURA 17. Las FIGURAS 18B y 18C son vistas en sección transversal lateral que ilustran mejor los agujeros de sujetador 1526, las juntas 1522 sobre cada cara opuesta del separador 1520 y el agujero de conducto del permeado 1524 del separador 1520. El separador 1520 puede comprender plástico, fibra de vidrio o cualquier otro material apropiadamente rígido para mantener el espaciamiénto entre elementos de membrana adyacentes y soportar las presiones a las cuales el separador será expuesto. Las juntas 1522 pueden comprender cualquier material elastomerico con suficiente compresibilidad para crear un sello hermético al agua cuando son comprimidas.
La FIGURA 19 es una vista en planta de un elemento de membrana 1530 configurado de acuerdo con una modalidad y mostrado con el separador de junta 1520 de la FIGURA 18A colocada sobre el elemento. Como se ilustra en la FIGURA 20, una serie de elementos de membrana 1530 y separadores con junta 1520 pueden ser apilados conjuntamente para formar un cartucho de membrana. Para elaborar tal cartucho, los' separadores de junta 1520 son alineados con agujeros en los caras de membranas de los elementos de membrana 1530 y son también alineados entre si, de tal manera que los agujeros de conducto 1524 y agujeros de sujetador 1526 de cada separador 1520 están alineados. En tal configuración, cada serie de agujeros 1524 define un espacio de recepción para un sujetador o cola de milano 1534 (indicado en líneas discontinuas) . La serie de agujeros 1526 define un conducto del permeado 1536 (también ilustrado en líneas discontinuas) .
La estructura que forma el conducto del permeado 1536 puede ser sellado de cualquier manera apropiada para aislar el interior del conducto del permeado 1536 del agua fuente circundante. En una modalidad, la serie de separadores 1520 pueden ser comprimidos mecánicamente, de tal manera que las juntas 1522 pueden formar un sello efectivo contra las caras de membrana. Luego, la pila puede ser asegurada en posición comprimida por uno o más elementos rígidos, tal como por ejemplo una o más colas de milano rígidas. Las colas de milano pueden ser encoladas o pegadas a la pila de separadores en posición comprimida. Una vez que el pegamento a secado, la pila puede ser liberada . de la compresión externa. La FIGURA 21 es una vista en perspectiva de una porción de un cartucho de membrana formado de la manera ilustrada en la FIGURA 20. En otra modalidad, sujetadores roscados pueden ser pegados a través de cada serie de agujeros y apretados para comprimir la pila de separadores hasta que las juntas forman un sello hermético al agua contra las caras de membrana. En todavía otras modalidades, cada separador puede incluir uno o más sujetadores u otra estructura configurada para acoplarse con la estructura correspondiente en un segundo separador, para proveer mediante esto la compresión requerida de las juntas. En algunas modalidades, cada separador puede incluir una o más superficies de empalme u obstáculos configurados para empalmarse contra la estructura correspondiente sobre un segundo separador cuando los separadores son unidos uno hacia el otro, para mantener por lo menos un espaciamiento mínimo entre separadores adyacentes aun cuando son comprimidos.
La FIGURA 22A es una vista en planta de un separador
1550, configurado de acuerdo con otra modalidad. El separador 1550 incluye cuatro agujeros 1552 que se extienden a través del espesor del separador 1550. .Los agujeros 1152 están configurados para recibir un vástago, perno u otro elemento configurado para extenderse a través de una pila de separadores 1550 (con elementos de membrana dispuestos entre cada separador 1550) y mantener la pila de separadores 1550 bajo compresión. Como se ilustra en las FIGURAS 22B y 22C, los separadores 1550 incluyen una porción prominente anular 1558 alrededor de cada uno de los agujeros 1552. Cuando los separadores 1550 son alineados en una pila (con elementos de membrana dispuestos entre cada separador) , las porciones prominentes 1558 (también como el perno, vástago u otro elemento de compresión) se extienden a través de un agujero correspondiente en los elementos de membrana y se empalman contra porciones correspondientes 1558 de un separador adyacente 1550. Mediante tal configuración, las porciones prominentes 1558 sirven para mantener por lo menos un espaciamiento mínimo entre los separadores 1550 aun cuando la compresión es aplicada a la pila e impedir el daño a los elementos de membrana.
El separador 1550 también incluye una abertura del permeado 1554 que se extiende a través del espesor del separador 1550. La abertura del permeado 155 esta configurada para ser colocada en comunicación fluida con el lado del permeado de un elemento de membrana (o un par de elementos de membrana dispuestos ya sea sobre un lado u otro del separador 1550) . Cuando una serie de separadores 1550 son alineados en una pila (de separadores y elementos de membrana alternantes) , las aberturas del permeado 1554 se alinean para formar un conducto del permeado que se extiende a través de los elementos. En algunas modalidades (véase, por ejemplo FIGURA 16) , las aberturas del permeado pueden ser alineadas directamente con aberturas en las caras de membrana (y asi pueden estar en comunicación fluida directa con los lados del permeado de las membranas) . En otras modalidades, las aberturas del permeado pueden ser dispuestas en una región del separador que esta separado de los elementos de membrana (y asi puede estar en comunicación fluida indirecta con los lados del permeado de las membranas a través de por ejemplo una segunda abertura o perforación en la superficie del separador) .
El separador 1550 también incluye una hendidura 1556 configurada para recibir un elemento de sellado tal como una junta. Cuando una pila de separadores y elementos de membrana alternantes es colocada bajo compresión, las juntas forman un sello hermético al agua que separa las aberturas del permeado 1554 de los lados del agua fuente de la membrana.
Como se ilustra mejor en la FIGURA 22B y 22C, el separador 1550 puede también incluir una o más porciones prominentes 1560 dispuestas en general alrededor de la abertura del permeado 1554, sin circular continuamente la abertura del permeado 1554. Las porciones prominentes 1560 pueden estar configuradas para servir a la misma función como las porciones prominentes 1558, sin cortar el flujo del permeado del lado del permeado de elementos adyacentes al conducto del permeado.
En algunas modalidades, alternativamente o además de un sistema de separador/j unta, separadores tachonados pueden ser usados para mantener el espaciamiento de los elementos de membrana. La FIGURA 40A muestra una vista en planta de un separador tachonado 900 configurado de acuerdo con tal modalidad. El separador 900 incluye una abertura 902 para un canal de recolección del permeado, también como una pluralidad de montantes 904 que sobresalen del cuerpo 906 del separador 900 y que circundan la abertura 902. La FIGURA 40B muestra1 una sección transversal del separador 900, tomada a lo largo de la linea 40B-40B a lo largo de la FIGURA 40A, e ilustra mejor la configuración de los montantes 904.
La FIGURA 41 A muestra una vista en sección transversal de una pila de elementos de membrana 908 que son separados por separadores tachonados 900 de acuerdo con una modalidad, con la flecha que indica el flujo del permeado a través del canal de recolección del permeado. Cada uno de los elementos de membrana 908 comprenden dos membranas 912 y un separador del permeado 91 . Las aberturas del permeado 902 en los separadores 900 se alinean con las aberturas del permeado 910 en los elementos de membrana 908 y los montantes 904 se alinean con los agujeros 916 en los elementos de membrana. Como se muestra en la FIGURA 41A los montantes 904 sobresalen del cuerpo del separador 906 por una distancia aproximadamente igual al espesor del elemento de membrana 908. Asi, los montantes 904 se pueden extender a través de los agujeros 910 en los elementos de membrana 908 para ponerse en contacto con un separador adyacente 900 a través del elemento de membrana 908. Los separadores 900 y elementos de membrana 908 pueden ser sellados conjuntamente con una capa adhesiva 918. La capa adhesiva 918 puede circundar cada uno de los montantes 904 en la superficie activa de las membranas 912, para sellar la superficie de membrana cerca de la abertura del permeado 910 y los agujeros 916 y mantener la separación del fluido entre los lados del agua de alimentación y los lados del permeado de las membranas 912. Tal configuración puede mantener el espaciamiento deseado entre elementos de membrana adyacentes 908 sin limitar la cantidad de compresión sobre los elementos de membrana 908 mismos, que puede en algunos casos conducir a la compresión del separador del permeado y bloquear el flujo del permeado al canal de recolección del permeado. Tal configuración puede también agregar rigidez a una pila de membranas, especialmente en una pila grande con varios elementos de membrana. Tal configuración puede permitir además la maximización de densidad de empaque en tanto que mantiene una configuración de membrana "abierta".
En algunas modalidades, la capa adhesiva 918 puede comprender un adhesivo que es seleccionado para no se rígido, para ser un tanto flexible y/o un tanto compresible cuando esta seco. Epoxi y poliuretano son ejemplos de adhesivos apropiados que pueden ser usados en modalidades. En algunas modalidades, un separador tachonado (puede comprender una sola pieza de cualquier material apropiado, tal como plástico moldeado; En otras modalidades, un separador tachonado puede incluir un cuerpo de separador y montantes que comprenden diferentes materiales que son pegados conjuntamente de cualquier manera apropiada.
En una modalidad, una pila de membranas puede ser construida al proveer un separador tachonado, aplicar un adhesivo a por lo menos una porción de una superficie superior del separador, alinear agujeros en el elemento de membrana con agujeros y/o montante en el separador, aplicar un adhesivo sobre por lo menos una' porción de una superficie superior del elemento de membrana, alinear un . segundo separador encima del elemento de membrana y repetir el proceso con múltiples separadores y elementos de membrana. En algunas modalidades, los separadores tachonados pueden ser colocados en el centro de una pila de membranas, mientras que en otras modalidades, los separadores tachonados pueden ser colocados en cerca o en uno de más bordes de una pila de membranas, tal como por ejemplo el borde delantero de una pila de membranas cerca del agua de alimentación.
Recipiente a presión
En modalidades de la invención, si la presión por gravedad no esta disponible de una fuente de agua a una mayor elevación que el sistema, la diferencial de presión (entre el lado del agua de alimentación y el lado del permeado de las membranas) puede ser provisto utilizando una o más bombas. En ciertas modalidades, para contener el agua de alimentación de alta presión que rodea las membranas, se provee un recipiente a presión 2. Tal recipiente puede ser fabricado de cualquier material apropiado tal como acero, fibra de vidrio u otro compuesto. La configuración estructural del recipiente a presión 2 puede variar dependiendo de los objetivos de tratamiento y las características de las membranas escogidas para la aplicación particular. Niveles variables de presión pueden ser provistos para remover los porcentajes variables de sólidos disueltos. Por ejemplo, con agua fuente salubre (sólidos disueltos totales en, por ejemplo 1500 mg/1) , en donde el objetivo es remover 50% de los sólidos, se pueden usar membranas NF herméticas con una presión de agua de alimentación de aproximadamente 4.2 Kg/cm2 (60 libras/pulgada cuadrada) . Cuando un agua fuente dulce que tiene relativamente bajos sólidos disueltos (menor de 100 mg/1), se pueden usar membranas de NF, con solamente 1.7 Kg/cm2 (25 libras/pulgada cuadrada) de presión del agua de alimentación. Si la remoción de sólidos disueltos no es un objetivo de tratamiento, las membranas de ultrafiltración (UF) pueden ser seleccionadas y usadas con presiones de agua de alimentación más bajas.
Una modalidad del recipiente a. presión es _ un tanque cilindrico. En algunas modalidades, con el fin de acomodar el volumen relativamente grande del (los) cartucho (s) de membrana, el recipiente o tanque puede ser provisto con una compuerta o portal más bien grande, tal como una capa removible, con el fin de permitir la carga de los elementos de membrana al recipiente. En otras modalidades, una serie de cartuchos de membrana relativamente más pequeños pueden ser cargados a través de una compuerta o portal relativamente más pequeño en la pared del recipiente y luego movidos a su posición dentro del tanque. En algunas modalidades, la compuerta o portal puede comprender una brida con una junta.
Con referencia ahora a las FIGURAS 6A a 6B, en algunas modalidades, el agua de alimentación puede ser suministrada al recipiente a través de una entrada 8 y el concentrado puede ser removido del recipiente a través de una salida 9. La entrada 8 y la salida 9 pueden ser colocadas para evitar el cortocircuito de la entrada 8 a la salida 9.
En la modalidad ilustrada en la FIGURA 6A, el cartucho de membrana abarca toda la sección transversal del recipiente a presión 19. En esta modalidad, un deflector 20 es dispuesto al interior del recipiente 19 de tal manera para dividir efectivamente el área abierta en dos regiones. El impulsor 7 es dispuesto para atraer agua de la región por encima del impulsor a la región debajo del impulsor, creando flujo circulante al interior del recipiente a presión. El agua de alimentación es asi dirigida entre las membranas separadas del cartucho de membrana en general en una dirección a la mitad del cartucho y en general en la dirección opuesta de la otra mitad del cartucho. La circulación del agua a ser tratada, es bidireccional, como se indica por las flechas discontinuas de la FIGURA 6A. El agua de alimentación que se mueve en ambas direcciones fluye más allá de las membranas en el mismo recipiente. En algunas modalidades, los cartuchos de membrana pueden ser acoplados estructuralmente a una tapa del recipiente a presión 19. En la modalidad ilustrada, la tapa del recipiente a presión corre a lo largo de la longitud del recipiente e incluye dos canales del permeado 5 que se extienden a través de la misma. En algunas modalidades, la salida del permeado 5 se puede comunicar con la presión atmosférica al exterior del recipiente, proporcionando mediante esto una diferencial de presión entre la presión del recipiente (esto es, la presión del agua a ser tratada) y la presión sobre el lado del agua del producto de la membrana para impulsar el proceso de filtración. En otras modalidades, una ventilación o compuerta separada pueden ser provistas para comunicar la presión atmosférica al canal del permeado. La remoción de esta tapa también servirá para remover el cartucho de membrana anexado a la misma. La tapa es representada en dos secciones transversales de la FIGURA 6 (sección transversal longitudinal y sección' transversal horizontal) como la parte superior de las secciones transversales del recipiente entre las marcas de brida 22.
La FIGURA 6B es una vista del extremo de la sección transversal de la modalidad mostrada en la FIGURA 6A, mirando en la dirección mostrada por la flecha A de la FIGURA 6A. Aquí se puede ver el canal de recolección del permeado 5 que penetra el cartucho de membrana también como la brida 22 que se extiende alrededor de la tapa del recipiente 19. Las FIGURAS 6C y 6D muestran vistas en planta de configuraciones de deflector e impulsor alternativas que pueden ser dispuestas en el recipiente 19 de la FIGURA 6A. El deflector 20 de la FIGURA 6C es dispuesto dentro del espacio abierto en el extremo del recipiente 19, fuera del espacio ocupado ppr los cartuchos de membrana. En tal configuración, uno de los elementos de membrana 3 puede actuar como un divisor que alienta el flujo bidireccional en diferentes porciones del recipiente. La FIGURA 6D muestra un deflector alternativo 20 que puede ser integrado al cartucho de membrana configurado para dividir el flujo bidireccional a lo largo de toda la longitud del recipiente. En la modalidad mostrada en la FIGURA 6D, los canales de recolección del permeado pueden penetrar al deflector 20 a través de agujeros 34 en el deflector 20. El impulsor 7 de la FIGURA 6A es mostrado sin su árbol impulsor con( el fin de ilustrar mejor otros elementos de esta modalidad. El impulsor 7 puede ser impulsado por un motor interno o por un motor externo con el árbol impulsor que penetra la pared del recipiente y sellado del medio ambiente externo.
Una modalidad adicional del sistema es mostrada en la FIGURA 8 en la cual el recipiente a presión comprende cuatro secciones 28. Cada sección 28 puede ser pre cargada con cartuchos de membrana 1 anexados a cada sección. Las secciones de recipientes/membrana pueden ser configuradas similar a las modalidades mostradas en las FIGURAS 1 y 2, con una o más áreas ocupadas por membranas y con una o más áreas abiertas para recirculación del agua de alimentación dentro de la sección. Cada sección del recipiente puede ser unida y sellada a su (s) sección (es) adyacente (s) mediante una conexión apropiada 26, tal como una acoplamiento Victaulic, brida u otro acoplamiento, apropiado. Además, cada sección de recipiente puede tener una penetración del permeado dedicada 5 que se extiende a través de la pared del recipiente, de tal manera que cada sección del recipiente 28 puede operar independientemente de las otras para esencialmente todas las funciones excepto suministro de agua de alimentación y recirculación. Mediante tal configuración, las modalidades permiten una reparación ' y reemplazo fácil de secciones de membrana, ya que la sección a ser reemplazada puede ser movida mientras que las otras secciones permanecen en su lugar. Estas modalidades, también permiten el monitoreo separado de la integridad de membrana en cada sección ya que el permeado de cada sección puede ser monitoreado y cerrado independientemente si se detecta una fuga u otra mala función. Estas modalidades permiten además la prefabricación de las secciones de recipiente 28 cargadas con cartucho de membrana, de tal manera que no hay requerimiento para tener en sitio que entre a recipientes grandes para instalar cartuchos de .membrana. Cada sección de este recipiente horizontal puede ser provista con uno o más soportes externos 27 configurados para soportar el peso de la sección de recipiente 28, su acoplamiento correspondiente 26 y su (s) cartucho (s) de membrana correspondiente (s) y tubo (s) del permeado. Similarmente, cada sección puede ser provista con su propio transductor de vibración configurado para mantener las membranas limpias. Las secciones de recipiente 28 pueden ser fabricadas de cualquier material apropiado, tal como acero, fibra de vidrio u otro material compuesto. Las secciones 28 pueden ser cortadas y equipadas para acomodar los cartuchos de membrana. Con tal configuración, una sección del recipiente puede ser reemplazada por un repuesto ya cargado con membranas o si una sección de repuesto llenada con membrana no esta disponible, una sección de preforma sin membranas puede ser usada para atraer el sistema de regreso en linea rápidamente pero con alguna capacidad reducida. Una conexión tipo Victaulic de acoplamiento rápido 26 puede ser usado entre secciones para minimizar el tiempo de paralización asociado.
Otra modalidad de un sistema de tanque a presión seccional es mostrada en la FIGURA 9, en la cual cartuchos adyacentes son dispuestos verticalmente . Esta configuración del recipiente a presión seccional permite una huella más pequeña ya que las secciones' de membrana/recipiente 28 pueden ser apiladas más alto que lo estructuralmente factible para el sistema dispuesto horizontalmente en la FIGURA 8.
En algunas modalidades, alternativas a- un recipiente a presión cilindrico convencional pueden ser empleadas para ahorrar espacio, reducir requerimientos de tubería y conexiones, mejorar dinámica de flujo y proveer integridad estructural con menos material que de otra manera seria requerido con una forma cilindrica convencional. Tales modalidades pueden ser usadas para tomar ventaja para reducir costos y fabricar sistemas de velocidad de flujo alto económicos para más que aplicaciones de membrana que los diseños de recipiente convencionales.
En algunas modalidades, un recipiente a presión puede ser dividido en múltiples segmentos, con cada segmento que define una trayectoria de flujo para el agua de alimentación. En algunas modalidades, los diferentes segmentos dentro del mismo recipiente a presión pueden ser conectados fluidamente, por ejemplo en los extremos del recipiente a presión, para definir múltiples trayectorias de flujo para el agua de alimentación dentro del recipiente a presión. En algunas modalidades, las múltiples trayectorias de flujo se pueden extender en direcciones paralelas (pero opuestas). En algunas modalidades, los múltiples segmentos pueden ser aislados entre si utilizando una o más divisiones (también "divisores" o "paredes divisoras") que se extienden longitudinalmente entre los extremos longitudinales del recipiente y radialmente entre lados opuestos de la pared del recipiente. En algunas modalidades, la división o divisiones pueden ser unidas a la pared del recipiente de tal manera para transferir por lo menos fuerzas de tracción de la pared del recipiente externa a las divisiones,- mejorando la integridad estructural del recipiente y permitiendo el uso de una pared del recipiente externa relativamente más delgada (y/o el uso de materiales que tienen una resistencia a la tracción más baja) que lo que seria de otra manera requerido sin los divisores de trayectoria de flujo. En particular, los divisores soportan la carga de tracción de las paredes externas. Al proveer múltiples trayectorias de flujo dentro del mismo recipiente y divisores de' trayectoria de flujo configurados para impartir resistencia estructural a las paredes externas del recipiente, las modalidades pueden ahorrar costo y complejidad significativos, reducir el ensuciamiento de membrana y reducir puntos de falla para las tuberías a y del recipiente en comparación con un diseño convencional .
La FIGURA 27A muestra una sección transversal de un recipiente cilindrico convencional 200 con una pared diseñada para soportar la presión de adentro hacia afuera (o presión de operación) del recipiente. En el recipiente 200, la pared externa soporta toda la fuerza' del recipiente igualmente alrededor de su circunferencia. En contraste, la FIGURA 27B muestra una sección transversal de un recipiente cilindrico 210 de acuerdo con una modalidad. El recipiente 210 incluye una porción de pared externa 212 y divisores internos 214 que son unidos estructuralmente a la porción de pared externa 212-por ejemplo mediante soldadura-para transferir por lo menos fuerzas de tracción de la porción de pared externa 212 a los divisores 214. Mediante tal configuración, las riostras transversales de soporte de carga de tracción 214 limitan o impiden que las fuerzas en los segmentos 2, 3 y 4 sean transferidas a la pared del segmento 1. Debido a que los divisores 214 sirven para soportar mucho de la carga de tracción en el recipiente 210, permitiendo que la porción de pared externa 212 sea fabricada utilizando menos material (para la misma presión de operación de recipiente) que el diseño de recipiente convencional mostrado en la FIGURA 27A. en la modalidad mostrada en la FIGURA 27B cada sección de la porción de la pared externa 212 une un arco de 90 grados en lugar de todos los 360 grados de un cilindro como en la FIGURA 27A, permitiendo que la modalidad de la FIGURA 27B contenga la misma presión como el diseño convencional de la FIGURA 27A, pero usando menos material para la porción de pared externa 212 (por ejemplo, ¼ del espesor usado en el diseño convencional de la FIGURA 27A) . A continuación se encuentran cálculos ejemplares t que muestran ahorros de material potenciales que pueden ser obtenidos por las modalidades :
En el recipiente 210, los divisores 214 pueden estar configurados para dividir el interior del recipiente 210 en múltiples trayectorias de flujo, que pueden ser conectadas fluidamente en los extremos longitudinales del recipiente 210. Mediante tal configuración, el recipiente segmentado 210 puede definir hasta cuatro veces la longitud de trayectoria de flujo que el diseño convencional mostrado en la FIGURA 27A. La FIGURA 27C muestra un ejemplo de cómo múltiples trayectorias de flujo en el recipiente 210 pueden ser dirigidas: el flujo puede ser dirigido en una primera dirección (a la página) en el cuadrante izquierda superior, una segunda dirección (fuera de la página) en el cuadrante derecho superior, otra vez en la primera dirección (a la página) al cuadrante derecho inferior y otra vez en la segunda dirección (fuera de la página) en el cuadrante izquierdo inferior. Mediante tal configuración, un recipiente de dos metros de largo puede incorporar ocho metros de distancia de viaje del agua de alimentación .
Las FIGURAS 28A y 28B muestran una configuración posible de capas del extremo 216, 218 configuradas para dirigir el flujo de agua de alimentación en los extremos longitudinales del recipiente 210. La primera capa del extremo 216 incluye un divisor que se extiende horizontalmente 217 y dirige el agua de alimentación del segundo cuadrante al tercer cuadrante y del cuarto cuadrante al primer cuadrante. La segunda tapa del extremo 218 incluye un divisor que se extiende verticalmente 219 que dirige el agua de alimentación del primer cuadrante al segundo cuadrante y del tercer cuadrante al cuarto cuadrante, las lineas discontinuas en las FIGURAS 28A y 28B bosquejan canales definidos por los divisores 214 en el cuerpo del recipiente 210. En algunas modalidades, el agua de alimentación puede viajar alternativamente dentro del recipiente 210, desde los primeros a cuartos cuadrantes en secuencia. En el extremo del cuarto cuadrante, el agua de alimentación se puede ya sea hacer recircular al primer cuadrante (como se implica por la flecha superior en la FIGURA 28A) o removida del recipiente 210.
Varias configuraciones diferentes de elementos de membrana pueden ser alojados dentro del recipiente 210 mostrado en la FIGURA 27B. Por ejemplo, en algunas modalidades, como se muestra en la FIGURA 29A, módulos de membrana enrollados en espiral 220 que tienen en una configuración en general cilindrica pueden ser expuestos dentro de cada cuadrante del recipiente 210. En alguna modalidades, se pueden proveer deflectores en los espacios no ocupados. En otras modalidades, una pila 222 de elementos de membrana tipo placa y bastidor paralelos 224 (u otros elementos 'de membrana que tienen una configuración en general plana) pueden ser dispuestos en cada cuadrante del recipiente 210. En algunas modalidades, los elementos- de membrana planos se pueden extender a lo largo de la plena longitud de la porción cilindrica del recipiente 210, desde la primera tapa del extremo 216 a la segunda tapa del extremo 218. Dentro de cada pila 222 de elementos de membrana 224, los elementos 224 pueden tener un tamaño y forma uniforme, como se muestra en la FIGURA 29B. En algunas modalidades, cada pila 222 puede incluir elementos de membrana 224 de tamaño y/o forma variable para encajar mejor a la forma de sección transversal de cada cuadrante en el recipiente 210. En algunas modalidades, cada pila 222 puede comprender un número de elementos de membrana paralelos planos dispuestos en una orientación vertical y separados entre si usando ya sea una hoja del separador de agua de alimentación continua o uno o más elementos de espaciamiento de agua de alimentación discretos. Una orientación vertical puede ayudar a mitigar el asentamiento de partículas sobre la superficie de las membranas. Se puede emplear un espaciamiento de más de un milímetro entre, elementos de membrana para permitir una velocidad de flujo cruzado consistente en el agua de alimentación, reducir la pérdida de cabeza longitudinal y reducir el ensuciamiento y asentamiento de partículas sobre las membranas. En algunas modalidades, los elementos de membrana pueden estar separados entre sí por dos milímetros o más.
En algunas modalidades, un recipiente puede tener una forma de sección transversal diferente de la forma de sección transversal circular del recipiente cilindrico 210 mostrado en la FIGURA 27B. Por ejemplo, como se muestra en las FIGURAS 30A-30C, se muestra un recipiente 230 que tiene una forma de sección transversal rectangular. El recipiente 230 incluye dos divisores 232 que se extienden longitudinalmente (uno vertical, uno horizontalmente) a lo largo de la longitud del recipiente 230 y a través de toda la altura y ancho del recipiente 230, desde una primera tapa del extremo 234 a una segunda tapa del extremo 236. Los divisores 232 separan el recipiente 230 en cuatro secciones diferentes o cuadrantes, para definir cuatro trayectorias de flujo separadas para el agua de alimentación a través del recipiente 230. La primera tapa del extremo 234 está configurada para dirigir el flujo 1 del cuarto cuadrante al primer cuadrante y del segundo cuadrante al tercer cuadrante. La segunda tapa del extremo 236 está configurada para dirigir el flujo del primer cuadrante al segundo cuadrante y del tercer cuadrante al cuarto cuadrante. A lo largo .de la longitud del recipiente 230 (entre las tapas del extremo 234, 236), los divisores 232 son conectados estructuralmente a la porción de pared externa del recipiente 230 para soportar por lo menos cargas de tracción de la porción de pared externa. En la FIGURA 30A, el recipiente 230 aloja una pila 238 de elementos de membrana tipo placa y bastidor planos rectangulares en cada cuadrante. Para estos tipos de elementos de membrana, la configuración de recipiente puede minimizar venta osamente la cantidad de espacio de cada cuadrante que no es ocupado por membranas. En estas y otras modalidades, el recipiente y tapas del extremo pueden estar formadas a partir de cualquier material apropiado incluyendo por ejemplo, fibra de vidrio reforzada, materiales compuestos o acero.
Las FIGURAS 31A y 31B muestran la derivación de todavía otra geometría alternativa para un recipiente a presión 250 que es mostrado en sección transversal en la FIGURA 31C. La geometría del recipiente 250 se deriva de cuatro cilindros separados (de sección transversal circular) , como se muestra en la FIGURA 31A. La FIGURA 31B muestra los cuatro cilindros separados traslapados para ponerse en contacto entre sí tangencialmente en un punto central. El perímetro externo de los cilindros en esta configuración forma la geometría de sección transversal del recipiente 250 mostrado en la. FIGURA 31C. Como se muestra en la FIGURA 31C, el recipiente 250 tiene una sección transversal definida por cuatro arcos semicirculares 252. El recipiente 250 también incluye elementos divisores 254 configurados para separar el interior del recipiente 250 en cuatro segmentos o cuadrantes separados, con cada arco semicircular 252 que forman la pared externa de uno de los cuadrantes. Los elementos divisores 254 son conectados a los arcos semicirculares 252 de la pared externa del recipiente 250 para soportar la carga de tracción de los arcos 252. El recipiente 250 incluye además elementos reforzantes 255 que se extienden perpendicularmente hasta los elementos divisores 254. Los elementos reforzantes se pueden conectar a los extremos de los elementos divisores 254, los extremos de los arcos semicirculares 252 y también adjuntos a lo largo de los arcos semicirculares 252. Los elementos reforzantes 255 se pueden extender continuamente a lo largo de la longitud del recipiente 250 o pueden comprender elementos de soporte semejantes a armadura dispuestos en sitios discretos a lo largo de la longitud del recipiente 250. La configuración ilustrada en la FIGURA 31C y otras configuraciones similares puede acomodar ef cientemente una pila de elementos de membrana tipo placa y bastidor (esto es, por poco espacio por cada cuadrante no ocupado por las membranas) , donde se toma ventaja de la resistencia provista por la forma arqueada de las paredes externas .
* Las porciones de pared de recipiente rectas deben incrementar el espesor por l/cos6 o 1.4141 veces en comparación con las porciones de pared arqueadas debido a que las porciones rectas no son perpendiculares a las porciones arqueadas.
Las FIGURAS 31D y 31E muestran tapas del extremo 256, 258 que pueden ser dispuestas en extremos longitudinales opuestos del recipiente 250 y configuradas para dirigir, el flujo entre los cuadrantes de manera similar como se ilustra en las FIGURAS 28A y
28B. En esta y otras modalidades, un soporte o jaula puede ser provisto que están configurados para distribuir el peso del recipiente lleno de liquido a lo largo de los cuadrantes del fondo.
En algunas modalidades, la configuración ilustrada en las FIGURAS 31A-31E puede ser expandida para incluir más trayectorias de flujo. La FIGURA 32, por ejemplo, muestra un recipiente 270 que tiene una geometría de sección transversal similar a aquella del recipiente 250, pero con ocho segmentos en lugar de cuatro. Tres divisores orientados verticalmente 272 y un solo divisor que se extiende- horizontalmente 274 son conectados en la pared externa del recipiente 270 (también como entre sí) de tal manera para transferir la carga de la pared externa a los divisores 272, 274. Los divisores 272, 274 dividen el recipiente 270 en ocho segmentos separados, cada uno de los cuales puede acomodar una pila 276 (u otro arreglo) de elementos de membrana. El recipiente 270 incluye además elementos reforzantes 275 que se extienden perpendicularmente a los elementos divisores individuales 272, 274. Los elementos reforzantes se pueden conectar a los extermos de los elementos divisores 272, 274, también como adjuntos de la pared externa del recipiente 270. Los elementos reforzantes 275 se pueden extender continuamente a lo largo de la longitud del recipiente 270 o pueden comprender elementos de soporte semejantes a armaduras dispuestos en sitios discretos a lo largo de la longitud del recipiente 270. En algunas modalidades, el recipiente 270 puede incluir múltiples puntos de inyección para agua de alimentación a lo largo de la longitud del recipiente 270. Mediante tal configuración, se puede obtener una velocidad de agua de alimentación y concentración más uniforme en todo el sistema (en contraposición con un sistema en el cual el agua de alimentación es inyectada solamente al inicio del circuito) , inhibiendo adicionalmente el ensuciamiento de las membranas. Cálculos similares a aquellos mostrados en la Tabla 2 anteriormente revelan que tal configuración puede ser formada usando solo 30% del material que de otra manera seria requerido en una configuración de ocho cilindros. La FIGURA 33 muestra las capas del extremo 280, 282 que pueden ser dispuestas en extremos longitudinales opuestos del recipiente 270 y configurados para dirigir el flujo entre los ocho segmentos de manera similar como se ilustra en las FIGURAS 28A y 28B. La capa del extremo 280 incluye un separador que se extiende verticalmente 278a y un separador que se extiende horizontalmente 278b que co juntamente dirigen el flujo entre cuadrantes como se indica por las flechas en la figura superior. Similarmente , la tapa del extremo 282 incluye dos separadores que se extienden verticalmente 278c, 278d y un separador que sé extiende horizontalmente 278e que conjuntamente dirigen el flujo entre los cuadrantes como se indica por las flechas en la figura inferior. La configuración mostrada en la FIGURA 32 puede servir para reducir los requerimientos de la tubería y accesorios caros en contraposición con una configuración que emplea ocho recipientes separados conectados de extremo a extremo.
Las FIGURAS 36A-36C muestran una vista detallada esquemática de un recipiente 300 que comprende una porción del cuerpo 302 y dos tapas del extremo redondeadas 304, 306. La porción del cuerpo 302 y tapa del extremo 304 son mostrados desde una vista lateral izquierda y la tapa del extremo 308 es mostrada desde una vista lateral derecha. La porción del cuerpo 302 incluye divisores internos 308 que separan la porción del cuerpo en cuatro segmentos diferentes o trayectorias de flujo y que también están configurados para soportar cargas de la pared externa 310 de la porción de cuerpo. La tapa del extremo 304 incluye un elemento transversal que se extiende horizontalmente 314 que está configurado para dirigir el flujo entre los dos segmentos superiores y entre los dos segmentos inferiores del recipiente 300. La tapa del extremo 306 incluye un elemento transversal que se extiende verticalmente 316 que está configurado para dirigir el flujo entre los dos segmentos izquierdos, y entre los dos segmentos derechos del recipiente 300.
Además de dirigir los cambios de flujo a través de las varias trayectorias de flujo, en algunas modalidades, una o ambas de las tapas del extremo también alojan una bomba, un impulsor, propulsor u otra estructura configurada para hacer recircular el agua de alimentación a través del recipiente, para evitar el encausamiento del agua de alimentación fuera del recipiente a un circuito separado con una bomba externa y la pérdida de cabeza asociada con la misma. En algunas modalidades, una o ambas tapas del extremo pueden estar configuradas para acomodar varias penetraciones para el sistema de recipiente como se desee para la aplicación particular, tal como una salida del permeado, una salida del concentrado y por lo menos la entrada de agua de alimentación.
Para un recipiente que tiene un gran número de segmentos, tal como por ejemplo, el recipiente de ocho trayectorias ilustrado en la FIGURA 32, una tapa del extremo más grande puede ser fabricada que incluye estructuras configuradas para desviar el flujo entre las varias trayectorias de flujo. La FIGURA 33 muestra una configuración posible de tapas del extremo. Las FIGURAS 34 y 35 muestran una configuración alternativa de las tapas del extremo 320, 322, con puntos que representan pernos de brida (u otros sujetadores apropiados) configurados para sujetar las tapas 320, 322 al recipiente 270 y superar los efectos de la presión del recipiente. Como se muestra en las FIGURAS 34 y 35, las tapas 320, 322 incluyen ambos sujetadores perimétricos 324 dispuestos alrededor de perímetros externos de las tapas, también como sujetadores interiores 326 configurados para anexar las tapas del extremo 320, 322 a los divisores portadores de carga 272, 274 del recipiente 270. Tales sujetadores internos 326 pueden incrementar la integridad estructural de las tapas del extremo 320, 322 considerablemente en comparación con una configuración que incluye sujetadores del perímetro solamente. En algunas modalidades, las tapas del extremo pueden ser conectadas a la pared externa del recipiente y a los divisores internos del recipiente en cualquier configuración apropiada incluyendo por ejemplo y sin limitación mediante soldadura, utilizando pernos de brida u otros sujetadores o con un accesorio acanalado, como sea apropiado por facilidad de acceso deseado, integridad estructural y costo.
En algunas modalidades, un recipiente, sus segmentos internos y sus tapas del extremo pueden estar configurados de tal manera que dos o más segmentos en una etapa anterior (corriente arriba) de los circuitos de segmento alimentados en un solo segmento en una etapa posterior (corriente abajo). Tal configuración puede ser usada para mantener la velocidad de flujo cruzado a lo largo del circuito de membrana, sin agregar puntos de inflexión corriente abajo por el agua de alimentación. En algunas de tales, modalidades, una o ambas tapas del extremo pueden contener una bomba de refuerzo integrada entre las etapas para superar la pérdida de cabeza longitudinal global del sistema.
La FIGURA 37 muestra un ejemplo de un recipiente hexagonal 400 que incluye siete segmentos cilindricos o trayectorias de flujo, que están configurados para acomodar cartuchos de membrana enrollados en espiral cilindricos 402. El recipiente 400 incluye divisores de trayectoria de flujo 404 que soportan la carga de tracción de la pared externa 406 del recipiente 400. En una modalidad, el agua de alimentación puede ser dirigida por cuatro de las trayectorias de flujo en paralelo y luego redirigida en una tapa del extremo a las otras tres trayectorias de flujo para regresar en la dirección opuesta. La FIGURA 37 también ilustra un ejemplo de los amarres estructurales entre un canal de flujo y los canales de los alrededores con el recipiente 400. Los puntos en la FIGURA 37 representan puntos en los cuales un cilindro puede ser soportado por sus cilindros de los alrededores y/o la pared externa 406 del recipiente 400. Cálculos similares a aquellos mostrados en la Tabla 2 anteriormente revelan que tal configuración puede ser formada usando solamente 30% del material que de otra manera seria requerido en una configuración que usa siete cilindros separados.
La FIGURA 38 muestra una extensión del diseño hexagonal e incluye un número de recipientes hexagonales individuales 410, cada uno de los cuales está configurado para cumular un elemento de membrana cilindrico, tal como por ejemplo, un cartucho de membrana enrollado en espiral. Estos recipientes 410 pueden ser apilados inmediatamente adyacentes entre si y pegados conjuntamente para eliminar el espacio entre los recipientes individuales en cualquier resistencia al compartir las paredes interiores. Los recipientes 410 pueden ser pegados conjuntamente de cualquier manera apropiada. Por ejemplo y sin limitación, las superficies adjuntas de cada recipiente 410 pueden ser pegadas conjuntamente o una serie de bandas o gomas pueden ser provistas alrededor del perímetro de las redes de recipientes y colocados a intervalos a lo largo de la longitud del arreglo. El fondo del arreglo puede ser soportado por uno o más pedestales configurados para acomodar la forma particular del fondo del arreglo. En algunas modalidades, las bandas o correas pueden ser anexadas a los pedestales.
En una modalidad configurada para hacer circular el agua de alimentación a través del recipiente más de una vez (un "sistema de recirculación") el número de recipientes adjuntos o segmentos de recipientes puede ser uniforme, para permitir la consumación del circuito de recirculación. En una modalidad configurada para hacer circular el agua de alimentación a través del recipiente solo una vez (un "sistema de una sola vez") , el número de recipientes adjuntos o segmentos de recipiente adjuntos podría ser impar. Un sistema de un solo paso puede involucrar una etapa en el área de membrana a medida" que el volumen de agua de alimentación es reducido a lo largo del circuito de membrana. En la modalidad mostrada en la FIGURA 38, el anillo externo de doce recipientes se puede alimentar al anillo interno de seis recipientes. En otras palabras, el agua de alimentación puede ser dirigida en una primera dirección por el recipiente en el anillo externo. Luego, en la etapa del extremo, el agua de alimentación en un par de recipientes de anillo externo puede ser redirigida a un solo recipiente del anilló interno. El recipiente central puede opcionalmente ser usado para alojar mangueras de recolección del permeado de los otros recipientes.
La FIGURA 39A ilustra una vista del extremo en sección transversal y una vista lateral de otra modalidad de un recipiente segmentado 500, con un elemento divisor que se extiende verticalmente 502 sellado conjuntamente con las primeras y segundas paredes laterales 504, 506 de recipiente 500. El elemento divisor 502 divide el recipiente 500 en dos trayectorias de flujo separadas. EL elemento divisor 502 es también conectado a las paredes laterales 504, 506 para soportar la carga.de tracción de las paredes laterales 504, 506 en una dirección vertical. Cuatro canales recolectores 508 son dispuestos dentro del recipiente 500. Los canales recolectores 508 se extienden en una dirección normal al elemento divisor 502. Los canales recolectores 508 también soportan la carga de tracción de las paredes laterales 504, 506, pero no son continuos a lo largo de la longitud del recipiente 500 como lo es el elemento divisor 502. Asi, los canales recolectores 508 actúan un tanto como montantes que unen la distancia entre paredes laterales opuestas y mejoran la integridad estructural del recipiente 500. En algunas modalidades, dos canales recolectores pueden ser provistos por cada metro de longitud de cartucho de membrana.
La FIGURA 39B ilustra una vista del extremo en sección transversal y una vista lateral de todavía otra modalidad de un recipiente segmentado 550, con un eleménto divisor que se extiende verticalmente 552 y un elemento divisor que se extiende horizontalmente 554 sellados conjuntamente con una pared externa 556 de recipiente 550 para formar cuatro segmentos separados o trayectorias de flujo en el interior del recipiente 550. Los elementos divisores 552, 554 son conectados a la pared externa 556 para soportar la carga de tracción de la pared externa 556 en direcciones vertical y horizontal. Otros canales recolectores 558 son dispuestos dentro del recipiente 550. Los canales recolectores 558 se extienden en una dirección normal al elemento divisor vertical 552. Los canales recolectores 558 también soportan la carga de tracción de la pared externa 556, pero no son continuos a lo largo de la longitud del recipiente 500 como lo son los elementos divisores 552, 554. Asi, los canales recolectores 558 actúan un tanto como montantes que unen la distancia entre lados opuestos en la pared externa 506.
Recirculación en el recipiente
En algunas modalidades, uno o más impulsores o propulsores pueden ser dispuestos al interior del recipiente y configurados para producir circulación del agua de alimentación más allá de la superficie de los cartuchos de membrana dispuestos al interior del recipiente a presión. Uno o más deflectores pueden también ser dispuestos al interior del recipiente a presión y configurados para cooperar con el impulsor o impulsores para dirigir el agua de alimentación en cierta dirección deseada. Los deflectores pueden tener cualquier forma y configuración apropiada dentro del recipiente con el fin de, en combinación con el impulsor o impulsores, crear o alentar una trayectoria de flujo re circulatoria en general de agua de alimentación a través del recipiente y más allá de la superficie de membrana. El impulsor puede estar configurado para jalar el agua de alimentación de los cartuchos de membrana a través y alrededor de los deflectores. Tal movimiento del agua creara una circulación del agua alrededor y entre las membranas. La circulación del agua de alimentación incrementara la velocidad de flujo cruzado más allá de la superficie de membrana, inhibiendo mediante esto el asentamiento de partículas sobre los elementos de membrana. El impulsor puede ser fabricado de cualquier material apropiado tal como por ejemplo acero inoxidable, plástico, fibra de vidrio o fibra de carbono. El impulsor puede tener cualquier numero, forma y orientación de alabes consistente con su propósito planeado. El impulsor puede ser impulsado por un motor que recibe ya sea al interior del tanque o al exterior del tanque con por ejemplo un árbol impulsor sellado que penetra la pared del tanque. El impulsor puede estar configurado para hacer mover un alto volumen de agua a baja presión.
En la modalidad ilustrada en las FIGURAS 1A y IB, el sistema incluye un deflector 10 que comprende una superficie periférica externa del cartucho de membrana 1 y una superficie de extensión que se extiende desde un extremo del cartucho de membrana hacia un impulsor 7 dispuesto en un área abierta del recipiente 2 (FIGURA IB, muestra una sección transversal con el cartucho 1 removido para ilustrar mejor la configuración del deflector 10) . En la modalidad ilustrada, el impulsor 7 esta de frente a una dirección en general paralela a la superficie de la membrana en el cartucho 1. Ya que el deflector 10 extiende más cercano al impulsor 7, su sección transversal se estrecha desde una forma rectangular en el extremo del cartucho 1 a una forma circular alrededor del impulsor 7. Mediante tal configuración, el deflector 10 sirve para encausar el agua de alimentación a través del área ocupada por la membrana (a través del cartucho 1 y entre los elementos de membrana 3 que comprenden el cartucho 1) y hacia el impulsor 7 (a la pagina, en las FIGURAS 1A y IB) . El deflector 10 también sirve para separar el flujo del agua de alimentación re circulante en las área abiertas del recipiente (fuera del cartucho) en la dirección opuesta al flujo a través del área ocupada por la membrana (fuera de la pagina, en las FIGURAS 1A y IB) . En algunas modalidades, las paredes del cartucho pueden formar una porción del deflector. En otras modalidades, el deflector puede comprender una hoja u hojas de material impermeable al agua que cubre el (los) cartucho (s) y que se extiende desde los mismos.
Las FIGURAS 2A (con los cartuchos de membrana 1) y 2B
(con los cartuchos de membrana removidos) muestran una modalidad en la cual el deflector 10 comprende una superficie periférica externa de tres cartuchos de membrana dimensionados diferentemente. A medida que el deflector 10 se extiende a lo lejos del cartucho de membrana 1 y hacia el impulsor 7, su sección transversal se estrecha para circundar finalmente el impulsor 7.
La FIGURA 3 ilustra una sección transversal lateral de una modalidad, que ilustra la forma frustocónica de la porción del deflector 10 que se extiende en el cartucho 1 y el impulsor 7. La FIGURA 6A a 6D, muestran una modalidad alternativa en la cual el impulsor 7 esta de frente a una dirección normal a las superficies de las membranas 6 dispuestas al interior del recipiente. El impulsor 7 es circundado por un deflector 20 que esta configurado para dividir el área abierta en el extremo izquierdo del recipiente en dos porciones. Como se muestra en la FIGURA 6C, en algunas modalidades, el deflector 20 se extiende aproximadamente desde el borde de la trayectoria definida por el impulsor giratorio 7 a la superficie interior de la pared del recipiente en el área abierta y al borde más izquierdo del arreglo de membranas 3 (véase FIGURA 6A) para dirigir el flujo en general a la derecha en la porción izquierda del recipiente y en general a la izquierda en la porción superior del recipiente. Como se muestra en la FIGURA 6D, en algunas modalidades, el deflector 20 se puede extender a través del arreglo de membrana (hacia la derecha en la FIGURA 6A) para definir una primera trayectoria de flujo a; la derecha en la porción interior del recipiente y una segunda trayectoria de flujo a la izquierda en la porción superior del recipiente.
Mediante la recirculación o al hacer circular el agua de alimentación a través del recipiente a presión, se genera una velocidad más alta en el agua de alimentación más allá de las membranas, ayudando a impedir que las partículas se asienten sobre las membranas. En los sistemas convencionales, la velocidad de flujo cruzado es determinada en general por la recuperación y flujo del sistema. En modalidades de la invención, al hacer circular el agua de alimentación más allá de las membranas a velocidades más altas que las que serian determinadas por la recuperación y flujo (o presión), se puede obtener una mejor mezcla y en purificación de superficie de membrana incrementada. Por ejemplo y sin limitación, la velocidad de flujo cruzado en las modalidades puede ser mayor de 0.15 metros (0.5 pies) por segundo, mayor de 0.3 metros (1.0 pie), mayor de 0.6 metros (2.0 pies) por segundo, mayor de 1 metro (3.0 pies) por segundo o mayor de 1.5 metros (5.0 pies) por segundo. En algunas modalidades, la velocidad de flujo cruzado puede ser de entre aproximadamente 0.15 metros (0.5 pies) y aproximadamente 3 metros (10.0 pies) por segundo, entre aproximadamente 0.3 metros (1.0 pie) por segundo y aproximadamente 0.6 metros (2.0 pies) por segundo o entre aproximadamente 0.6 metros (2.0 pies) por segundo y aproximadamente 1 metro (3.0 pies) por segundo. La velocidad de recirculación o reciclado en modalidades puede también variar dependiendo de la aplicación particular y dependiendo de los objetivos particulares del operador. Como ejemplo, un sistema con una fuente de agua de superficie dulce que tiene sólidos disueltos totales bajos (TDS) y baja turbidez se puede poner en operación a una velocidad de recuperación del 80% con una velocidad del reciclado relativamente alta y un flujo relativamente alto. El mismo sistema también se puede poner en operación a una recuperación más baja, con un reciclado más bajo para ahorrar energía o con la misma velocidad de reciclado o una velocidad de reciclado más alta para reducir los requerimientos de limpieza de membrana. Este parámetro operacional agregado (esto es, velocidad de recirculación o velocidad de reciclado) también facilita ajustes del sistema periódicos sin interrupción de la producción. Por ejemplo, para acomodar variaciones estacionales en la calidad' del agua de alimentación la velocidad del reciclado puede ser incrementada a medida que el potencial de ensuciamiento del agua de alimentación se incrementa. Esto permite una sola configuración para tratar casi cualquier fuente de agua con solamente ajustes operacionales menores. Generalmente hablando, el sistema de un solo paso mientras más alta es la velocidad de operación, mayor es la reducción de la velocidad de agua de alimentación a medida que el agua de alimentación viaja longitudinalmente más allá de las membranas. Al emplear un sistema de recirculación, las modalidades de la invención pueden servir para igualar la velocidad del agua de alimentación sobre la longitud de las membranas. En modalidades, el agua de alimentación se hace circular a través del recipiente (y más allá de las membranas) múltiples veces, reduciendo la velocidad, de recuperación por pasos. Por ejemplo, para un sistema convencional con una recuperación global del 50%, la velocidad en el extremo del circuito de membrana es aproximadamente la mitad de la velocidad en la entrada del agua de alimentación. En una modalidad que agrega un paso de recirculación, la operación a una velocidad de recuperación global de 50%, la recuperación por paso es la mitad de la recuperación global o 25%. En tal sistema, la velocidad en el extremo del circuito de membrana seria de tres cuartos de la velocidad en la entrada.
Sistema de vibración
En algunas modalidades, un sistema de vibración puede ser incluido que produce olas en el agua de alimentación y envía las olas a través de los canales entre las membranas para proveer la · mezcla y suspensión de partículas de las membranas.- Transductores 4 u otros dispositivos mecánicos pueden ser usados para impartir la vibración al agua de alimentación o las paredes del recipiente. Los transductores pueden ser colocados en el agua de alimentación y/o directamente sobre una pared o paredes del recipiente a presión para propagar las olas a través del agua de alimentación a las membranas.
En algunas modalidades, el sistema de vibración puede estar configurado de tal manera que las olas de vibración son conducidas por el agua y/o por el recipiente u otra estructura dispuesta al interior del recipiente. Dependiendo de la configuración de las paredes del recipiente, las olas de vibración pueden en algunos casos reflejarse de las paredes del recipiente. La vibración puede ser continua o intermitente como se requiera para mantener la productividad de membrana. Los parámetros tales como frecuencia y amplitud de onda pueden ser ajustadas (por ejemplo, con varios transductores) con el paso del tiempo para mantener un nivel deseado de productividad de membrana. Modalidades de la invención pueden emplear frecuencias sónicas, frecuencias ultrasónicas y/o una combinación de ambas. En modalidades que emplean vibración ultrasónica (frecuencia mayor de 20 kHz), los transductores pueden ser dispuestos para evitar daños a las membranas u otros componentes debido a la cavitación. En modalidades de la invención, la vibración misma y no la cavitación resultante de la vibración, sirve para mantener las membranas limpias.
En algunas modalidades, un sistema de vibración puede estar configurado para suministrar ondas de vibración de dos frecuencias diferentes. Por ejemplo, una frecuencia puede ser seleccionada para mantener las partículas grandes separadas de las membranas y otra frecuencia (quizás más altas) puede ser seleccionada para impedir que las bacterias se asienten. Una combinación de frecuencias puede también ser usada para evitar una onda parada potencial que podría ser destructiva. En algunas modalidades, una combinación de frecuencias puede ser provista ya sea simultáneamente (esto es, continuamente al mismo tiempo o intermitentemente al mismo tiempo) o alternantemente (esto es, continuamente durante diferentes periodos de tiempo o intermitentemente a diferentes intervalos de tiempo) . En algunas modalidades, un sistema de vibración de frecuencia más baja se puede poner en operación sustancialmente de manera continua o a intervalos relativamente frecuentes (por ejemplo, y sin limitación cada unos pocos minutos u horas) y un sistema de vibración de frecuencia más alta se puede poner en operación a intervalos relativamente más cortos (por ejemplo y sin limitación, cada 12 a 24 horas) .
Al combinar un régimen de vibración con un sistema de recirculación en el recipiente, las modalidades de la invención proveen un efecto de limpieza sinergista par reducir espectacularmente los requerimientos de mantenimiento de membrana, proporcionando un sistema que puede acomodar una mayor variedad de calidades de agua de alimentación con una vasta reducción en los requerimientos de pre tratamiento.
Partículas antiensuciamiento
Como se menciona anteriormente, los contaminantes del agua de alimentación pueden tender a alojarse en los poros de las membranas en los sistemas de tratamiento a base de membranas. Las partículas contaminantes pueden también tender a formar un recubrimiento (que puede ser de varias partículas de profundidad) sobre las superficies de membrana, que puede bloquear el flujo del permeado a través de las membranas. En los sistemas de osmosis inversa y nano filtración, las partículas contaminantes que son relativamente pequeñas (por ejemplo, del orden de una miera y más pequeñas de diámetro) son especialmente probables de provocar este tipo de ensuciamiento de membrana. La FIGURA 42A es una vista de sección transversal esquemática que ilustra un canal de alimentación entre dos elementos de membrana 702 que son alojados dentro de un recipiente a presión (no. mostrado) . Cada elemento de membrana 702 comprende dos hojas de membrana 704 y una hoja separadora del permeado 706. El flujo del agua de alimentación a través del canal de alimentación es ilustrado por la flecha 708, la flecha 710 'indica el flujo del permeado a través de una de las membranas 704. La FIGURA 42A ilustra varias partículas contaminantes 712 suspendidas en el agua de alimentación y que comienzan a recubrir la superficie de la membrana 704.
En algunas modalidades, partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas al agua de alimentación (y/o a las superficies de membranas) para reducir o inhibir el ensuciamiento de las membranas por partículas contaminantes. La FIGURA 42B es una vista en sección transversal esquemática que ilustra un canal de alimentación entre dos elementos de membrana 720 en una de tales modalidades. Cada elemento de membrana 720 comprende dos hojas de membrana 722 y una hoja separadora del permeado 724. En la modalidad mostrada en la FIGURA 42B partículas antiensuciamiento 726 son agregadas al agua de alimentación y son suspendidas en el agua de alimentación junto con cualesquief partículas contaminantes 712 que pueden estar presentes. Como se puede ver en. la FIGURA 42B la adición de las partículas antiensuciamiento 726 tienen el efecto de atraer las partículas contaminantes 712 que se adhieren a o son embebidas por si mismas dentro de los poros de las partículas antiensuciamiento 726. Como también se muestra en la FIGURA 42B, las partículas antiensuciamiento 726 también se pueden adherir a y/o recubrir las superficies de la membrana 722. A diferencia' de las partículas contaminantes 712, sin embargo, la presencia de las partículas antiensuciamiento 726 sobre la superficie de las membranas 722 no bloquea el flujo del permeado a través de las membranas 722. En lugar de esto, el permeado puede pasar fácilmente a través de las partículas antiensuciamiento 726, a través de las membranas 722 y a los canales del permeado 724. Así, en algunas modalidades, la adición de partículas antiensuciamiento al agua de alimentación pueden servir para inhibir o impedir que las partículas contaminantes formen un recubrimiento impermeable al agua sobre las superficies de membrana y así- ensucien las membranas.
Las membranas 722 pueden ser por ejemplo membranas osmóticas (esto es, membranas NF o RO) . Las partículas antiensuciamiento 726 que son agregadas al agua de alimentación pueden ser por ejemplo partículas · de tierra diatomácea, partículas de carbón activado o partículas de cualquier otro material con porosidad y/o áreas superficial especifica apropiada para sus propósito planeado. El material pude ser relativamente inerte o puede ser seleccionado para reaccionar con contaminantes particulares tales como contaminantes industriales. Ejemplos adicionales de materiales que pueden ser usados para partículas antiensuciamiento en modalidades incluyen arcilla, bentonita, zeolita y pearlita. En algunas modalidades, las partículas antiensuciamiento pueden ser seleccionadas para tener una porosidad y/o área superficial especifica y tamaño apropiados para atraer y absorber partículas contaminantes particulares tales como por ejemplo partículas contaminantes de aproximadamente 1 miera de diámetro y más pequeñas. Por ejemplo, en algunas modalidades las partículas antiensuciamiento pueden tener un diámetro (o una dimensión mayor) de 0.5 mieras o más, 1.0 mieras o más, 1.5 mieras o más, 2.0 mieras o más o un diámetro (o una dimensión mayor) mayor de cualquiera de estos números, menor que cualquiera de estos números o dentro de un intervalo definido por cualesquier dos de estos números. También en algunas modalidades, las partículas antiensuciamiento pueden tener un área superficial especifica de 10 m2/g o más, 20 m2/g o más, 30 m2/g o más, 40 m2/g o más, 50 m2/g o más, 60 m2/g o más, 70 m2/g o más, 80 m2/g o más, 80 m2/g o más, 90 m2/g o más, 100 m2/g o más, 200 m2/g o más, 300 m2/g o más, 400 m2/g o más, 500 m2/g o más, 1000 m2/g o más, 1500 m2/g o más, o un área superficial especifica mayor que cualesquiera de estos números, menor que cualesquiera de estos números o dentro de un intervalo definido por cualesquiera de dos de estos números. Alternativamente o además de partículas antiensuciamiento que tienen una alta porosidad y/o área superficial, partículas absorbentes, partículas altamente cargadas, partículas magnéticas u otras partículas pueden ser agregadas al agua de alimentación como partículas antiensuciamiento en varias modalidades, por ejemplo para remover contaminantes específicos.
En algunas modalidades, en lugar de o además de suministrar partículas antiensuciamiento al agua de alimentación, las partículas antiensuciamiento (y/o un material antiensuciamiento) pueden ser usado para formar una capa antiensuciamiento sobre las superficies de membrana. La FIGURA 43? es una vista en sección transversal esquemática que ilustra un canal de alimentación en una de tales modalidades, al comienzo de un proceso de tratamiento. La FIGURA 43B es una vista en sección transversal esquemática del canal de alimentación de la FIGURA 43A a una etapa posterior en el proceso de tratamiento. En la FIGURA 43A, una capa 728 de partículas antiensuciamiento 726 recubre la superficies activas de las membranas 722 (esto es, aquellas superficies de frente al canal de alimentación) . La capa 728 puede ser un área superficial alta, estructura tridimensional configurada para atraer y contener partículas contaminantes. Como se muestra en la FIGURA 43A, al comienzo del proceso de tratamiento un numero de partículas contaminantes 712 están suspendidas en el agua de alimentación. A medida que el proceso de tratamiento procede y como se ilustra en la FIGURA 43B las partículas contaminantes 712 se comienzan a adherir a las partículas antiensuciamiento 726 que forman la capa 728. Debido por lo menos en parte a la porosidad de las partículas 726, la presencia de las capas 728 no bloquea el flujo del perneado a través de las membranas 722. En lugar de esto, el permeado puede pasar fácilmente a través de las partículas antiensuciamiento 726 y entre las partículas antiensuciamiento 726 a través de las membranas 722 y a los canales del permeado 724, aun después que numerosas partículas contaminantes 712 se han embebido en las capas 728. Así, en algunas modalidades, la adición de una capa de recubrimiento antiensuciamiento a las superficies de membrana puede servir para inhibir o impedir que las partículas contaminantes formen un recubrimiento impermeable al agua sobre la superficie de membrana y así ensucien las membranas. Las capas 728 pueden tener cualquier espesor apropiado, incluyendo por ejemplo, aproximadamente 50 mieras, aproximadamente 60 mieras, aproximadamente 70 mieras, aproximadamente 80 mieras, aproximadamente 90 mieras, aproximadamente 100 mieras, aproximadamente 150 mieras, aproximadamente 200 mieras, aproximadamente 300 mieras o un espesor mayor que cualesquiera de estos números, menos que cualesquier de estos números o dentro de un intervalo definido por cualesquier dos de estos números.
En algunas modalidades, en lugar de o además de suministrar partículas antiensuciamiento al agua de alimentación y/o superficies de membrana, se pueden agregar pelotillas al agua de alimentación para reducir o inhibir el ensuciamiento de las membranas. La FIGURA 44A es una vista en sección transversal esquemática que ilustra un canal de alimentación en una de tales modalidades. En la modalidad ilustrada en la FIGURA 44A, las pelotillas 730 son agregadas al agua de alimentación · y son suspendidas en el agua de alimentación con cualesquier partículas contaminantes 712 que pueden estar presentes. Las pelotillas 730 pueden estar configuradas para ponerse en contacto y aflojar y/o desalojar cualesquier partículas 712 que se pueden haber asentado sobre o cerca de la superficie de las membranas 722 a medida que las pelotillas se mueven con el agua de alimentación en la dirección general indicada por la flecha 731. Las pelotillas pueden tener cualquier forma apropiada, incluyendo la forma cilindrica ilustrada en la FIGURA 44A. Otros ejemplos de formas apropiadas incluyen formas esféricas, no esféricas, alargadas, oblongas, cúbicas, cuboides, prismáticas, piramidales, cónicas o irregulares. Las pelotillas pueden tener cualquier tamaño apropiado. En algunas modalidades, las pelotillas pueden tener una dimensión mayor de aproximadamente 0.1 mm, aproximadamente 0.2 mm, aproximadamente 0.3 mm, aproximadamente 0.4 mm, aproximadamente 0.5 mm, aproximadamente 1.0 mm, aproximadamente 1.5 mm, aproximadamente 2.0 mm o una dimensión mayor que cualquiera de estos números, menor que cualquiera de estos números o dentro de un intervalo definido por cualesquiera de estos números. En algunas modalidades, las pelotillas pueden tener una dimensión mayor menor o igual a aproximadamente la mitad de la distancia entre las membranas 722. Por ejemplo, en una modalidad que emplea un espaciamiento de membrana de aproximadamente 2.5 mm, las pelotillas pueden tener una dimensión mayor de por ejemplo, menor o igual a aproximadamente 1.25 mm. En una modalidad que emplea un espaciamiento de membrana de aproximadamente 3.2 mm, las pelotillas pueden tener una dimensión mayor de por ejemplo, menor o igual a aproximadamente 1.6 mm. Las pelotillas pueden comprender cualquier material apropiado para su propósito planeado, tal como por ejemplo, plástico, cerámica u otros materiales. Las pelotillas pueden ser no porosas o ligeramente porosas y pueden ser sólidas o huecas. Las pelotillas pueden tener cualquier densidad apropiada incluyendo por ejemplo una densidad de aproximadamente 0.9 g/ml, aproximadamente 1.0 g/ml, aproximadamente 1.1 g/ml, aproximadamente 1.2 g/ml, aproximadamente 1.5 g/ml o una densidad mayor que cualesquiera de estos números, menor que cualesquiera de estos números o dentro de un intervalo definido por cualesquier dos de estos números.
La FIGURA 44B es una vista en sección transversal esquemática de un canal de alimentación en todavía otra modalidad. La FIGURA 44B muestra partículas antiensuciamiento 726 y pelotillas 730 agregadas al agua de alimentación y suspendidas con las partículas contaminantes 712 que ya están presentes. La FIGURA 44B también muestra una capa 728 de partículas antiensuciamiento 726 que recubren las membranas 722. En una modalidad que emplea tanto partículas antiensuciamiento como pelotillas para inhibir el " ensuciamiento de membrana, las pelotillas pueden funcionar para desalojar partículas contaminantes también como cualesquier partículas antiensuciamiento que residen sobre las superficies de membrana. De esta manera, la adición de las pelotillas puede alentar el movimiento de las partículas antiensuciamiento a través de los canales de alimentación. La adición de las pelotillas puede también alentar un intercambio constante de partículas antiensuciamiento que recubren las superficies de membrana.
Las FIGURAS 45A-C son micrografías electrónicas de barrido (SEM) de tierra de diatomeas que puede ser usada como partículas antiensuciamiento en algunas modalidades. Las FIGURAS 46A-C son SEM de carbón activado que. puede ser usado como partículas antiensuciamiento en algunas modalidades. Estas SEM ilustran la alta porosidad tridimensional y estructura de alta área superficial tanto de tierra de diatomeas como de carbón activase La FIGURA 46B en particular muestra la estructura de una partícula extremadamente porosa de carbón activado, con partículas contaminantes alojadas en algunos de sus poros. La FIGURA 46C muestra un acercamiento de una partícula contaminante alojada en un poro en una partícula de carbón activado. En algunas modalidades, el material usado para las partículas antiensuciamiento puede ser preparado al suspender un material a granel en agua en un tanque y permitir que la suspensión se asiente por una cantidad de tiempo suficiente para separar las partículas deseables de las partículas indeseables. Por ejemplo, se puede permitir que la suspensión se asiente por un tiempo suficiente para permitir que partículas más grandes de aproximadamente 0.5 mieras de diámetro (o de dimensión mayor) se asiente, después del cual las partículas restantes (más pequeñas) en suspensión pueden ser vertidas.
Las FIGURAS 48A-C son diagramas esquemáticos que ilustran varios sistemas de tratamiento de agua configurados de acuerdo con algunas modalidades. La FIGURA 48A muestra un sistema 860 que comprende un ¦ suministro de agua de alimentación 862 y un recipiente a presión 864. El suministro de agua de alimentación 862 incluye partículas contaminantes 866. Por lo menos algunas de las partículas contaminantes 866 son del orden de una miera y menores de diámetro. El recipiente 864 incluye una pluralidad de elementos de membrana separados espaciadamente 868. Los elementos de membrana 868 pueden incluir membranas osmóticas (por ejemplo, membranas NF o RO) dispuestas en una configuración plana, por ejemplo como se describe en la presente. En la modalidad ilustrada en la FIGURA 48A, las partículas antiensuciamiento 870 han sido agregadas al suministro de agua de alimentación 862. Una bomba 872 está configurada para bombear agua de alimentación (que incluye las partículas contaminantes 866 y partículas antiensuciamiento 870) al recipiente a presión 864 para tratamiento. Aunque no se ilustra, el recipiente 864 puede incluir un impulsor u otros medios para generar flujo cruzado del agua dé alimentación más allá de las superficies de membrana.
La FIGURA 48B muestra otro sistema 880 que comprende un suministro de agua de alimentación 882 y un recipiente a presión 884. El suministro de agua de alimentación 882 incluye partículas contaminantes 866. El recipiente 884 incluye una pluralidad de elementos de membrana separados espacialmente 886. El sistema 880 también incluye un tanque mezclador 888 que contiene partículas antiensuciamiento 870 en suspensión. En la modalidad ilustrada en la FIGURA 48B, las partículas antiensuciamiento 870 son agregadas al agua de alimentación a medida que el agua de alimentación es bombeada (por la bomba 872) al recipiente a presión 884 para tratamiento.
La FIGURA 48C muestra otro sistema 890 que comprende un suministro de agua de alimentación 892 y un recipiente a presión 894. El suministro de agua de alimentación 892 incluye partículas contaminantes 866 también como partículas antiensuciamiento 870 que han sido agregadas al agua de alimentación. El recipiente 894 incluye una pluralidad de elementos de membrana separados espaciadamente 896 que incluyen capas antiensuciamiento 897 que recorren la superficie de membrana activa (esto es, la superficie de los elementos de membrana 896 expuestas al agua de alimentación en el recipiente) . La bomba 872 está configurada para bombear agua de alimentación (que incluye las partículas contamianntes 896 y las partículas antiensuciamiento 870) al recipiente a presión 894 para el tratamiento. En la modalidad ilustrada en la FIGURA 48C, las pelotillas 899 han sido agregadas al agua de alimentación al interior del recipiente 894. Aunque no se ilustra, el recipiente 894 puede incluir un impulsor u otro medio para generar flujo cruzado del agua de alimentación más allá de la superficie de membrana. En algunas modalidades, tal impulsor puede tener una velocidad relativamente lenta (por ejemplo y sin limitación, entre aproximadamente 100 rpm a aproximadamente 400 rpm) para evitar daños o ruptura de pelotillas. En algunas modalidades, el sistema también puede incluir un tamiz configurado para impedir la remoción de las pelotillas del recipiente con la salmuera o lodo concentrado, de tal manera que la concentración de las pelotillas en el recipiente permanece relativamente constante.
Operación
Las modalidades del sistema se pueden poner en operación al proveer agua de alimentación presurizada al recipiente que contiene las membranas. La diferencial entre la presión del agua de alimentación y la presión relativamente más baja en el lado del permeado de membrana inicial el proceso de alimentación. Los parámetros siguientes pueden ser ajustados dependiendo de los objetivos de tratamiento y la calidad del agua de alimentación.
Tipo de membrana: Diferentes tipos de membrana pueden ser usados para obtener diferentes objetivos de tratamiento. Las membranas más herméticas son en general aptas de remover más contaminantes, pero requieren de presiones más altas y tienden a operar a flujos más bajos (salidas por área) . Si se usa el sistema para pretratar agua antes de una etapa de tratamiento subsecuente, ciertas membranas tales como de nanofiltración pueden ser usadas para minimizar el mantenimiento en la segunda etapa de tratamiento.
Velocidad de recirculación: la velocidad a la cual el agua se hace circular en el recipiente afectará la velocidad de flujo cruzado del agua de alimentación en la superficie de la membrana. La velocidad de flujo cruzado incrementada promueve la mezcla de partículas y contaminantes disueltos dentro del agua cruda y previene el asentamiento y ensuciamiento de la superficie de membrana.
Presión del agua de alimentación: La presión del agua de alimentación es en general una función del tipo de membrana buscada, el potencial osmótico del agua de alimentación, el flujo deseado (salida por área de membrana) y la pérdida de cabeza longitudinal producida de la red de circulación.
Velocidad de circulación: Esta es definida como el por ciento de agua de alimentación recuperada como permeado (1 - % de concentrado) versus la cantidad total de agua de alimentación usada (ejemplo: 505 de recuperación de dos litros de agua de alimentación que producen un litro o permeado) .
Régimen de vibración: La limpieza vibratoria provee un método en tiempo real de remover partículas de la superficie de membrana mientras que el sistema está en uso. Para una calidad de agua dada hay varios parámetros dentro del régimen de vibración (por ejemplo, frecuencia, intermitencia, energía, ubicación de entrada) que pueden ser ajustados para por ejemplo, mejorar la limpieza de membrana y/o reducir el consumo de energía del sistema.
En modalidades de la invención, estos y otros parámetros del sistema y parámetros operacionales pueden ser ajustados en base a la calidad del agua fuente y la disponibilidad del agua fuente y objetivos de tratamiento. Estos parámetros pueden ser ajustados de tal manera que el mismo sistema puede ser usado para un amplio intervalo de calidades de agua fuente y objetivos de tratamiento. En algunas aplicaciones, estos parámetros pueden ser ajustados a medida que la calidad del agua fuente cambia. Debido a cambios estacionales o presencias ambientales) . Las modalidades ofrecen asi una ventaja significativa con respecto a los sistemas convencionales que carecen de tal adaptabilidad a la varianza en la calidad del agua de alimentación que por consiguiente requieren sistemas de pretratamiento complejos y caros con el fin de obtener una calidad del agua de alimentación consistentes. Las modalidades se pueden poner en operación a recuperaciones de cualquier parte del 20% o más bajos a recuperaciones de 80% o más altas, dependiendo de la calidad del agua fuente, preferencias de mantenimiento u otras consideraciones. En una modalidad, las membranas de NF pueden ser usadas con un flujo de 5 a 10 gfd, una recuperación de 50-60% y una velocidad de reciclado de aproximadamente 15 veces. El régimen de recirculación y vibración de modalidades puede ser usado para proveer un programa de mantenimiento altamente efectivo en el costo, en el cual la energía consumida por la vibración y la recirculación es más que desplazada por los ahorros resultantes de los requerimientos de mantenimiento reducidos, la ausencia relativa de partes móviles y la ausencia de limpieza de membrana de baja presión convencional como retrolavado o depuración por aire.
Las modalidades del sistema se pueden poner en operación en un proceso de una sola etapa en la cual el agua de alimentación entra al recipiente e interactúa con las membranas en aquel recipiente hasta que el agua de alimentación alcanza una concentración correspondiente a la proporción de recuperación deseada, punto en el cual el concentrado puede ser evacuado del recipiente y desechado (por ejemplo, devuelto al medio ambiente externo o a una planta de tratamiento de aguas cloacales, en el caso de una aplicación de reutilización de agua) . En algunas modalidades, el agua de alimentación concentrada puede ser evacuada del recipiente continuamente, a través de una abertura de cualquier tamaño apropiado. En otras modalidades, el agua de alimentación concentrada puede ser evacuada del recipiente en un proceso de liberación pulsado, en el cual un volumen relativamente grande del concentrado es liberado intermitentemente a través de una abertura relativamente más grande, para obtener la misma proporción promediada en el tiempo como un proceso continuo, en tanto que se incrementa la cantidad de sólidos dispuestos con el concentrado .
La figura 10 muestra un ejemplo de cómo un proceso de una sola etapa puede funcionar. El afluente (I) al recipiente a presión 30 que contiene las membranas es separado por las membranas en dos corrientes: un concentrado (C) y un permeado (P) . El permeado es transferido a un tanque de almacenamiento 31 que es mantenido a una presión relativamente baja. El permeado puede ser transferido a etapas posteriores de un proceso de filtración de múltiples etapas, por medio de un proceso desinfectante o enviado a su uso propuesto como se indica por la flecha 32. La tabla 3 a continuación muestra un ejemplo del balance de masa para las corrientes, suponiendo un afluente de TDS de 1,000 mg/litro, una membrana de NF que remueve el 30% de sólidos disueltos y una proporción de recuperación del 70%. En modalidades de la invención, la recirculación del agua de alimentación al interior del recipiente asegura la mezcla apropiada y una concentración uniforme del agu de alimentación, no necesariamente como es definido por el afluente de TDS, sino como se indica por la proporción de recuperación deseada y la proporción de remoción de la membrana especificada.
Tabla 3
Parámetro (TDS en mg/litro)
En algunas modalidades, una segunda etapa puede ser agregada para obtener económicamente recuperaciones de membrana más altas y ayudar a mitigar el ensuciamiento. Esto puede funcionar al usar una membrana de NF relativamente holgada en la primera etapa. Tal membrana de NF podría remover el 30% de sólidos disueltos totales (TDS) . La tabla 4 a continuación muestra como un proceso de dos etapas puede funcionar, dado el mismo afluente de 1,000 mg/litro de TDS (I), una primera etapa 30 con el mismo 30% de membrana de NF de remoción y una segunda etapa 33 con una membrana de RO que remueve el 90% de TDS y tiene una proporción de recuperación del 65%. En este ejemplo, se obtiene una recuperación global del 90%. Mientras que tal alta recuperación en los sistemas de membrana convencionales puede conducir a incrustación, las modalidades de la presente invención evitan este problema por el espaciamiento de membrana de canal abierto y el uso de vibración para suspender partículas que pueden resultar de la precipitación de los sólidos disueltos concentrados. También, mientras que se podría considerar que las dos etapas requieren un costo de capital unitario más alto, este no es necesariamente el caso. Esto es debido a que el sistema de dos etapas puede funcionar con velocidades de flujo más altas que el sistema de una sola etapa. Las dos etapas no están procesando toda el agua, ya que solamente el concentrado de la primera etapa es introducido a la segunda etapa. Como tal, un solo recipiente en el asegunda etapa puede manejar el concentrado de tres recipientes dimensionados similarmente en la primera etapa.
Tabla 4
La discusión de los procesos de una sola etapa y de doble etapa resalta la selección de la membrana y los tipos de recuperación apropiados. Otros parámetros de importancia son la velocidad de recirculación y el régimen de vibración. La recirculación incrementa la velocidad del agua de alimentación que está asociada con un ensuciamiento más bajo.
El régimen de vibración puede mantener las membranas limpias. El tratamiento de agua de un lago de montaña podría no requerir mucha velocidad o vibración con el fin de mantener las membranas limpias, mientras que las aplicaciones de reutilización podrían requerir significativamente más de cada uno. En modalidades de la invención, la vibración puede ser de frecuencias, niveles de energía y duraciones variables. Una aplicación particular podría requerir vibración de baja frecuencia continua con dosis diarias o semanales de frecuencia o vibración más altas (es decir, vibración ultrasónica) para remover ciertas acumulaciones. Similarmente, el nivel de energía del régimen de vibración podría ser alterado para adaptarse a la aplicación. Estos parámetros pueden ser ajustados según la calidad de la fuente de agua y los objetivos de tratamiento deseados.
Una modalidad adicional del sistema aplica una presión negativa al lado del permeado del cartucho de membrana. Esta presión negativa puede proveer el diferencial de presión necesario para los sistemas a base de membrana de UF y puede proveer por lo menos parte de la diferencial de presión necesaria en sistemas de NF o RO.
Proceso de tratamiento de bajo ensuciamiento que utiliza partículas y/o pelotillas
Las figuras 47A-C son diagramas de método que ilustran varios procesos para el tratamiento de agua de, acuerdo con algunas modalidades. Como se muestra en la figura 47A, el proceso 800 para el tratamiento de agua de alimentación contaminada puede incluir suministrar partículas antiensuciamiento al agua de alimentación en la etapa 802." En algunas modalidades, las partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas al tanque de contención del agua de alimentación antes de que el agua de alimentación sea bombeada al recipiente a presión. En algunas modalidades, las partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas a un tanque mezclador o punto amplio en la línea entre el' tanque de contención y el recipiente a presión. En otras modalidades, las partículas antiensuciamiento pueden ser suministradas directamente al recipiente a presión. Las partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas al agua de alimentación antes de que comience el proceso de tratamiento. Las partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas ai agua de alimentación mientras que el sistema de tratamiento está en línea, durante el proceso de tratamiento. Las partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas al agua de alimentación intermitente o continuamente. En algunas modalidades, las partículas antiensuciamiento pueden se agregadas inicialmente a una velocidad más alta (para acumular la concentración en el recipiente a presión) y más tarde a una segunda velocidad (para mantener la concentración en el mismo recipiente a presión) . En algunas modalidades, las partículas antiensuciamiento pueden ser agregadas al agua de alimentación para tener una concentración suspendida de por ejemplo, entre 1 y 20 mg/litro, entre 1 y 50 mg/litro, entre 1 y 100 mg/litro, mayor de 50 mg/litro o mayor de 100 mg/litro de agua de alimentación en el recipiente.
En la etapa 804, el agua de alimentación y partículas antiensuciamiento pueden ser suministradas a un recipiente a presión. El recipiente a presión puede estar configurado de cualquier manera apropiada, por ejemplo, como se describe en la presente. El recipiente a presión puede incluir uno o más módulos de membrana dispuestos en el mismo, que pueden estar configurados de cualquier manera apropiada, por ejemplo como se describe en la presente. Los módulos de membrana pueden incluir una pluralidad de elementos de membrana. Los elementos de membrana pueden incluir membranas osmóticas (por ejemplo, membranas NF o RO) . Los elementos de membrana pueden tener una configuración en general plana y pueden estar separados espaciamente mediante cualquier distancia apropiada, por ejemplo, por mayor de 1 mm, mayor de 2 mm, mayor de 3 mm, mayor de 4 mm, mayor de 5 mm, mayor de 6 mm, mayor de 7 mm, mayor de 8 mm o la distancia de espaciamiento puede estar dentro de un intervalo definido por cualesquier dos de estos números. Por ejemplo, en algunas modalidades, el espaciamiento puede ser de entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 12 mm o entre aproximadamente 2 mm y aproximadamente 8 mm.
En - la etapa 806, el agua de alimentación y partículas antiensuciamiento se pueden hacer circular más allá de las membranas en el recipiente a presión. En estas y otras modalidades, el agua de alimentación se puede hacer circular a cualquier velocidad de flujo cruzado apropiada para generar flujo turbulento más allá' de las membranas. Por ejemplo, en algunas modalidades, el agua de alimentación se puede hacer circular a una velocidad de aproximadamente 0.3 metros (1 pie) por segundo a 0.6 metros (2 pies) por segundo, aunque también son posibles velocidades más lentas y más rápidas, dependiendo de la configuración particular. El agua de alimentación y partículas antiensuciamiento pueden ser dirigidos más allá de las membranas en un sistema de "un solo paso". Alternativamente, el agua de alimentación y partículas antiensuciamiento se pueden hacer recircular a través del recipiente, ya sea al devolver el agua de salida a la entrada del recipiente vía un conducto externo o al dirigir el flujo del agua de alimentación en direcciones diferentes a través de diferentes porciones del recipiente. En el proceso 800, la adición de partículas antiensuciamiento al agua de alimentación puede servir para inhibir o impedir que partículas contaminantes formen un recubrimiento no poroso (o de baja porosidad) sobre las superficies de membrana y así ensuciar las membranas.
Como se muestra en la figura 47B, un proceso 810 para el tratamiento de agua de alimentación contaminada puede incluir formar una capa antiensuciamiento sobre la superficie de una o más membranas en la etapa 812. En la etapa 814, el agua de alimentación se puede hacer circular más allá de las membranas en el recipiente a presión. En algunas modalidades, la capa antiensuciamiento puede comprender una pluralidad de partículas antiensuciamiento. En otras modalidades, la capa antiensuciamiento puede comprender una capa de material adsorbente. En algunas modalidades, la capa antiensuciamiento puede ser formada sobre las superficies de membrana antes de que los elementos de membrana sean instalados en el recipiente a presión. En. otras modalidades, la capa antiensuciamento puede ser integrada naturalmente durante el proceso de tratamiento al suministrar partículas antiensuciamiento al agua de alimentación en suspensión y permitir que se adhieran a y recubran las superficies de membrana. En el proceso 810, la adición de una capa antiensuciamiento a las superficies de membrana puede servir para inhibir o impedir que las partículas contaminantes formen un recubrimiento no poroso o impermeable al agua sobre las superficies de membrana y así ensucien las membranas.
Como se muestra en la figura 47C, un proceso para el tratamiento de agua de alimentación contaminada puede incluir suministrar pelotillas al agua de alimentación en la etapa 822. En la etapa 824, el agua de alimentación y pelotillas se pueden hacer circular más allá de las membranas en el recipiente a presión. En el proceso 820, la adición de las pelotillas puede servir para desalojar, cualesquier partículas contaminantes que se pueden haber asentado sobre o cerca de las superficies de las . membranas durante el proceso de tratamiento. Opcionalmente, el proceso 820 puede también incluir suministrar partículas antiensuciamiento al agua de alimentación y/o formar una capa antiensuciamiento sobre las superficies de membrana. En algunas modalidades, las pelotillas pueden ser agregadas a una concentración de 0.5% a 10% del volumen de alimentación en el recipiente, aunque también se pueden usar concentraciones más bajas o más altas. En algunas modalidades, las pelotillas pueden ser agregadas al recipiente en un solo lote y permanecer en el recipiente durante el tratamiento del agua de alimentación. En otras modalidades, las pelotillas pueden ser agregadas por lotes e intermitentemente durante el tratamiento o continuamente durante el tratamiento del agua de alimentación.
Tratamiento de agua de desperdicio
Los equipos de tratamiento de agua de desperdicio convencionales emplean comúnmente métodos de tratamiento primarios, tales como asentamiento y/o desnatado para remover sólidos suspendidos grandes (SS o TSS) . El tratamiento primario es comúnmente seguido por métodos de tratamiento secundarios que incorporan tratamiento biológico aeróbico, tales como filtros de goteo y lodo activado, para reducir los componentes orgánicos (tal como son medidos mediante la demanda de oxigeno biológico (BOD) ) y sólidos suspendidos totales para producir agua de desperdicio tratada de calidad apropiada para descarga a aguas receptoras. Los procesos de tratamiento secundarios pueden incluir bioreactores de membrana (MBR) , que emplean membranas de MF o UF sumergidas en un tanque de lodo activado para actuar como clarificador y reducir adicionalmente los sólidos suspendidos en tanto que se reduce la huella de planta.
El agua de desperdicio tratada de una calidad apropiada para reutilización (no potable o potable) es obtenida comúnmente al agregar sistemas de tratamiento convencionales sobre los trenes de tratamiento de agua de desperdicio convencionales. En este procedimiento "agregado", los proyectos de recuperación de agua reciben el efluente tratado secundario de los equipos de tratamiento de agua de desperdicio convencionales y tecnologías terciarias agregadas, tales como procesos de filtración de arena o membrana. Las membranas osmóticas (esto es, membranas de NF u RO) no son usadas en tratamiento de agua de desperdicio primario, secundario o terciario.
En algunas aplicaciones, en donde se requiere agua producto de calidad aún más alta, etapas de tratamiento avanzado son agregadas después de etapas secundarias o terciarias para remover las sales disueltas, componentes orgánicos y otros contaminantes potencialmente peligrosos. Tal tratamiento avanzado puede incluir por ejemplo, pretratamiento con membrana de MF o UF seguido por tratamiento de RO y desinfección.
La figura 23 es un diagrama de proceso que ilustra un régimen de tratamiento de agua de desperdicio convencional que incluye etapas de tratamiento primarias, secundarias, terciarias y avanzadas. Como se muestra en la figura, en una etapa de tratamiento primario, el agua dé desperdicio sin tratar pasa a través de un tamiz de barra y una cámara de granalla para la remoción burda de sólidos grandes y el efluente pasa a un clarificador primario. En una etapa de tratamiento secundaria, el efluente primario de la etapa de tratamiento primaria pasa a un proceso de lodo activado (esto es, un proceso biológico aeróbico), que puede ser seguido por un proceso de clarificación secundario. En una etapa de tratamiento terciaria, el efluente del tratamiento secundario se hace pasar a través de medios de filtracióno un filtro de disco. Esta etapa puede ser seguida por una etapa de desinfección. El efluente de las etapas secundaria o tercia.ria puede ser descargado de regreso al medio ambiente (por ejemplo, al océano o un rio) . Si se desea efluente de calidad más alta, por ejemplo como en aplicaciones de reutilización potables, el efluente secundario o terciario se puede hacer pasar a través de una o más etapas de tratamiento avanzado. Como se muestra en la figura, el tratamiento avanzado puede incluir pretratamiento de membrana (MF o UF) de baja presión inicial, tratamiento de RO subsecuente y desinfección de UV final.' La adición de tales sistemas de membrana utilizando tecnología convencional, sin embargo, agrega complejidad, mantenimiento y costo significativos a los sistemas de tratamiento de agua de desperdicio.
En modalidades de la invención, un sistema de membrana osmótica de bajo ensuciamiento puede estar configurado para tratar directamente el efluente primario de un sistema de tratamiento de agua de desperdicio primario, sin requerir tratamiento secundario o terciario del efluente primario antes de la exposición a las membranas osmóticas. El sistema de membrana osmótica de bajo ensuciamiento puede incluir un recipiente a presión con una pluralidad de elementos de membrana osmótica separados espaciadamente dispuestos al interior del recipiente. Cada uno de los elementos de membrana osmótica pueden tener una configuración sustancialmente plana. En algunas modalidades, los elementos de membrana osmótica pueden estar orientados verticalmente en el recipiente a presión. Los elementos de membrana adyacentes pueden estar separados espaciadamente entre si por una distancia suficiente para permitir que el efluente primario fluya libremente entre elementos de membrana adyacentes, sin un elemento separador continuo convencional que se extienda entre los elementos adyacentes y obstruya el flujo del efluente primario entre elementos de membrana adyacentes. En lugar de esto, el espaciamiento entre los elementos de membrana adyacentes puede ser mantenido mediante cualesquier medios apropiados, incluyendo por ejemplo, uno o más elementos de espaciamiento rígidos o flexibles dispuestos en sitios discretos y separados espaciadamente a lo largo de uno o más bordes o superficies de las membranas. Los bordes de los elementos de membrana son sellados (para mantener el aislamiento entre el lado del permeado y el lado del concentrado de los elementos de membrana) y así no forman parte de la superficie de membrana activa. Por consiguiente, en algunas modalidades, separadores de borde pueden ser dispuestos para no ponerse en contacto con la superficie de membrana activa. La distancia de espaciamiento entre los elementos de membrana adyacentes puede ser por ejemplo mayor de 1 mm, mayor de 2 mm, mayor de 3 mm, mayor de 4 mm, mayor de 5 mm, mayor de 6 mm, mayor de 7 mm, mayor de 8 mm o la distancia de espacimiento puede estar dentro de un intervalo definido por cualesquier dos de estos números. Por ejemplo, en algunas modalidades, el espaciamiento puede ser de entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 12 mm o entre aproximadamente 2 mm y aproximadamente 8 mm.
El recipiente a presión puede ser presurizado a un nivel apropiado para impulsar un proceso de filtración a través de las membranas osmóticas. Modalidades que incorporan membranas de nanofiltración, por ejemplo, se pueden poner en operación a una presión de entre aproximadamente 1.05 Kg/cm2 (15 libras/pulgada2) y aproximadamente 17.6 Kg/cm2 (250 libras/pulgada2); entre aproximadamente 1.4 Kg/cm2 (20 libras/pulgada2) y aproximadamente 8.4 Kg/cm2 (120 libras/pulgada2); entre aproximadamente 2.1 Kg/cm2 (30 libras/pulgada2) y aproximadamente 5.3 Kg/cm2 (75 libras/pulgada2) o a cualquier otra presión de operación apropiada. Un impulsor puede ser dispuesto al interior del recipiente a presión y configurado para generar el flujo del efluente primario (o agua de alimentación) más allá de las superficies de membrana, en una dirección en general paralela a la superficie de las membranas. El flujo del agua de alimentación en una dirección en general paralela a las superficies de membrana es en general denominado como "flujo cruzado". Las modalidades de la invención emplean una alta velocidad de flujo cruzado para mantener las partículas en suspensión y reducir el estrechamiento de las membranas. En algunas modalidades, la velocidad de flujo cruzado puede ser por ejemplo, de entre aproximadamente 0.15 metros (0.5 pies) y aproximadamente 3 metros (10.0 pies) por segundo o entre aproximadamente 0.6 metros (2.0 pies) y aproximadamente 1 metro (3.0 pies) por segundo. Mediante tal configuración, las membranas osmóticas pueden ser usadas para tratar el efluente primario sin pretratamiento adicional del efluente primario y sin requerir los procesos de retrolavado o limpieza química que son requeridos en los sistemas de filtración de extremo muerto convencionales.
Hay un espectro de membranas osmóticas, que varían de membranas NF "más holgadas" a las membranas de RO "más herméticas" que pueden ser usadas en algunas modalidades. En algunas modalidades, las membranas RO "más herméticas" pueden ser usadas para apuntar a ciertos constituyentes, tales como por ejemplo, iones monovalentes más pequeños. En algunas modalidades, membranas de nanofiltración más holgadas" pueden ser usadas para remover selectivamente altos porcentajes (por ejemplo, de aproximadamente 50% a 80% o más) de iones disueltos divalentes o multivalentes tales como orgánicos, dureza, pesticidas y metales pesados del efluente primario. Las membranas de NF "más holgadas" removerán un porcentaje relativamente más pequeño de iones monovalentes (por ejemplo, hasta aproximadamente 20%) , de tal manera que la proporción de iones multivalentes a iones monovalentes será significativamente más alta en el concentrado que en el permeado.
Los iones multivalentes que están en general presentes en el agua de desperdicio tienden a alcanzar la saturación y precipitarse en soluciones acuosas a una concentración relativamente baja (por ejemplo, aproximadamente 1,000 miligramos por litro (mg/L) a 5,000 mg/L, depediendo de los constituyentes específicos en el agua de desperdicio) . El punto de saturación para los iones monovalentes es comúnmente bastante mayor. Cuando la concentración de los iones multivalentes se aproxima a la saturación, los iones precipitarán de la solución y se convertirán en sólidos suspendidos en el agua de alimentación. En algunas modalidades, debido por lo menos en parte a la alta velocidad de flujo cruzado y el arreglo separado espacialmente de las membranas planas, los sólidos suspendidos solamente fluyen por las membranas sin anexarse a las membranas. También, cuando los sólidos son suspendidos, ya no imparten una fuerza osmótica. Asi, aunque el potencial osmótico del agua que comprende iones multivalentes se puede incrementar junto con la concentración de iones multivalentes, no se incrementará más allá del. punto de satüración. Asi, en modalidades que incorporan membranas de NF, el requerimiento de presión osmótica puede ser mantenido bajo a proporciones muy altas de recuperación, debido a que el requerimiento de presión osmótica es proporcional a la concentración de sólidos disueltos en sólidos no suspendidos. La concentración del ion monovalente puede ser mantenida a un mínimo a medida que las membranas de NF rechazan porcentajes relativamente más pequeños de iones monovalentes en comparación con iones multivalentes.
En algunas modalidades, las membranas de NF pueden también ser usadas para remover altos porcentajes de material orgánico (tal como son medidos por la demanda de oxígeno biológico (BOD) ) del efluente primario, sin la necesidad del lodo activado u otro tratamiento de proceso biológico aeróbico. En algunas aplicaciones sin embargo, aplicaciones de agua de desperdicio industrial, los contaminantes disueltos pueden no plantear un problema significativo. Así, en algunas modalidades, membranas de UF pueden ser empleadas en una configuración plana en un sistema de membrana de flujo cruzado de bajo ensuciamiento para remover sólidos y componentes biológicos solamente.
De acuerdo con una modalidad, un método de tratamiento de agua de desperdicio incluye tratar el agua de desperdicio para remover por lo menos algunos sólidos suspendidos más grandes y producir mediante esto un efluente primario y tratar directamente el efluente primario con un sistema de membrana osmótica de bajo ensuciamiento para remover por lo menos álgunos compuestos disueltos (orgánicos y/o inorgánicos), del efluente primario. Algunas modalidades emplean múltiples elementos de membrana osmótica tales como elementos de membranas . de NF, dispuestos al interior de un recipiente a presión en una configuración plana y abierta para producir un efluente de alta calidad a partir del agua de alimentación del efluente primario. En algunas modalidades, el agua de alimentación se puede hacer circular más allá de las superficies de membrana plana (en una dirección en general paralela a las superficies de membrana) , por ejemplo, utilizando un impulsor dispuesto al interior del recipiente a presión o una bomba dispuesta al exterior del recipiente a presión, para reducir el ensuciamiento de membranas asociado comúnmente con el tratamiento de membrana. En algunas modalidades, el concentrado del sistema osmótico de bajo ensuciamiento puede ser suministrado a un proceso de tratamiento secundario, tal como un proceso de lodo activado y clarificación para remover los sólidos que pueden haber precipitado en la solución en el concentrado. En algunas de tales modalidades, el efluente secundario (del proceso de tratamiento secundario) puede ser suministrado a un segundo sistema osmótico de bajo ensuciamiento, para obtener una recuperación total más alta.
En modalidades pueden ser usadas' para producir un efluente de relativamente alta calidad apropiado para aplicaciones de reutilización, sin requerir múltiples sistemas de tratamiento adicionales. Algunas modalidades pueden estar configuradas para proveer un permeado de calidad mejor que es provisto por procesos terciarios convencionales, con menos equipo y con un número reducido de etapas de proceso. Las modalidades pueden también ser usadas para producir un agua de alimentación de alta calidad para el tratamiento subsecuente en un sistema de RO convencional. En aguas de alimentación de alta calidad producida con un sistema osmótico de bajo ensuciamiento de. acuerdo con las modalidades puede servir para reducir el nivel de ensuciamiento inorgánico y orgánico que normalmente se presenta en el sistema de RO convencional, permitiendo una operación más uniforme, más eficiente de la etapa de RO aún en ausencia del tratamiento secundario o terciario convencional o procesos de pretratamiento de membrana de baja presión. Las modalidades pueden permitir una expansión efectiva en el costo y eficiente de plantas de tratamiento de aguas de desperdicio existentes mientras que se mejora la calidad del agua efluente en una huella más compacta que los sistemas convencionales.
La FIGURA 24 es un diagrama de proceso que ilustra un método de tratamiento de agua de desperdicio de acuerdo cón una modalidad. Como se muestra en la figura, el agua de desperdicio cruda se puede hacer pasar a través de un proceso de tamiz de barra/remoción de granalla y luego sometida a un proceso de clarificación primario para la remoción de por lo menos algo de sólidos suspendidos. El proceso de clarificación primario produce lodo y una corriente efluente primaria que tiene un nivel reducido de sólidos suspendidos. El efluente primario es suministrado directamente a un sistema osmótico de bajo ensuciamiento, tal como un sistema de nanofiltración de bajo ensuciamiento, como se describe en la presente. El sistema osmótico de bajo ensuciamiento está configurado para producir una corriente de permeado que tiene niveles reducidos de constituyentes disueltos, sólidos suspendidos totales y BOD, también como una corriente de desperdicio o concentrado. La corriente de concentrado puede ser disuelta junto con el lodo producido por la remoción de granalla y etapas de clarificación primaria. En algunas modalidades, como se ilustra en la FIGURA 24, la corriente del concentrado puede ser devuelta al proceso de clarificación primario. En algunas modalidades, la corriente del concentrado puede ser sometida a procesos adicionales, por ejemplo, para remover sólidos que pueden haber precipitado de la solución en el sistema osmótico. Por ejemplo, estos sólidos pueden ser removidos mediante un proceso de lodo activado y sedimentación secundario o mediante un sistema centrifugo de hidrociclón. En algunas modalidades, la remoción de por lo menos los sólidos suspendidos más grandes (y/o más densos) de la corriente de agua de desperdicio cruda (antes del agotamiento de la corriente al sistema osmótico de bajo ensuciamiento) puede reducir o impedir el rayado u otros daños a las membranas osmóticas en el sistema osmótico y puede también reducir el riesgo de .taponar canales y/o válvulas en el sistema osmótico. En algunas modalidades, el. uso de un clarificador primario para remover sólidos puede proveer un beneficio agregado de almacenamiento del agua de desperdicio cruda, para igualar varianzas diurnas y varianzas relacionadas con T1 tiempo en el flujo .
En algunas modalidades, el sistema osmótico de bajo ensuciamiento puede estar configurado para operar a una proporción de recuperación relativamente baja (por ejemplo y sin limitación, entre aproximadamente 30% y aproximadamente 80%, con algunas modalidades configuradas para operar a una proporción de recuperación de aproximadamente 65%) . En algunas modalidades, la recuperación total (el volumen de agua limpia producida como un porcentaje del volumen de agua cruda suministrada) de todo el proceso de tratamiento puede variar de 30 a 90%, aunque proporciones de recuperación más bajas o más altas son posibles. Por ejemplo, en algunas modalidades, sistemas de membrana de NF de bajo ensuciamiento adicionales o sistemas de tratamiento secundarios o terciarios pueden ser agregados después de un sistema osmótico de bajo ensuciamiento para incrementar la recuperación total de todo el sistema.
Modalidades tales como el ilustrado .en la FIGURA 24, pueden ser usados por ejemplo en plantas de tratamiento de aguas de desperdicio de fin de linea, en los cuales sustancialmente todo el flujo del agua de desperdicio cruda (por ejemplo, flujo de aguas cloacales) es tratado y el efluente final es descargado directamente al medio ambiente (por ejemplo, un rio o el océano) también como en plantas de agua de desperdicio o de "desnatado" distribuido, en los cuales solo una porción del flujo de agua de desperdicio cruda (por ejemplo 30% a 60% del flujo total) es removido de la corriente de agua de desperdicio y tratada, con el agua de desperdicio concentrada resultante siendo descargada de regreso a la corriente de agua de desperdicio (por ejemplo, flujo de aguas cloacales) . Las modalidades pueden ser usadas para tomar ventaja en plantas de desnatado para reducir el volumen de flujo en aguas cloacales y también para reducir el volumen de flujo a plantas de tratamiento de extremo de lineas subsecuentes. Además, los sistemas osmóticos de bajo ensuciamiento que emplean membranas de nano filtración pueden ser usados como · una planta de desnatado para producir un efluente más limpio que las plantas de desnatado convencionales incrementado el numero de usos posibles para el efluente. En algunas modalidades, el efluente de las plantas de desnatado distribuidas que comprende un sistema osmótico de bajo ensuciamiento pueden proveer un suministro de agua distribuido para irrigación y usos industriales, sin la necesidad de construir tuberías largas desde una planta central o planta de extremo de línea. La simplicidad del proceso de modalidades permite poco o a ningunos requerimientos operacionales y poco o ningún mantenimiento de tales sistemas.
Las FIGURAS 25A-D son diagramas de proceso que ilustran varios métodos de agua de desperdicio de acuerdo con varias modalidades. Como se muestra en la FIGURA 25A en algunas modalidades, el concentrado de un sistema de nano filtración de bajo ensuciamiento puede ser transferido a un sistema de tratamiento secundario convencional (y opcionalmente un terciario) para disminuir los requerimientos de volumen para los sistemas secundarios (y opcionalmente terciarios) . Tal modalidad puede ser usada para tomar ventaja por ejemplo en actualizar a una planta de tratamiento de agua de desperdicio existente. Al agregar un sistema de NF de bajo ensuciamiento a una planta existente, la capacidad de la planta existente puede ser incrementada. Por ejemplo, la adición de un sistema de NF de bajo ensuciamiento a una planta existente de acuerdo con una modalidad (después del tratamiento primario pero antes de cualesquier proceso subsecuente en la planta existente), que opera a una proporción de recuperación del 50%, duplicaría aproximadamente la capacidad de los procesos subsecuentes. Puesto que solamente el concentrado de NF seria enviado a los procesos subsecuentes, la presencia del sistema de NF llevarla aproximadamente a la mitad del volumen de agua de alimentación suministrada a los procesos subsecuentes.
Como se muestra en la FIGURA 25B, en algunas modalidades, el concentrado de un primer sistema de NF de bajo ensuciamiento puede ser transferido a un sistema de tratamiento secundario más pequeño, que puede incluir un proceso de lodo activado. El efluente secundario del sistema de tratamiento secundario puede ser suministrado a un segundo sistema de NF de bajo ensuciamiento. El concentrado del segundo sistema de NF de bajo ensuciamiento puede ser reciclado de regreso al proceso de tratamiento secundario (por ejemplo, a la etapa de proceso de lodo activado) . Tal modalidad puede ser configurada para maximizar la recuperación global de todo el sistema de tratamiento-esto es, minimizar el volumen de descarga en relación con la cantidad de efluente utilizable producido. En algunas modalidades, esencialmente el único liquido descargado es el liquido descargado con el deshecho del lodo. Tal sistema puede ser denominado como un proceso de descarga de "cero liquido" .
La FIGURA 25C ilustra una modalidad adicional en la cual el efluente secundario del proceso de tratamiento secundario (y opcionalmente terciario) es devuelto a la corriente efluente primaria (u opcionalmente devuelto directamente al primer sistema de NF de bajo ensuciamiento) . Tal modalidad puede ser usada para tomar ventaja por ejemplo como una actualización recreativa a una planta de tratamiento de agua de desperdicio convencional que podría se espacio restringido y no tener espacio para múltiples sistemas de NF de bajo ensuciamiento.
La FIGURA 25D ilustra una modalidad adicional en la cual la corriente del concentrado de un primer sistema de NF de bajo ensuciamiento es transferida directamente a un segundo sistema de NF de bajo ensuciamiento más pequeño, que se puede poner en operación a una presión ligeramente más alta que el primer sistema de NF de bajo ensuciamiento (ya que algunos monovalentes serán retenidos en el concentrado del primer sistema de NF de bajo ensuciamiento). Mediante tal configuración, la recuperación global del sistema puede ser incrementada sin someter a toda la corriente a la presión osmótica más alta. En algunas modalidades, los componentes biológicos pueden ser removidos apropiadamente con el concentrado de los sistemas de NF de bajo ensuciamiento (y/o con el lodo del proceso de calificación primario) , eliminando la necesidad de un tanque de lodo activado.
La FIGURA 26 es un diagrama de proceso que ilustra otro método de tratamiento de agua de desperdicio de acuerdo con una modalidad adicional en la cual el tratamiento primario toma una forma diferente que la ilustrada en las figuras previas. Como se muestra en la FIGURA 26, el agua de desperdicio cruda es suministrada a una bomba de macerador y un hidrociclon o tamiz automatizado (o alguna combinación de los dos) para remover por lo menos algo de los sólidos suspendidos del agua del desperdicio. El efluente primario del hidrociclón/tamiz es suministrado a- un sistema de nano filtración de bajo ensuciamiento. El concentrado del sistema de nano filtración de bajo ensuciamiento puede ser encausado a un tubo de alineación para impedir condiciones aeróbicas y luego a un segundo h-idrociclon o tamiz. El uso de un segundo hidrociclon/tamiz puede servir para remover partículas pequeñas y precipitadas del concentrado en el sistema de nano filtración de bajo ensuciamiento. El efluente del segundo hidrociclon puede ser devuelto a una etapa prematura del flujo del proceso (por ejemplo, al primer hidrociclon) para mejorar la eficiencia global del sistema.
Las modalidades de la presente invención pueden tener proporciones de recuperación variables. La recuperación de un proceso de membrana de flujo cruzado puede ser definida como la proporción del volumen de efluente deseado (por ejemplo, permeado) al volumen afluente, expresado como porciento. La recuperación de un sistema dado puede depender de factores tales como el nivel de materia disuelta y la demanda de oxigeno biológico (BOD) en el afluente. En general, mientras más bajo es el nivel de sólidos disueltos (especialmente de iones bivalentes o multivalentes ) en el afluente, más alta es la recuperación de un sistema osmótico de bajo ensuciamiento. En el punto de saturación, la materia disuelta puede precipitar de la solución en el agua de alimentación (o concentrado) y asentarse, por ejemplo como lodo en un proceso de tratamiento secundario de seguimiento o hidrociclon. En algunas modalidades que emplean dos sistemas de nano filtración de bajo ensuciamiento, el concentrado del primer sistema, que puede tener una concentraciones de iones bivalentes y multivalentes muy cercana a la saturación, puede ser suministrado al segundo sistema. En tal modalidad, la segunda etapa de recuperación puede ser establecida en base a consideraciones económicas relacionadas con la presión y viscosidad del agua de alimentación (esto es, el concentrado del primer sistema) .
En algunas modalidades, además de la concentración de membrana separada espaciadamente plana y la alta velocidad de flujo cruzado generada en el agua de alimentación, un sistema de depuración por aire puede ser empleado para agitar adicionalmente la membrana e impedir que las partículas se asienten. Un sistema de depuración por aire puede también servir para impedir que el agua de alimentación se vuelva anaeróbica. La adición de un sistema de depuración de aire puede ser ventajoso para corrientes de agua de desperdicio más desafiantes. Otros sistemas de limpieza en tiempo real, tales como flujo pulsado, liberación ultrasónica y sónica o lavado pueden ser empleados para limitar los requerimientos de limpieza y para prolongar el tiempo de operación operacional entre el mantenimiento.
Todas las referencias citadas en la presente son incorporadas en la presente por referencia en su totalidad. A la extensión que las publicaciones y patentes y solicitudes de patentes incorporadas por referencia contradicen la revelación contenida en la especificación, se pretende que la especificación domine y/o tome precedencia con respecto a cualquiera de tales materiales contradictorios.
A no ser que sean definidos de otra manera, todos los términos (incluyendo términos técnicos y científicos) tendrán su significado ordinario y acostumbrado para la persona de habilidad ordinaria en el arte y no estarán limitados a un significado especial o confeccionado a no ser que sea definido expresamente en la presente.
Los términos y frases usados en esta solicitud y variaciones de . los mismos, especialmente en las reivindicaciones adjuntas, a no ser que sean afirmados expresamente de otra manera, deben ser interpretados como de extremos abiertos en contraposición con limitantes. Como ejemplos de lo anterior, el termino "que incluye" debe ser interpretado para dar a entender "incluyendo, sin limitación, incluyendo pero no limitado a" o los semejantes; el termino "que comprende" como se usa en la presente, es sinónimo con "que incluye", "que contiene" o "caracterizado por" y es inclusivo o de extremos abiertos y no excluye elementos o etapas de método adicionales no citados; el termino "que tiene" debe ser interpretado como "que tiene por lo menos"; el termino "incluye" debe ser interpretado como "incluye pero no esta limitado a"; el termino "ejemplo" es usado para proveer instancias ejemplares del ítem en discusión, no una lista exhaustiva o limitante del mismo; adjetivos tales como "conocido", "normal", "estándar" y términos de significado similar no deben ser interpretados como limitantes del ítem descrito a un periodo de tiempo dado o a un item disponible como de un tiempo dado, sino que en lugar de esto debe ser interpretado que abarca tecnologías conocidas, normales o estándar que pueden estar disponibles o conocidas ahora o en cualquier tiempo en el futuro y el uso de términos como "preferiblemente", "preferido", "deseado" o "deseable" y palabras de significado similar no se debe entender que implican que ciertos elementos son críticos, esenciales o aun importantes a la estructura o función de la invención, sino solamente como se pretende para destacar elementos alternativos o adicionales que pueden o no pueden ser utilizados en una modalidad particular de la invención. Así mismo, un grupo de ítems enlazados con conjunción "y" no se debe interpretar que requieren que cada uno de aquellos ítems están presentes en el agrupamiento, sino que más bien se debe interpretar como "y/o" a no ser que sea afirmado de otra manera. Similarmente, un grupo de ítems enlazados con la conjunción "o" no se debe interpretar que requieren exclusividad mutua entre aquel grupo, sino que más bien debe ser interpretado como "y/o" a no ser que se afirme de otra manera expresamente.
Con respecto al uso de sustancialmente cualesquier términos plurales y/o similares en la presente, aquellos de habilidad en el arte pueden traducir del plural al singular y/o del singular al plural como sea apropiado al contexto y/o aplicación. Las varias permutaciones singulares/plurales pueden ser resumidas expresamente en la presente por propósito de claridad.
Se debe entender además por aquellos de habilidad en el arte que si un numero especifico de una cita de reivindicación introducida se pretende, al intento será citado explícitamente en la reivindicación y en ausencia de tal cita no se pretende que tal intento este presente. Por ejemplo como una ayuda para el entendimiento, la siguientes reivindicaciones adjuntas pueden contener el uso de frases introductorias "por lo menos uno" y "uno o más" para introducir* citas de reivindicaciones. Sin embargo, el uso de tales frases no se debe interpretar que implique que la introducción de una cita de reivindicación por los artículos indefinidos "un" o "uno" limita cualquier reivindicación particular que contiene tal cita de reivindicación introducida a modalidades que contienen solo una de tales citas, aun cuando la misma reivindicación incluye las frases introductorias "uno o más" o "por lo menos uno" y artículos indefinidos tales como "un" o "uno" (por ejemplo, "uno" y/o "un" deben ser interpretados comúnmente para dar a entender "por lo menos uno", "uno o más") ; lo mismo se mantiene cierto para el uso de artículos definidos usados para introducir citas de reivindicaciones. Además, aun si un numero especifico de una cita de reivindicación introducida es citada explícitamente, aquellos experimentados en el arte reconocerán que tal cita: debe ser interpretada comúnmente para dar a entender por lo menos el numero citado (por ejemplo, la cita descubierta de "dos citas", sin otros modificadores, significa comúnmente por lo menos dos citas o dos o más citas) . Además, en aquellas instancias en donde una convención análoga a "por lo menos uno de A, B y C, etc." es usada, en general, se pretende que tal construcción en el sentido de aquel que tienen habilidad en el arte entendería la convención (por ejemplo, "un sistema que tiene por lo menos uno de A, B y C" incluiría pero no estaría limitado a sistemas que tienen A solo, B solo, C solo, A y B conjuntamente, A y C conjuntamente, B y C conjuntamente ylo A, B y C conjuntamente, etc.) . En aquellas instancias en donde un análogo de convención a "por lo menos uno de A, B o C, etc." es usado en general tal construcción es pretendida en el sentido de aquel que tienen habilidad en el arte entendería la convención (por ejemplo, "un sistema que tiene por lo menos uno de A, B o C" incluiría pero no estaría limitado a sistemas que tienen A solo, B solo, C solo, A y B conjuntamente, A y C conjuntamente, B y C conjuntamente y/o A, B y C con untamente, etc.) . Se comprenderá además, por aquellos de habilidad en el arte que virtualmente cualquier palabra y/o frase disyuntiva representa dos o más términos alternativos, ya sea en la descripción, reivindicaciones o figuras se debe entender que contempla las posibilidades de incluir uno de los términos ya se uno u otro de los términos o ambos términos. Por ejemplo, la frase "A o B" se entenderá que incluye las posibilidades de "A" o "B" o "A y B".
Todos los números que expresan cantidades de ingredientes, condiciones de reaccionen y así sucesivamente usados en la especificación se comprenderá que están modificados en todas las instancias por el termino "aproximadamente". Así, a no ser que se indique lo contrario, los parámetros médicos referidos en la presente son aproximaciones que pueden variar dependiendo de las propiedades deseadas que se busca obtener. Por ultimo y no como intento de limitar la aplicación, de la doctrina de equivalentes al alcance de cualquier reivindicaciones en cualquier solicitud que reclama prioridad en la presente solicitud, cada parámetro numérico debe ser interpretado a la luz del número de dígitos significativos y procedimientos de redondeo ordinarios.
Además, aunque lo anterior ha- sido descrito en algún detalle como ilustraciones y ejemplos por propósitos de claridad y entendimiento, será evidente para aquellos experimentados en el arte que ciertos cambios y modificaciones se pueden llevar a la práctica. Por consiguiente, la descripción y ejemplos no deben ser interpretados como limitantes del alcance de la invención a las modalidades y ejemplos específicos descritos en la presente, sino más bien para cubrir también todas las modificaciones y alternativas que entren al verdadero alcance y espíritu de la invención.
Claims (129)
1. Un método de tratamiento de un liquido que contiene ensuciantes de membrana, el método esta caracterizado porque comprende : agregar partículas antiensuciamiento al líquido, las partículas antiensuciamiento tienen un área superficial especifica de 10 m2/g o más; suministrar el líquido a un recipiente a presión, el recipiente a presión tiene una entrada, una salida del permeado y una pluralidad de elementos de membrana osmóticos dispuestos dentro del recipiente a presión; aplicar una diferencial de presión a través de los elementos de membrana osmótica; hacer circular el líquido y las partículas antiensuciamiento más allá de los elementos de membrana osmótica en el recipiente a presión y{ recolectar el permeado de la salida del permeado.
2. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento están configuradas para absorber por lo menos algo de los ensuciantes de membrana mientras que permiten el paso del permeado a través de los elementos de membrana.
3. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento están configuradas para absorber ensuciantes de membrana que comprenden partículas suspendidas y/o disueltas.
4. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque por lo menos uno de los elementos de membrana osmótica comprende una membrana de osmosis inversa.
5. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque por lo menos uno de los elementos de membrana osmótica comprende una membrana de nano filtración.
6. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque el líquido se hace circular a una velocidad de flujo cruzado de entre 0.15 m por segundo (0.5 pies por segundo) y 3 m por segundo (10 pies por segundo) .
7. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque el líquido se hace circular a una velocidad de flujo cruzado de entre 0.30 metros por segundo (1 pie por segundo) y 0.6 metros por segundo (2 pies por segundo) .
8. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque el recipiente a presión es presurizado a una presión de operación de 1 kg/cm2 (15 libras/pulgada cuadrada) a 17.6 kg/Cm2 (250 übras/pulgada cuadrada) .
9. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento tienen un área superficial especifica de 30 m2/g o más.
10. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento tienen un área superficial especifica de 300 m2/g o más.
11. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento tienen una dimensión mayor mínima de 0.5 mieras o más.
12. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento tienen una dimensión mayor mínima de 1.0 mieras o más.
13. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento están configuradas para absorber ensuciantes de membrana que tienen un diámetro de 1 miera o menos.
14. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento comprenden tierra diatomácea .
15. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento comprenden carbón activado.
16. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento son agregadas a líquido durante el tratamiento.
17. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento son agregadas al líquido continuamente durante el tratamiento.
18. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento son agregadas para tener una concentración de entre 1 y 20 mg/1 de liquido en el recipiente a presión.
19. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque el liquido es efluente primario de un proceso de tratamiento primario de agua de desperdicio.
20. El método de la reivindicación 19, caracterizado porque el efluente primario es suministrado al recipiente a presión del proceso de tratamiento primario de agua de desperdicio sin ningún proceso de tratamiento biológico intermedio.
21. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además agregar pelotillas al recipiente a presión.
22. El método de la reivindicación 21, caracterizado porque las pelotillas están configuradas para desalojar por lo menos algo de los ensuciantes de membrana y/o por lo menos algo de las partículas antiensuciamiento de los elementos de membrana osmóticos a medida que las pelotillas circulan en el recipiente a presión.
23. El método de la reivindicación 21, ¦ caracterizado porque las pelotillas tienen una forma cilindrica.
24. El método de la reivindicación 21, caracterizado porque las pelotillas tienen una forma oblonga.
25. El método de la reivindicación 21, caracterizado porque las pelotillas tienen una dimensión mayor máxima de entre 0.1 mm y 2.0 mm.
26. El método de la reivindicación 21, caracterizado porque el elemento de membrana osmótico esta separado espaciadamente de un elemento de membrana osmótico inmediatamente adyacente por un espaciamiento de aproximadamente .2 mm a. aproximadamente 8 mm y en donde las pelotillas tienen una dimensión mayor máxima que es menor o igual a la mitad del espaciamiento.
27. El método de la reivindicación 21, caracterizado porque las pelotillas son agregadas para tener una concentración de entre aproximadamente 0.5% y aproximadamente 10% del volumen de líquido en el recipiente a presión.
28. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque el recipiente comprende además una salida del concentrado.
29. Un sistema para tratamiento de un líquido que comprende ensuciantes de membrana, el sistema esta caracterizado porque comprende: un recipiente a presión configurado para contener un volumen de líquido y que tiene una entrada y una salida del permeado; una pluralidad de elementos de membrana osmóticos dispuestos dentro del recipiente a presión; un circulador configurado para hacer circular el líquido en el recipiente en una dirección en general paralela a las superficies activas de los elementos de membrana y un aparato antiensuciamiento configurado para administrar un suministro de partículas antiensuciamiento al líquido, las partículas antiensuciamiento tienen un área superficial especifica de 10 m2/g o más.
30. El método de la reivindicación 29, caracterizado porque el aparato antiensuciamiento esta configurado para administrar a partículas antiensuciamiento a una velocidad controlada.
31. El método de la reivindicación 29, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento tienen un área superficial especifica de 30 m2/g o más.
32. El sistema de la reivindicación 29, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento tienen un área superficial especifica de 500 m2/g o más.
33. El sistema' de la reivindicación 29, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento tienen una dimensión de 0.5 mieras o más.
34. El sistema de la reivindicación 29, caracterizado porque las sistema antiensuciamiento tiene una dimensión mayor de 1.0 mieras o más.
35. El sistema de la reivindicación 29, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento están configuradas para absorber ensuciantes de membrana que tienen un diámetro de una miera o menor.
36. El sistema de la reivindicación 29, caracterizado porque las partículas antiensuciamiento comprenden tierra diatomácea.
37. El sistema de la reivindicación 29, caracterizado porque las partículas sistema comprenden carbón activado.
38. El sistema de la reivindicación 29, caracterizado porque cada elemento de membrana esta separado espaciadamente de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por entre aproximadamente 2 mm y aproximadamente 8 mm.
39. El sistema de la reivindicación 29, caracterizado porque cada elemento de membrana esta separado espaciadamente de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por al menos 3 mm.
40. El sistema de la reivindicación 29, caracterizado porque comprende además un suministro de pelotillas configuradas para inhibir la acumulación de ensuciantes de membrana sobre los elementos de membrana.
41. El sistema de la reivindicación 40, caracterizado porque el volumen de las pelotillas es de entre aproximadamente 0.5% y aproximadamente 10% del volumen del líquido .
42. El sistema de la reivindicación 40, caracterizado porque las pelotillas tienen una densidad mayor de aproximadamente 1.0 g/ml.
43. El sistema de la reivindicación 40, caracterizado porque las pelotillas tienen una forma no esférica.
44. El sistema de la reivindicación 40, caracterizado porque cada elemento de membrana esta separado espaciadamente de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por un espaciamiento de entre aproximadamente 2 mm y aproximadamente 8 mm y las pelotillas tienen una dimensión mayor que es menor o igual a aproximadamente la mitad del espaciamiento.
45. Un sistema para tratamiento de liquido que comprende ensuciantes de membrana, el sistema esta caracterizado porque comprende : medios para contener el liquido; medios para presurizar el liquido en los medios de contención; medios para separar el liquido en un componente de permeado y un componente de retenido por lo menos cuando el liquido esta suficientemente presurizado, el componente de permeado contiene una concentración de más baja de constituyentes disueltos que el componente del retenido; medios para hacer circular el liquido más allá de los medios de separación y medios para inhibir la acumulación de ensuciantes de membranas sobre los medios de separación.
46. El sistema de la reivindicación 45, caracterizado porque los medios de inhibición comprenden partículas antiensuciamiento suspendidas en el líquido.
47. El sistema de la reivindicación 45, caracterizado porque los medios de inhibición comprenden pelotillas suspendidas en el liquido.
48. Un método de tratamiento de agua de desperdicio municipal o industrial .que comprende sólidos suspendidos y disueltos, el método esta caracterizado porque comprende: suspender el agua de desperdicio a un proceso de tratamiento primario para remover por lo menos algo de los sólidos suspendidos y producir un efluente primario que comprende componentes inorgánicos y orgánicos disueltos; someter el efluente primario a un proceso de tratamiento osmótico para remover por lo menos algunos constituyentes biológicos, por lo menos algunos constituyentes en partículas y por lo menos algunos constituyentes disueltos del efluente primario para producir un permeado de suficiente calidad para por lo menos estándares de calidad de agua potable indirectos para aplicaciones de reutilización, el proceso de tratamiento osmótico comprende: suministrar el efluente primario a un recipiente a presión, el recipiente a presión tiene una pluralidad de elementos de membrana osmóticos dispuestos al interior del recipiente a presión, cada elemento de membrana tiene una configuración sustancialmente plana, cada elemento de membrana separado espaciadamente de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por al menos 1 mm, cada elemento de membrana tiene un lado de agua de alimentación y un lado del permeado; exponer el lado del agua de alimentación a una presión del recipiente suficiente para impulsar un proceso de filtración a través de los elementos de membrana osmóticos desde el lado del agua de alimentación al lado del permeado y generar un flujo cruzado del agua de alimentación en el recipiente a presión en una dirección en general paralela a la configuración plana de los elementos de membrana.
49. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque el efluente primario es sometido . al proceso de tratamiento osmótico sin ningún proceso biológico intermedio.
50. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque el someter el efluente primario al proceso de tratamiento osmótico remueve sustancialmente todos los constituyentes biológicos y partículas del efluente primario.
51. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque el someter el efluente primario al proceso de tratamiento osmótico remueve por lo menos 10% de constituyentes disueltas monovalentes del efluente primario.
52. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque el someter el efluente primario al proceso de tratamiento osmótico remueve por lo menos el 30% de los constituyentes disueltos monovalentes del efluente primario.
53. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque el someter el efluente primario al proceso de tratamiento osmótico remueve por lo menos el 60% de los constituyentes disueltos monovalentes del efluente primario.
54. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque el efluente primario al proceso de tratamiento osmótico remueve por lo menos el 80% de los constituyentes disueltos multivalentes del efluente primario.
55. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque la velocidad de flujo cruzado del agua de alimentación en el recipiente a presión es de entre aproximadamente 0.15 metros por segundo (0.5 pies por segundo) y aproximadamente 3 metros por segundo (10.0 pies por segundo) .
56. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque la velocidad de flujo cruzado del agua de alimentación en el recipiente a presión es de entre aproximadamente 2.0 metros por segundo (0.6 pies por segundo) y aproximadamente 0.9 metros por segundo (10.0 pies por segundo).
57. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque la presión del recipiente es de entre aproximadamente 2 kg/cm2 (30 libras/pulgada cuadrada) y aproximadamente 5.3 kg/cm2 (75 libras/pulgada cuadrada) .
58. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque el proceso de tratamiento osmótico se pone en operación a una proporción de recuperación de entre aproximadamente 20% y 95%.
59. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque el proceso de tratamiento osmótico se ponen en operación a una proporción de recuperación de entre aproximadamente 30% y 80%.
60. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque los elementos de membrana se extienden en una dirección en general vertical.
61. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque los elementos de membrana están separados espaciadamente de un elemento de membrana inmediatamente adyacente sin la presencia de un separador de agua de alimentación convencional dispuesto entre los elementos.
62. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque cada elemento de membrana esta separado espaciadamente de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por entre 1 mm y entre aproximadamente 12 mm.
63. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque cada elemento de membrana esta separado espaciadamente de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por aproximadamente 3 mm.
64. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque cada uno de los elementos de membrana osmóticos comprenden dos membranas osmóticas separadas espaciadamente por un separador del permeado.
65. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque los elementos de membrana osmóticos comprenden membranas de nano filtración.
66. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque los elementos de membrana osmóticos comprenden membranas de osmosis inversa.
67. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque la generación del flujo cruzado comprende hacer girar un impulsor dispuesto al interior del recipiente a presión.
68. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque comprende además hacer circular el agua de alimentación en el recipiente a presión para crear por lo menos flujo bidireccional en el recipiente a presión.
69. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque el recipiente a presión comprende además un deflector configurado para dirigir el flujo del agua de alimentación que circula en el recipiente a presión.
70. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque comprende además proporcionar vibración ultrasónica al agua de alimentación al interior del recipiente a presión.
71. El método de la reivindicación 70, caracterizado porque la vibración ultrasónica es administrada continuamente .
72. la vibración ultrasónica es administrada continuamente la vibración ultrasónica es administrada intermitentemente.
73. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque comprende además administrar vibración sónica al agua de alimentación al interior del recipiente a presión.
74. El método de la reivindicación 73, caracterizado porque la vibración sónica es administrada continuamente.
75. El método de la reivindicación 73, caracterizado porque la vibración sónica es administrada intermitentemente.
76. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque comprende además suministrar el. permeado de tratamiento de seguimiento.
77. El método de la reivindicación 76, caracterizado porque el proceso de tratamiento de seguimiento comprende un proceso de membrana osmótica.
78. El método de la reivindicación 70, caracterizado porque comprende además recolectar el permeado al exterior del recipiente a presión.
79. El método de la reivindicación 48, caracterizado porque comprende además suministrar el concentrado del proceso de tratamiento osmótico a un proceso de tratamiento de seguimiento para producir un efluente secundario.
80. El método de la reivindicación 79, caracterizado porque el proceso de tratamiento de seguimiento incluye un proceso de lodo activado y un proceso de clarificación o proceso de bioreactor de membrana secundario.
81. El método de la reivindicación 79, caracterizado porque comprende además suministrar el efluente secundario a un segundo proceso de tratamiento osmótico.
82. El método de la reivindicación 81, caracterizado porque el segundo proceso de tratamiento osmótico comprende: suministrar el efluente secundario a un segundo recipiente a presión, el segundo recipiente a presión tiene una segunda pluralidad de elementos de membrana osmótica dispuestos al interior del segundo recipiente a presión, cada elemento de membrana tiene una configuración sustancialmente plana, cada elemento de membrana separado espaciadamente de un elemento de membrana inmediatamente adyacente por lo menos 1 mm, cada elemento de membrana tiene un lado del agua de alimentación y un lado del permeado; exponer el lado del agua de alimentación a una presión del recipiente suficiente para impulsar un proceso de filtración a través de los elementos de membrana osmóticas desde el lado del agua de alimentación al lado del permeado y generar el flujo cruzado del agua de alimentación en el recipiente a presión en una dirección en general paralela a la configuración plana, de los elementos de membrana
83. El método de la reivindicación 82, caracterizado porque comprende además suministrar el concentrado del segundo proceso de tratamiento osmótico al proceso de tratamiento de seguimiento.
84. Un sistema para separar contaminantes del agua de alimentación, el sistema esta caracterizado porque comprende: un recipiente a presión para contener el agua de alimentación a ser tratada, el recipiente a presión tiene una región ocupada y por lo menos uná región abierta; una pluralidad de elementos de membrana separados espaciadamente dispuestos al interior del recipiente a presión en la región ocupada, cada elemento de membrana tiene un lado del agua de alimentación y un lado del permeado, el lado del permeado esta expuesto a la presión atmosférica, el lado del agua de alimentación es expuesto a una presión del recipiente suficiente para impulsar un proceso de filtración a través de los elementos de membrana; un tubo de recolección del permeado sellado del lado del agua de alimentación y en comunicación fluida con el lado del permeado de los elementos de membrana y un circulador dispuesto al interior del recipiente a presión, el circulador esta configurado para generar la circulación del agua de la inventación a través de la región ocupada y la por lo menos una región abierta del recipiente a presión.
85. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque comprende además por lo menos un deflector dispuesto al interior del recipiente a presión, el deflector esta configurado para dirigir el agua de alimentación que circula a través de la región ocupada y la por lo menos una región abierta del recipiente a presión.
86. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque el circulador y el por lo menos un deflector cooperan para dirigir el flujo en una primera dirección en una primera porción de la región ocupada y en una segunda dirección en una segunda porción de la región ocupada, la segunda dirección es opuesta a la primera dirección.
87. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque comprende además un sistema de vibración configurado para producir ondas de vibración en el agua de alimentación.
88. El sistema de la reivindicación 87, caracterizado porque el sistema de vibración esta configurado para administrar ondas de vibración directamente al agua de alimentación.
89. El sistema de la reivindicación 87, caracterizado porque el sistema de vibración esta configurado para administrar ondas de vibración a una pared del recipiente a presión.
90. El sistema de la reivindicación 87, caracterizado porque el sistema de vibración esta configurado para producir ondas de vibras que tienen una frecuencia mayor de aproximadamente 15 kHz.
91. El sistema de la reivindicación 87, caracterizado porque el sistema de vibración esta configurado para producir ondas de vibración que tienen una frecuencia mayor de aproximadamente 20 kHz.
92. El sistema de la reivindicación 87, caracterizado porque el sistema de vibración esta configurado para producir ondas de vibración tanto a frecuencias sónicas como ultrasónicas.
93. El sistema de la reivindicación 92, caracterizado porque el sistema de vibración esta configurado para producir las ondas ultrasónicas intermitentemente a un primer intervalo y las ondas sónicas intermitentemente a un segundo intervalo.
94. El sistema de la reivindicación 93, caracterizado porque el segundo intervalo es más corto que el primer intervalo.
95. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque los elementos de membrana comprenden membranas de osmosis inversa (RO)
96. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque los elementos de membrana comprenden membranas de nano filtración (NF) .
97. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque los elementos de membrana comprenden membranas de ultrafiltración (UF) .
98. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque los elementos de membrana comprenden membranas de micro filtración (MF) .
99. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque los elementos de membrana adyacentes están separados espaciadamente por al menos 1 mm.
100. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque los elementos de membrana adyacentes están separados espaciadamente por al menos 2 mm.
101. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque los elementos de membrana adyacentes están separados espaciadamente por al menos 3 mm.
102. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque los elementos de membrana adyacentes están separados espaciadamente por al menos 4 mm.
103. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque los elementos de membrana son sustancialmente planos.
104. El sistema de la reivindicación 84, caracterizado porque los elementos de membrana están orientados verticalmente al interior del recipiente a presión.
105. Un método para separar contaminantes del agua de alimentación, el método esta caracterizado porque comprende: ' suministrar agua de alimentación a un recipiente a presión, el recipiente a presión comprende una pluralidad de elementos de membrana separados espaciadamente dispuestos al interior del recipiente a presión, cada elemento de membrana tiene un lado del agua de alimentación y un lado del permeado; exponer el lado del permeado a la presión atmosférica; exponer el lado del agua de alimentación a una presión del recipiente suficiente para impulsar un proceso de filtración a través de los elementos de membrana y hacer re circular el agua de alimentación al interior del recipiente a presión.
106. El método de la reivindicación 105, caracterizado porque la recirculación del agua de alimentación comprende hacer girar un circulador dispuesto al interior del recipiente a presión.
107. El método de la reivindicación 105, caracterizado porque el recipiente a presión comprende además un deflector configurado para dirigir el flujo del agua de alimentación que re circula en el recipiente a presión.
108. El método de la reivindicación 105, caracterizado porque comprende además administrar vibración ultrasónica al agua de alimentación.
109. El método de la reivindicación 108, caracterizado porque la vibración. ultrasónica es administrada continuamente.
110. El sistema de la reivindicación 108, caracterizado porque la vibración ultrasónica es administrada intermitentemente.
111. El método de la reivindicación 105, caracterizado porque comprende además administrar vibración sónica al agua de alimentación.
112. El método de la reivindicación 111, caracterizado porque la vibración sónica es administrada continuamente.
113. El método de la reivindicación 111, caracterizado porque la vibración sónica es administrada intermitentemente
114. El método de la reivindicación 105, caracterizado porque comprende además administrar vibración ultrasónica al agua de alimentación.
115. El método de la reivindicación 114, caracterizado porque la vibración ultrasónica es administrada intermitentemente a un primer intervalo.
116. El método de la reivindicación 115, caracterizado porque la vibración sónica es administrada intermitentemente a un segundo- intervalo, el segundo intervalo es más corto que el primer intervalo.
117. El método de la reivindicación 115, caracterizado porque la vibración sónica es administrada continuamente.
118. El método de la reivindicación 105, caracterizado porque comprende además recolectar el permeado al exterior del recipiente a presión.
119. Un sistema de tratamiento de agua caracterizado porque comprende: un recipiente a presión para contener agua de alimentación a ser tratada, el recipiente a presión comprende: una primera cámara que tiene una primera pluralidad de elementos de membrana separados espaciadamente dispuesto en el interior de la primera cámara, cada elemento de membrana tiene un lado del agua de alimentación y un lado del permeado, el lado del agua de alimentación esta expuesto al interior de la primera cámara, el lado del permeado esta expuesto a la presión atmosférica; una segunda cámara que tiene una segunda pluralidad de elementos de membrana separados espaciadamente dispuestos en el interior de la segunda cámara, cada elemento de membrana tienen un lado del agua de alimentación y un lado del permeado, el lado del agua de alimentación esta expuesto al interior de la segunda cámara, el lado del permeado esta expuesto a la presión atmosférica; un elemento de sellado configurado para sellar de manera liberable la primera cámara y la segunda cámara conjuntamente, en donde, cuando son sellados, el interior de la primera cámara y el interior de la segunda cámara están en comunicación fluida y en donde, cuando son liberados, la segunda cámara es separable de la primera cámara y una tercera cámara que tiene un circulador dispuesto en el interior de la tercera cámara, el interior de la tercera cámara esta en comunicación fluida con el interior de las primeras y segundas cámaras por lo menos cuando el elemento de sellado es sellado, el circulador esta configurado para generar la circulación del agua de alimentación a través de las primeras y segundas cámaras por lo menos cuando el elemento de sellado esta sellado.
120. El sistema de la reivindicación 119, caracterizado porque el área de sección transversal de la primera cámara es sustancialmente igual al área de sección transversal de la segunda cámara.
121. El sistema de la reivindicación 119, caracterizado porque el área de sección transversal de la segunda cámara es sustancialmente igual al área de la sección transversal de la tercera cámara.
122. El sistema de la reivindicación 119, caracterizado porque comprende además un primer tubo de recolección del permeado acoplado a la primera pluralidad de elementos de membrana separados espaciadamente y en comunicación fluida con el lado del permeado de los elementos de membrana de la primera pluralidad de elementos de membrana separados espaciadamente .
123. El sistema de la reivindicación 122, caracterizado porque comprende además un segundo tubo de recolección del permeado acoplado a la segunda pluralidad de elementos de membrana separados espaciadamente y en comunicación fluida con el lado del permeado de los elementos de membrana de la segunda pluralidad de los elementos de membrana separados espaciadamente.
124. El sistema de la reivindicación 119, caracterizado porqüe comprende además un primer sistema de vibración acoplado a la primera cámara, el primer sistema- de vibración esta configurado para administrar ondas de vibración al interior de la primera cámara.
125. El sistema de la reivindicación 125, caracterizado porque comprende además un segundo sistema de vibración acoplado a la segunda cámara, el segundo sistema de vibración esta configurado para administrar ondas de vibración al interior de la segunda cámara.
126. El sistema de la reivindicación 119, caracterizado porque la primera cámara comprende un primer deflector configurado para definir por lo menos primeras y segundas trayectorias de flujo a través del interior de la primera cámara.
127. El sistema de la reivindicación 126, caracterizado porque la segunda cámara comprende un segundo deflector configurado para definir por lo menos terceras y cuartas trayectorias de flujo a través del interior de la segunda cámara.
128. El sistema de la reivindicación 126, caracterizado porque el primer deflector esta configurado para acoplarse al segundo deflector por lo menos cuando el elemento de sellado esta sellado para acoplar fluidamente las primeras y terceras trayectorias de flujo y las segundas y cuartas trayectorias dé flujo, respectivamente.
129. El sistema de la reivindicación 119, caracterizado porque la tercera cámara comprende un tercer deflector configurado para dirigir el flujo hacia y/o a lo lejos del circulador .
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