Un sistema de purificación de agua (81) que tiene:

una entrada de agua de alimentación;

dos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72, 74) para recibir agua de alimentación de la entrada de agua de alimentación;

recibiendo un conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72) agua de alimentación de la entrada de agua de alimentación y recibiendo un conjunto de filtros de ósmosis inversa de segundo paso (74) agua purificada del conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72),

incluyendo el sistema además un sistema de reciclado de agua de rechazo para reciclar el agua de rechazo del conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72) y el conjunto de filtros de ósmosis inversa de segundo paso (74) al conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72);

un sistema de distribución de agua purificada para distribuir agua purificada a puntos de uso (62) y para devolver agua purificada a al menos uno de dichos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72, 74) para purificar continuamente el agua y asegurar la pureza microbiológica en dicha agua purificada, estando acoplado el sistema de distribución de agua purificada a al menos uno de dichos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72, 74) sin ningún almacenamiento o depósito de agua intermedio e, incluido en dicho sistema de distribución de agua purificada:

- una bomba de velocidad variable (70) para bombear el agua de alimentación a dichos conjuntos de membranas de ósmosis inversa para crear una presión de agua suficiente en el sistema de distribución para mantener el dióxido de carbono en solución y producir un medio ácido;

- medios para el ajuste del pH y la conductividad (56) del agua purificada que deja el conjunto de filtros de ósmosis inversa de segundo paso (74), estando adaptados dichos medios para el ajuste del pH para eliminar gas dióxido de carbono del agua purificada, y

- un eductor (8) acoplado a dichos medios para el ajuste del pH (55) y a la bomba (70) para devolver el gas dióxido de carbono al suministro de agua de alimentación para dicho conjunto de membranas de ósmosis inversa de primer paso (72)

Aparato y método para producir agua purificada que tiene pureza microbiológica elevada usando un conjunto de membrana de ósmosis inversa.

Campo técnico

Esta invención se refiere a un sistema de purificación de agua que incorpora un conjunto de membranas de ósmosis inversa de doble paso para filtrar el agua pretratada y a un método de funcionamiento de dicho sistema.

Técnica antecedente

En la Fig. 1 se ilustra un sistema de purificación de agua típico de la técnica anterior. El agua de suministro se pretrata en 20 y se suministra a un primer depósito de almacenamiento 22 antes del calentamiento en un intercambiador de calor 24 a una temperatura de funcionamiento de la membrana especificada, típicamente a 25ºC. El equipo de pretratamiento, que se basa en la calidad del agua potable de origen, típicamente comprende un filtro multimedia para eliminar el material en forma de partículas, un agente de reblandecimiento para eliminar las incrustaciones de minerales, un filtro de carbono para eliminar el cloro/cloraminas o un sistema de inyección de agentes químicos que usa un agente químico de tipo bisulfito, posiblemente una estación UV para destruir bacterias, y prefiltros (de 1-10 µm) para eliminar el material en forma de partículas antes de que el agua entre en el sistema de ósmosis inversa. Después de algunas adiciones químicas 26, el agua se suministra a un conjunto de membranas de ósmosis inversa 28 y el agua purificada se trata con luz ultravioleta en una primera estación UV 30, se desioniza en la estación de desionización 32, se trata en una segunda estación UV 34 y se pasa a través de un primer filtro de esterilización 36 antes de suministrarse a un segundo depósito de almacenamiento 38. El agua se extrae del segundo depósito de almacenamiento 38 en diversos puntos de uso indicados, en general, por el número de referencia 40 después de un tratamiento apropiado que incluye una tercera estación UV 42, un segundo filtro de esterilización 44 y un segundo intercambiador de calor 46 para mantener temperaturas ambientales. El agua procedente del segundo depósito de almacenamiento 38 también se recircula a través de un sistema de ozonización 48 con una bomba 50 para reducir el desarrollo de bacterias. Un diseño de control microbiano alternativo puede incluir un intercambiador de calor para la desinfección periódica por calor.

En la Fig. 1 se observará que el exceso de agua rechazada del conjunto de membranas de ósmosis inversa 28 se extrae a través de la bomba 52 para recircularse al conjunto de membranas de ósmosis inversa 28 mientras que el resto del agua rechazada se envía al desagüe. El funcionamiento del sistema se controla con el controlador lógico programado (PLC) central indicado en 54.

El sistema es bastante complicado ya que tiene muchas tecnologías para la monitorización y el control. La mayoría de estos tipos de sistemas se construyen a medida debido a la variabilidad del agua de origen y las complejidades de las diferentes demandas de producción. Con la estrategia actual en la industria, un operario humano no puede controlar y monitorizar todas las variables a un nivel satisfactorio. Esto necesita un sistema de control PLC caro. El sistema PLC también se diseña a medida debido a las consideraciones anteriores. La complejidad de este sistema impone largos tiempos de entrega para el suministro del equipo. Una vez que el equipo está puesto en su sitio, se emplea un proceso largo para ajustar todas las tecnologías con el fin de mantener la calidad de agua deseada. Deben realizarse una limpieza y desinfección regular en el equipo para asegurar la integridad microbiana. Debido a la diversidad y complejidad del equipo empleado, el mantenimiento es alto. Si falla una pieza del equipo, se detiene el proceso de producción de agua. Dependiendo de la localización del fallo, puede ser necesaria la desinfección del equipo o el sistema antes de ponerlo de nuevo en servicio. Esto representa una pérdida del tiempo de producción. La complejidad del equipo impone una investigación y ensayo minuciosos antes de proporcionar el sistema para la producción. Se necesita un gran aporte de energía para templar el agua (aumentar la temperatura a 20-25ºC) para alimentar el sistema y satisfacer las especificaciones de la membrana de ósmosis inversa. Además, se requiere un alto consumo de energía y una gran cantidad de mano de obra para mantener el sistema dentro de las especificaciones. El porcentaje de recuperación de agua o el rendimiento es bajo, siendo típicamente de 60 a 75 por ciento de la demanda del sistema.

Los microorganismos, específicamente las bacterias, forman biopelículas, que es un polímero orgánico extracelular (de naturaleza polisacárida). Las biopelículas también pueden incorporar iones metálicos divalentes que pueden formar una estructura de red consistente en masa orgánica e inorgánica. Esta estructura protege a los organismos de los agentes químicos de la desinfección y limpieza. Una vez que se desarrolla esta formación dentro de un sistema es muy difícil eliminarla.

El depósito de almacenamiento es un caldo de cultivo de microorganismos a menos que se aplique un sistema de ozonización. Esta opción requiere una gran cantidad de capital y tiene gastos asociados de funcionamiento y mantenimiento. Además, el ozono es una sustancia peligrosa que requiere precauciones de seguridad apropiadas. El ozono es una sustancia añadida al agua purificada para controlar la integridad microbiana. En sistemas que no emplean ozono, los microbios sedimentarán sobre la superficie del depósito debido al poco movimiento del agua (sin velocidad) y producirán una biopelícula. Los organismos que flotan libremente (planctónicos) se reproducirán y contaminarán el sistema de distribución. La biopelícula protegerá a los organismos de la desinfección química y permitirá su reproducción. Se reducirá la eficacia de la desinfección química. Los sistemas que emplean desinfección con calor requieren gran cantidad de capital y energía y no eliminan la biopelícula.

El sistema de purificación de agua típico de la técnica anterior no está diseñado para impedir el crecimiento de microbios. La estrategia ha sido permitir el aumento de la población microbiana hasta un cierto intervalo en cuanto al número, y después la limpieza y/o desinfección del sistema, reduciendo de esta manera la población microbiana. Los procedimientos microbiológicos requieren un periodo de incubación de aproximadamente dos días o más antes de la enumeración. El retraso de los resultados puede hacer que el sistema esté fuera de la especificación en cuanto al número de microbios antes de la limpieza y desinfección. Como alternativa, se realiza un régimen de limpieza y/o desinfección programado de alta frecuencia para reducir la posibilidad de que el número de microbios supere la especificación. Esta estrategia requiere mucha mano de obra y energía e impide el uso del sistema mientras se están realizando los procedimientos. El diseño de la técnica anterior no reduce o impide intrínsecamente el crecimiento de microorganismos durante el proceso de purificación de agua.

En la técnica anterior se han descrito diversos intentos de regular la conductividad del agua de alta pureza producida. Un problema importante identificado en un sistema de ósmosis inversa de doble paso es la dificultad para rechazar gases tales como el dióxido de carbono. El dióxido de carbono presente en el agua de alimentación pasará a través de las membranas de primer paso y las membranas de segundo paso formando ácido carbónico y los productos de la ecuación en equilibrio correspondientes, lo cual tiene como resultado una mayor conductividad del agua producida. Este fenómeno se considera negativamente por la técnica anterior, ya que el aumento de conductividad se percibe como una reducción de calidad.

Las siguientes ecuaciones expresan la formación de ácido carbónico y el equilibrio:

Formación de ácido carbónico

Equilibro de ácido carbónico

En varias patentes de Estados Unidos, de las que algunas se describen a continuación, se describen métodos que se han intentado para eliminar el dióxido de carbono. En los documentos US 4.574.049 y US...

1. Un sistema de purificación de agua (81) que tiene:

una entrada de agua de alimentación;

dos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72, 74) para recibir agua de alimentación de la entrada de agua de alimentación;

un sistema de distribución de agua purificada para distribuir agua purificada a puntos de uso (62) y para devolver agua purificada a al menos uno de dichos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72, 74) para purificar continuamente el agua y asegurar la pureza microbiológica en dicha agua purificada, estando acoplado el sistema de distribución de agua purificada a al menos uno de dichos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72, 74) sin ningún almacenamiento o depósito de agua intermedio e, incluido en dicho sistema de distribución de agua purificada:

2. Un sistema de purificación de agua (81) de acuerdo con la reivindicación 1 que tiene un sensor de flujo (12, 16) para controlar la velocidad de flujo de agua en el sistema de distribución de agua purificada y acoplado a la bomba de velocidad variable (70).

3. Un sistema de purificación de agua (81) de acuerdo con la reivindicación 1 que tiene un sensor (14, 18) para medir la conductividad y la temperatura del agua y acoplado a un conjunto de agua de rechazo (73) para liberar el agua rechazada procedente del sistema cuando se exceden las especificaciones de conductividad y temperatura.

4. Un sistema de purificación de agua (81) de acuerdo con la reivindicación 1 que tiene un primer sistema de tratamiento con radiación ultravioleta (68) dispuesto para tratar el agua que entra en el conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72) y que tiene un segundo sistema de tratamiento con radiación ultravioleta (76) dispuesto para tratar el agua purificada que deja el conjunto de filtros de ósmosis inversa de segundo paso.

5. Un sistema de purificación de agua (81) de acuerdo con la reivindicación 1 que tiene medios para ajustar el pH (66, 55) del agua de alimentación dispuesto para tratar el agua que entra en dicho al menos un conjunto de filtros de ósmosis inversa (72, 74) para regular el pH y la conductividad del agua purificada que sale de dicho al menos un conjunto de filtros de ósmosis inversa (72, 74).

6. Un sistema de purificación de agua (81) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la bomba (70) tiene un intervalo de autorregulación para variar las velocidades de producción del agua purificada entre 50 y 150% de una velocidad de producción nominal en respuesta a la demanda de agua purificada en los puntos de uso (62).

7. Un sistema de purificación de agua (81) de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la bomba (70) se puede hacer funcionar manualmente para variar las velocidades de producción de agua purificada entre 50 y 150% de una velocidad de producción nominal en respuesta a las demandas de agua purificada en los puntos de uso (62).

8. Un método para hacer funcionar un sistema de purificación de agua (81) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se mantiene una velocidad mínima de 1 metro/seg. (3 pies/seg.) en el sistema de distribución de agua purificada para producir condiciones de flujo turbulento que impiden la contaminación por microorganismos.

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 para hacer funcionar un sistema de purificación de agua de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el caudal de agua de alimentación que va al conjunto de ósmosis inversa de primer paso (72) es al menos tres veces la velocidad media de producción desde el conjunto de ósmosis inversa de segundo paso (72) para reducir la obstrucción de las membranas de ósmosis inversa en dicho conjunto de ósmosis inversa de primer paso (72).

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 para hacer funcionar un sistema de purificación de agua (81) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la bomba (70) regula las velocidades de producción de agua purificada a través de dicho al menos un conjunto de filtro de ósmosis inversa (72, 74) en respuesta a la demanda de agua purificada en puntos de uso (62).

11. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 para hacer funcionar un sistema de purificación de agua (81) de acuerdo con la reivindicación 1, con lo que el pH del agua suministrada al conjunto de ósmosis inversa de primer paso se mantiene por debajo de 7,0 durante un modo de reposo o circulación para autolimpiar las membranas de depósitos minerales.

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 para hacer funcionar un sistema de purificación de agua (60, 61, 71, 81, 82, 86, 88, 90) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el agua purificada tiene un pH reducido por debajo de 5,5 durante un modo de operación de reposo para asegurar la pureza microbiológica en el agua purificada.

13. Un método de acuerdo con la reivindicación 8 para hacer funcionar un sistema de purificación de agua de acuerdo con la reivindicación 1, donde el sistema se hace funcionar continuamente de forma que el agua nunca queda estancada.