REACTOR DE FOTO-FENTON SOLAR PARA LA DESINFECCIÓDNE AGUAS ELIMINACION SIMULTANEA DE CONTAMINANTES

SECTOR DE LA TÉCNICA

Regeneración de aguas depuradas, desinfección de aguas para riego, eliminación de contaminantes emergentes en efluentes acuosos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La escasez de agua es un problema creciente en España, agravado por los impactos del cambio climático. Entre las soluciones a este problema, la regeneración de aguas residuales urbanas puede jugar un papel clave como fuente de agua no convencional destinada al riego agrícola. Los nuevos avances en los tratamientos basados en la radiación solar fomentan su aplicación para la regeneración de aguas residuales. Entre ellos, el proceso foto-Fenton solar ha demostrado su eficacia para la desinfección de aguas residuales y la eliminación de microcontaminantes, debido a la gran cantidad de radicales hidroxilo (HO-) generados mediante el ciclo catalítico de iones de hierro (Fe2+ y Fe3+) activado por la radiación UV-vis y su reacción con peróxido de hidrógeno (H2O2). Es considerado como un tratamiento con mucho potencial debido a la abundancia de hierro en la naturaleza y su baja toxicidad, y que además el H2O2 es fácil de manejar y ambientalmente seguro. Los fundamentos del proceso foto-Fenton han sido ampliamente estudiados y existen numerosas publicaciones al respecto. Los autores de este modelo de utilidad son pioneros en la utilización de fotorreactores de flujo continuo para la desinfección de aguas residuales urbanas y la eliminación de microcontaminantes mediante foto-Fenton solar, una materia aún pendiente para transferir la tecnología a la industria del agua. Los estudios publicados hasta la fecha han sido llevados a cabo a escala de laboratorio o planta piloto pequeña, sin llegar a escala demostrativa, por lo que existen muchos problemas de ingeniería y diseño aún por resolver. Entre la bibliografía más reciente de tratamiento de aguas residuales en flujo continuo se puede citan P. Soriano Molina, J. L. García Sánchez, S. Malato, P. Plaza-Bolaños, A. Agüera, J. A.

Sánchez Pérez. On the design and operation of solar photo-Fenton open reactors for the removal of contaminants of emerging concern from WWTP effluents at neutral pH. Applied Catalysis B: Environmental. 256,117801 (2019).

I. De la Obra, B. Esteban García, G. Rivas, J. L. Casas López, J. A. Sánchez Pérez. Continuous flow disinfection of WWTP secondary effluents by solar photo-Fenton at neutral pH in raceway pond reactors at pilot plant scale. Applied Catalysis B: Environmental 247: 115-123 (2019).

J. A. Sánchez Pérez, S. Arzate, P. Soriano Molina, J. L. García Sánchez, J. L Casas López, P. Plaza-Bolaños. Neutral or acidic pH for the removal of contaminants of emerging concern in wastewater by solar photo-Fenton? A techno-economic assessment of continuous raceway pond reactors. Science of the Total Environment 736: 139681 (2020).

P. Soriano Molina, S. Miralles, B. Esteban, P. Plaza-Bolaños, J. A. Sánchez Pérez. Two strategies of solar photo-Fenton at neutral pH for the simultaneous disinfection and removal of contaminants of emerging concern. Comparative assessment in raceway pond reactors. Catalysis Today 361: 17-23 (2021).

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El agua es tratada en reactores de canal abierto con recirculación tipo “Raceway Pond Reactor” (RPR) a través de los cuales el agua se recircula mediante una rueda de paletas, con incidencia directa de la radiación solar. Se adicionan sales de hierro y peróxido de hidrógeno en pequeñas cantidades, pero suficientes para desinfectar y eliminar microcontaminantes orgánicos. La novedad radica en el diseño del reactor específico para foto-Fenton solar y el control de la operación para alcanzar el objetivo de tratamiento. La invención consiste en un fbtorreactor especificando la razón longitud/anchura, superficie, profundidad de agua, puntos de adición de agua a tratar y reactivos, desagüe y salida de agua tratada, equipado con un sistema de monitorización y control para ajustar los caudales de reactivos y de agua a tratar, la profundidad del agua y el tiempo de residencia para lograr la calidad deseada del agua resultante teniendo como parámetros de entrada la radiación solar y la temperatura.

Estos reactores están construidos con materiales de bajo coste, además la profundidad del líquido se puede variar fácilmente con el fin de cambiar la longitud de la trayectoria de la luz. Su funcionamiento en modo de flujo continuo permite incrementar significativamente el caudal de agua residual tratado por unidad de superficie del reactor.

La operación de los RPR para foto-Fenton solar a pH ácido (2.8) mostró la idoneidad de este proceso para la eliminación de microcontaminantes orgánicos en efluentes secundarios de EDAR reales con condiciones oxidantes suaves (0.1 mM Fe2+ y 0.88 mM H2O2) en un RPR de 5 cm de profundidad operado en modo continuo a 40 min de tiempo de residencia hidráulica (HRT). La tasa de eliminación de microcontaminantes orgánicos fue del 84%. Con respecto a la operación de flujo continuo a pH neutro para la eliminación conjunta de bacterias y microcontaminantes orgánicos, más del 80% de la carga de microcontaminantes orgánicos se eliminó con 0.1 mM del complejo Fe3+- EDDS como fuente de hierro y 0.88 mM H2O2. El EDDS (ácido etilendiamina-N, N'- disuccínico) es un agente complejante de hierro usado para mantener el hierro en disolución a pH neutro, aunque es muy costoso. Por lo tanto, existe la necesidad de agentes complejantes de hierro más baratos, como es el caso del NTA (triacetate de nitrilo) que forma el complejo Fe3+-NTA usado también para foto-Fenton solar.

En cuanto al diseño geométrico del RPR, se basa en el diseño desarrollado para el cultivo en masa de microalgas, aunque los tiempos de reacción característicos son muy diferentes en ambos procesos: días para microalgas y minutos para foto-Fenton. Estas diferencias dan lugar a diferentes requisitos para la mezcla y la geometría del reactor. La mezcla en RPR a gran escala diseñada para el cultivo de microalgas es pobre, mientras que se requiere una mezcla intensa para el proceso de foto-Fenton más rápido.

Cabe mencionar que la profundidad de líquido en el fotorreactor solar se fija mediante un rebosadero ajustable. Dicho fotorreactor cuenta con bombas de alimentación de agua a tratar, alimentación de reactivo de Fe y alimentación de H2O2, y bomba de efluente que impulsa el agua a través de un filtro de arena previo al depósito de almacenamiento de agua tratada.

Por otro lado el fotorreactor solar dispone de un desagüe central transversal al ancho del recipiente para facilitar la limpieza y la purga de sólidos.

En resumen, con respecto a la novedad, este modelo de utilidad aplica nuevos desarrollos de ingeniería para lograr una mezcla adecuada en RPR de flujo continuo para la desinfección de aguas residuales con eliminación simultánea de microcontaminantes orgánicos por foto-Fenton solar. Este es un desarrollo pendiente para transferir la tecnología a la industria de tratamiento de agua que no ha sido abordado anteriormente. Hasta donde sabemos, no existen patentes o modelos de utilidad en este campo. A diferencia de los reactores tipo “raceway” utilizados para el cultivo de microalgas, donde la longitud mínima debe ser 10 veces el ancho del reactor y el flujo es laminar, en este modelo de utilidad la longitud del canal es como máximo 3 veces el ancho y las ruedas de paletas generan régimen turbulento. La altura del canal permite operar con profundidades de líquido ente 5 y 25 cm. La invención cuenta con bombas regulables de entrada y salida de agua a tratar, bombas dosificadoras de reactivos (fuente de Fe y peróxido de hidrógeno), medidor de irradiancia UVA, temperatura y potencial redox, con monitorización y control de la operación. Permite ajustar el tiempo de residencia hidráulico y la dosificación de reactivos en función de la radiación solar incidente y de la temperatura del agua.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

En la figura 1 se presenta el dimensionado del reactor en cuanto a altura total con la rueda de paletas instalada (0,98 m), altura de la pared del recipiente (0,35 m), proporción ancho y largo del recipiente y un esquema del reactor y la disposición de sus elementos principales: extremos curvos dividido en dos canales (16) por un tabique central (15), con deflectores (14) en las curvas, donde el líquido es puesto en movimiento y mezclado mediante una rueda de paletas (11) impulsado por un motor (12) y dispone de desagüe (13) central a ambos canales del reactor (17).

En la figura 2 se muestra un diagrama de flujo del proceso con las comentes de agua a tratar (21), tanque de acondicionamiento (22), depósitos de reactivos: ácido sulfúrico (23), disolución de hierro (24) y peróxido de hidrógeno (25); fotorreactor (26), comente de salida hacia el filtro de arena o calcita (27) y tanque de almacenamiento de agua tratada (28).

En la figura 3 se ¡lustra el diagrama P&l del proceso de tratamiento de aguas mediante foto-Fenton solar. A continuación, se muestra el significado de los símbolos de instrumentación:

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Como se muestra en la Figura 3, el agua procedente del tratamiento secundario es dirigida a un tanque de pretratamiento en el cual se adecuará para que cumpla con las condiciones requeridas para el buen funcionamiento del proceso: adición de ácido sulfúrico (23) para ajuste de pH cercano a 2.8 (proceso a pH ácido), o bajada del contenido en bicarbonatos (proceso a pH neutro). La mezcla en el tanque se realizará por aireación mediante una soplante que además favorece la desorción del dióxido de carbono procedente de la protonadón y posterior disodadón de los bicarbonatos.

El agua pretratada es bombeada al RPR. La dosificadón de reactivos (disoludones de sal de hierro y peróxido de hidrógeno, respectivamente) se realizará en la tubería de alimentadón al reactor (17), con objeto de favorecer la mezda del agua a tratar (21) y los reactivos mediante un mezdador estático ubicado en la tubería previa a la entrada al fotorreactor (26).

Los caudales de las bombas dosificadoras de reactivos se ajustarán en fundón de las condidones de operadón seleccionadas como consecuenda de las características del agua a tratar (21), el nivel de radiadón UV y la temperatura del agua.

El agua de salida del reactor (17) es dirigida a un filtro de arena para retirar del agua el hierro predpitado durante el tratamiento (proceso a pH neutro) o a un lecho de carbonato de caldo que actuará como agente neutralizante y lecho filtrante retirando parte del hierro predpitado (proceso a pH ácido).

Lista de referendas:

11 rueda de paletas

12 motor

13 desagüe

14 deflector

15 tabique central

16 canal

17 reactor

21 agua a tratar

22 tanque de acondidonamiento

23 áddo sulfúrico

24 disoludón de hierro

25 peróxido de hidrógeno

26 fotorreactor filtro de arena o calcita tanque de almacenamiento de agua tratada