ES1169408U - Sistema de inyección de ozono en sistema de riego en explotación agrícola - Google Patents

Abstract

1. Sistema de inyección de ozono en un sistema de riego en explotación agrícola, que incluye generador de oxígeno tanto como uno de ozono, un deposito, un sistema de recirculación conectado al depósito y por último los cuadros eléctricos de control.

Description

5

10

15

20

25

30

35

DESCRIPCION

SISTEMA DE INYECCION DE OZONO EN SISTEMA DE RIEGO EN EXPLOTACION AGRICOLA

SECTOR DE LA TECNICA.

El presente sistema pertenece al sector industrial con aplicacion al sector agrario y mas concretamente al uso del ozono como desinfectante y potabilizador del agua de riego, ya que la calidad de este agua y la agricultura guardan una relacion bidireccional: la calidad del agua incide en la agricultura y viceversa. Lo primero tiene un impacto economico en la agricultura, por la salubridad de los alimentos y lo segundo supone un impacto medioambiental por la manera en que la agricultura condiciona la calidad de las aguas.

El modelo de aplicacion realizado permite una mezcla altamente eficiente del ozono en el agua de riego, con presion ya determinada y con su posterior aplicacion en sistemas agrarios. El objeto es aplicar el sistema para una ozonizacion total y por lo tanto regar con agua 100% ozonizada, proporcionando al agricultor una herramienta para conseguir la mejor calidad del agua, lo que redundara, como declamos, en una mayor calidad de sus productos.

ANTECEDENTES Y PROBLEMATICA.

El uso y funcionamiento del ozono como desinfectante del agua esta de sobra reconocido, siendo utilizado tanto como fase final en estaciones potabilizadoras (ETAP), como en estaciones depuradoras (EDAR) en los tratamientos cuaternarios para la reutilizacion de estas aguas para riego y usos recreativos. Asl esta contemplado en nuestra normativa:

■ Real Decreto 140/2003, de 7 de Febrero, por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano.

■ Norma espanola UNE-EN 1278:1999 de productos qulmicos utilizados en el tratamiento del agua destinada a consumo humano: Ozono, transposition de la Norma Europea EN 1278 de Septiembre de 1998.

■ RD 1620/2007 por el que se establece el Regimen Jurldico de la Reutilizacion de las Aguas Depuradas.

Asimismo, la desinfeccion del agua con ozono, contemplada en la normativa como metodo flsico-qulmico, minimiza los riesgos de aparicion de Legionella en el agua de pulverizadores en caso de utilizarse estos:

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

■ Real Decreto 865/2003, por el que se establecen los criterios higienico- sanitarios para la prevencion y control de la legionelosis.

■ NTP 538 del INSHT, legionelosis: medidas de prevencion y control en instalaciones de suministro de agua.

Por otra parte, estos usos del ozono para tratamiento de agua de riego son bien conocidos en otras regiones del planeta. Numerosos estudios certifican su uso, tanto en su aplicacion en forma gaseosa como mezclado en agua:

■ V.A. Bourbos, E.A. Barbopoulou (2004). Control of Soilborn Diseases in Greenhouse Cultivation of Tomato with Ozone and Trichoderma. ISHS Acta Horticulturae 698: VI International Symposium on Chemical and non-Chemical Soil and Substrate Disinfestation. DOI: 10.17660/ActaHortic.2005.698.19.

■ Ebihara, K., Stryczewska, H. D., Mitsugi, F., Ikegami, T., Sakai, T., Pawlat, J., &

Teii, S. (2012). Recent development of ozone treatment for agricultural soil sterilization and biomedical prevention. Przeglqd Elektrotechniczny, 6 (88), 9294.

■ Garry V. McDonald, Michael A. Arnold, Bruce J. Lesikar, Larry W. Barnes, Don C. Wilkerson (2005). Effects of Ozone-treated Irrigation Water on Vegetative Growth of Chrysanthemum. Hort. Science, Volume: 40, Issue: 4, Pages: 1059- d-1060. DOI: 10.1080/07352680591005838.

■ N. Kaiga , H. Kashiwabara , O. Takase, S. Suzuki. (1984). Use of Ozone in Night Soil Treatment Process. Ozone: Science & Engineering, Vol. 6, Iss. 3. doi: 10.1080/01919518408551020

■ Kazuhiro Fujiwara , Masato Kadoya , Yugo Hayashi , Kenji Kurata. (2006).

Effects of Ozonated Water Application on the Population Density of Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici in Soil Columns. Ozone: Science & Engineering,

Vol. 28, Iss. 2. doi: 10.1080/01919510600559435.

■ Logan Raub , Christopher Amrhein , Mark Matsumoto (2001). The Effects of Ozonated Irrigation Water on Soil Physical and Chemical Properties. Ozone:

Science & Engineering, Vol. 23, Iss. 1, doi: 10.1080/01919510108961989.

■ Msayleb, N. (2014). Soil ozonation as a sustainable alternative to methyl bromide fumigation and synthetic pesticides.

■ Msayleb, N., Kanwar, R., van Leeuwen, J. H., Robertson, A., & Tylka, G.

(2013). Soil disinfection with ozone (O3) as an alternative to methyl bromide-a sustainable practice in agriculture. In 2013 Kansas City, Missouri, July 21-July 24, 2013 (p. 1). American Society of Agricultural and Biological Engineers.

■ Msayleb, N., & Ibrahim, S. (2011). Treatment of nematodes with ozone gas: A sustainable alternative to nematicides. Physics Procedia, 21, 187-192.

5

10

15

20

25

30

35

40

■ Matsuo, M. (1993). Ozone sterilizing for the plant pathogenic fungi in the solution of soilless culture: The case of microconidia of Fusarium oxysporum cucumerinum. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery (Japan).

■ Qiu, J. J., Westerdahl, B. B., & Pryor, A. (2009). Reduction of root-knot nematode, Meloidogyne javanica, and ozone mass transfer in soil treated with ozone. Journal of nematology, 41(3), 241.

■ Sopher, C. D., Graham, D. M., Rice, R. G., & Strasser, J. H. (2002). Studies on the use of ozone in production agriculture and food processing. Proceedings of the International Ozone Association, Pan American Group, 1-15.

■ Takayama, M., Ebihara, K., Stryczewska, H., Ikegami, T., Gyoutoku, Y., Kubo, K., & Tachibana, M. (2006). Ozone generation by dielectric barrier discharge for soil sterilization. Thin Solid Films, 506, 396-399.

El ozono, dependiendo de las concentraciones y el tiempo de contacto, es muy eficaz en la elimination de virus, bacterias, hongos, nematodos (huevos), que afectan a la production agricola, tanto en el campo como en post-cosecha, llegando a producir perdidas millonarias cada ano. Respecto a esto, cabe senalar que los patogenos de las plantas en el agua de riego se reconocieron a principios del siglo pasado como un problema importante para la salud de los cultivos. Este problema se ha incrementado enormemente en alcance y grado de impacto desde entonces, y seguira siendo una complication, ya que la agricultura depende cada vez mas en el uso de agua reciclada. Hay evidencia cientlfica sustancial que demuestra que el agua de riego contaminada es una de las causas primarias, si no la unica, del inoculo de las enfermedades -entre otras- del genero Phytophthora, en numerosos viveros, fruta y cultivos. Asl pues, resulta evidente la exigencia insoslayable de una correcta desinfeccion del agua de riego para preservar la salud de las plantas.

El uso del ozono sigue extendiendose, ademas de por su eficacia desinfectante, debido a que algunos productos qulmicos han sido descatalogados e incluso prohibidos, al haberse demostrado que son contaminantes tanto para el suelo como para el ambiente, sin comentar el dano que provocan a personas o animales, ya que dejan residuos toxicos en las partes comestibles de las plantas.

A este respecto, existe una preocupacion creciente acerca de la contamination, cada vez mayor, por fitosanitarios, de los productos que provienen del campo. El ozono tiene el potencial de frenar esa preocupacion dado que permite llevar a cabo una agricultura sostenible y reducir considerablemente el uso de algunos productos daninos.

5

10

15

20

25

30

35

Los residuales de fitosanitarios no provienen unicamente de las aplicaciones que se realizan para proteger los cultivos: el agua utilizada en el riego usualmente proviene de los rios, y estos suelen presentar contaminaciones variadas, no solo en cuanto a la calidad microbiologica del agua, sino tambien en lo que respecta a residuos de productos farmaceuticos, herbicidas, metales pesados, etc. debidos a vertidos, que pasan a la cadena trofica al ser regadas las plantas con el agua que los contienen, contaminando las cosechas que posteriormente consumimos. A este respecto, tambien el ozono proporciona una mejora evidente en cuanto a la calidad del agua, evitando la acumulacion de residuales toxicos que puedan luego sumarse a los utilizados en la agricultura. De hecho, existen numerosos estudios sobre la eficacia del ozono en la elimination de residuos fitosanitarios y otros contaminantes quimicos en agua, entre otros:

■ Beltran, F. J.; Gonzalez, M.; Rivas, J.; Tierno, M. (1997). Elimination pathways during water ozonation of volatile organochlorine compounds. Toxicological & Environmental Chemistry 63.1.

■ Ikehata, Keisuke; El-Din, Mohamed Gamal (2005). Aqueous Pesticide Degradation by Ozonation and Ozone-Based Advanced Oxidation Processes: A Review (Part I) Ozone: Science & Engineering 27.2.

■ Ikehata, Keisuke; El-Din, Mohamed Gamal (2005). Aqueous Pesticide Degradation by Ozonation and Ozone-Based Advanced Oxidation Processes: A Review (Part II). Ozone: Science & Engineering 27.3.

■ Mezzanotte, Valeria; Canziani, Roberto; Sardi, Elisabetta; Spada, Lorenzo.

(2005) . Removal of Pesticides by a Combined Ozonation/Attached Biomass Process Sequence. Ozone: Science & Engineering 27.4

■ Jasim, Saad Y.; Irabelli, Antonette; Yang, Paul; Ahmed, Shamima; Schweitzer

(2006) . Presence of Pharmaceuticals and Pesticides in Detroit River Water and the Effect of Ozone on Removal. Ozone: Science & Engineering 28.6.

■ Lambert, Steven D.; Graham, Nigel J. D.; Croll, Brian T. (1996). Degradation Of Selected Herbicides In A Lowland Surface Water By Ozone And Ozone- Hydrogen Peroxide. Ozone: Science & Engineering 18.3.

■ Xiong, Feng; Graham, Nigel J. D. (1992). Rate Constants for Herbicide Degradation by Ozone. Ozone: Science & Engineering 14.4.

El ozono tiene la gran ventaja de ser inocuo disuelto en agua, y no dejar ningun tipo de residual que pueda ser absorbido por las plantas y acumulado en los frutos, ya que su descomposicion, que es muy rapida al ser una molecula altamente inestable,

5

10

15

20

25

30

35

genera oxlgeno, por lo que su uso durante los ciclos de cultivo, asl como para la conservation de producto fresco, no tiene ningun efecto negativo en la salud.

ESTADO DE LA TECNICA

La clave para una completa desinfeccion es la mezcla del ozono en el agua,

asegurando que se alcance el nivel apropiado de ozono y que este permanezca el

tiempo suficiente en contacto con los microorganismos y otros contaminantes para su destruction. En la practica, conseguir una transferencia eficiente ozono/agua, resulta diflcil con los sistemas utilizados hasta la fecha.

La Agencia de Protection del Medio Ambiente (EPA) en EE.UU. gha senalado un

factor "CT” de Concentration (mg/L) x Tiempo (minutos) de 0,72 a 20 °C para

desactivar 99.9% de los quistes de Giardia lamblia (parasitos transmitidos por el agua, muy diflciles de eliminar) y mas de 99.9% de los virus entericos. Esto significa que se necesitarla, por ejemplo, 0.24 mg/L (miligramos por litro) de ozono residual disuelto, durante tres minutos. Los europeos utilizan como regla para la desinfeccion de agua potable 0.4 mg/L durante cuatro minutos, lo cual equivale un CT de 1,6.

La cantidad de ozono requerido para alcanzar estos valores de CT y asegurar una desinfeccion efectiva depende de la temperatura del agua, el pH, la demanda inicial de ozono (cantidad que hay que dosificar antes de empezar a generar un residual) y, sobre todo, como deciamos, el sistema de contacto ozono-agua.

Hasta el momento, los sistemas utilizados para la ozonizacion del agua son principalmente los difusores porosos y los inyectores Venturi.

1. Difusores porosos

En el caso de los difusores, la mezcla del ozono en el agua se logra burbujeando el gas a traves de un difusor poroso en el fondo de un tanque, o por medio de un eyector en llnea que produce una zona de alta turbulencia. El uso de un difusor requiere suficiente presion para superar la altura del agua y cualquier restriction en los difusores debido al tamano del agujero.

Inconvenientes:

V Ineficiencia: la transferencia de ozono en el agua ronda entre 10-25% (depende de la altura del agua: cuanto mas alto es el deposito, mejor sera la transferencia)

V Suelen ser necesarias altas columnas o depositos de agua.

5

10

15

20

25

30

35

S Dificultad de utilizar en caudales de agua presurizados S Los difusores porosos pueden atascarse, requiriendo limpieza

2. Inyectores Venturi

Los inyectores Venturi trabajan forzando el agua a pasar por un cuerpo conico. Esta accion crea una diferencia de presion entre la entrada y la salida del tubo Venturi, que resulta en un vaclo dentro del cuerpo del inyector. Este vaclo causa una succion rapida a traves de la entrada. De esta forma, el ozono es inyectado en el agua.

Inconvenientes

S Requiere energla de una bomba de recirculacion o alimentacion de agua presurizada.

S Requiere flujo constante para crear la turbulencia que fomenta la disolucion del ozono. Cuando el flujo de agua tratada es intermitente o muy variable, hay que disenar el sistema para permitir la continuidad de flujo en el Venturi.

S Se requiere una muy alta relacion de llquido a gas para conseguir una eficiencia de transferencia de 98%. De hecho, la relacion requerida no serla economica. La eficiencia de transferencia de un Venturi mas tlpica varla entre 50 a 70% (sin el uso de presion).

BASE INNOVADORA DE LA TECNICA

La innovation de este invento la constituye el sistema de mezcla del ozono gas en el agua, que consigue una ozonizacion del 100% del volumen de agua tratado.

Segun la Ley de Henry, a una temperatura constante, la cantidad de gas disuelto en un llquido es directamente proporcional a la presion parcial que ejerce ese gas sobre el llquido.

Esta ley fue formulada para explicar la volatilidad de las sustancias, es decir la facilidad con que una sustancia disuelta en agua se transforma en gas y pasa a la atmosfera. El sistema que aqul presentamos permite mezclar el ozono con el agua con una eficiencia del 100%, debido a la presion del agua y la que genera la bomba perteneciente al sistema de recirculacion.

Existen sistemas de inyeccion de ozono en agua, pero que no llegan a realizar una ozonizacion completa del caudal del que el sistema de riego dispone, como ya hemos descrito.

5

10

15

20

25

30

35

La solubilidad de un gas en agua depende de varios factores entre los que destaca la presion del agua. En un agua a 2,5 bares el gas tendra doble solubilidad que en un agua a 0,7 bares.

Un gas presurizado, es decir, un gas que esta en una presion incrementada, siendo aplicado en un agua tambien bajo una presion incrementada, aumentara su solubilidad.

Si, ademas, el gas que se esta mezclando con el agua esta en una concentration incrementada, eso tambien permitira aumentar la solubilidad.

Basandonos en estos datos, aplicando presion e incrementando la concentracion del gas, este nuevo sistema permite, con la presion nominal con la que viene el agua, ozonizar toda el agua o parte, dependiendo de las necesidades, y a la vez mantener un nivel de desinfeccion superior siempre a

750 mV, lo que equivale a una concentracion minima de 0,1 ppm (mg/L) durante todo el tiempo que dura el riego (tiempo muy superior a los minutos requeridos para alcanzar valores de CT que aseguren una desinfeccion efectiva).

Ademas, el deposito esta presurizado y consta de una salida para tanque de pulverizaciones, con el que realizar aplicaciones foliares de agua ozonizada; dicho tanque tambien forma parte del sistema integral de agua de riego expuesto en este documento.

DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Figura 1.

Representa el esquema neumatico del sistema de ozonificacion del agua. Consta de un generador de oxigeno (1) que alimenta al generador de ozono (2). Este mediante tubo es llevado al tubo Venturi (3) el cual esta conectado al sistema de recirculation, que consta de una bomba (5) que hace que el agua y el ozono se mezcle en el deposito (4). El deposito tiene en su parte superior un manometro (10), una valvula desaireadora ante sobrepresion (8) y una valvula aireadora ante depresion (9). Por ultimo el sistema esta provisto de electrovalvulas que tienen la funcion de asegurar el sistema (6 y 7) y de una sonda redox para medir la concentracion en el tanque (11).

Figura 2.

El esquema representado en la figura 2 corresponde al tanque de pulverization para realizar aplicaciones foliares.

5

10

15

20

25

30

35

Consta de un deposito (2) en el cual se introduce un tubo (6) que contiene un difusor poroso (1) el cual tiene la funcion de introducir el ozono y mejorar la miscibilidad de este con el agua. Se tiene una bomba (3) para trasportar la mezcla hasta el punto de aplicacion (4), tambien sale un conducto de la bomba para recircular llquido sobrante al tanque (5). Finalmente esta provisto de otro tubo (7) por el cual se elimina el ozono gaseoso sobrante que pueda haber en el deposito.

Figura 3.

El esquema de la figura 3 es la carcasa del cuadro general de mando y protection. Gracias a este elemento y mediante la llave (1) se puede iniciar el funcionamiento tanto para regar como para pulverizar. Justo al lado esta el boton de parada de emergencia (4) en caso de cualquier error en el funcionamiento. En la parte superior estan los pilotos de funcionamiento, uno de ellos es el que mide el nivel del deposito (1) y otro que el funcionamiento de la recirculation vaya bien (2). Finalmente se encuentra instalada una cerradura (5) como seguridad.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

La instalacion necesaria para la inyeccion de ozono ha sido disenada para cumplir lo descrito anteriormente, caracterizandose fundamentalmente por la inyeccion del ozono en un deposito presurizado (4) donde se mezcla con el agua y se introduce en las tuberlas de riego.

El ozono se introduce en un sistema de recirculacion, ayudado por una bomba (5), a traves de un Venturi (3). El ozono es generado por medio de un generador (2) alimentado a su vez por un generador de oxlgeno (1). Para garantizar la seguridad de la instalacion se coloca un centro de mando y proteccion y un cuadro con un medidor ORP (potencial oxidation-reduction), para visualizar que el sistema esta funcionando a mas 750 mV, dato que representa el comienzo de la desinfeccion tanto en el cabezal de riego como en los emisores (goteros, aspersores).

El deposito de acero inoxidable esta presurizado y consta de varias aberturas al exterior con distintas funciones: existen dos entradas principales, una de entrada de agua desde el sistema de riego y otra de salida, la cual vuelve a dicho sistema, asemejandose con el sistema "by-pass”.

5

10

15

20

25

30

En la parte superior existen tres orificios en los cuales se insertan un manometro (10) para controlar la presion, un sacador de aire (8) con un tubo dirigido al exterior para conducir el ozono sobrante fuera de la caseta de riego o tambien unido a un destructor de ozono y un rompedor de vaclo (9). En la parte opuesta e inferior existe una abertura en la cual se coloca un grifo para el caso de querer evacuar el llquido. En la parte opuesta al sistema de entrada y salida se encuentras las salidas para el sistema de recirculacion. Por ultimo, existen dos orificios, uno en cada lado, los cuales son usados para la colocacion de una sonda de nivel para la medicion del nivel de agua en el deposito y una sonda de medicion redox, conectada a un cuadro donde se aprecia la medida tomada por esta.

El sistema de recirculacion juega un papel clave dentro del sistema, dado que es el que hace que el agua con el ozono llegue al deposito; consta de una bomba dimensionada en funcion de las condiciones hidraulicas encontradas en el sitio donde se proceda a la instalacion. Las mangueras usadas son probadas para presion. De una de las salidas del deposito se lleva una seccion hasta la entrada del tubo Venturi y otra a la salida que va a la bomba y asl de la bomba al deposito donde ya entra el agua completamente ozonizada.

El inyector Venturi es el que hace la funcion de absorber e introducir el ozono producido por los generadores. Va unido a un reactor de transferencia cuya funcion es hacer que las burbujas de ozono que se forman se rompan, consiguiendo una mejor miscibilidad entre ambos.

Finalmente, las sondas de medicion son conectadas al cuadro general de mando y proteccion, el cual esta conectado a su vez a la tension del lugar de instalacion, lo que permite automatizar el sistema y garantizar que este trabaje de forma segura.

Junto a este cuadro se instala el cuadro donde se introduce la pantalla que conecta con la sonda redox, el cual nos permite controlar que en cada momento sepamos la cantidad de ozono que se esta introduciendo al sistema.

Claims (10)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   REIVINDICACIONES

   1. Sistema de inyeccion de ozono en un sistema de riego en explotacion agricola, que incluye generador de oxlgeno tanto como uno de ozono, un deposito, un sistema de recirculacion conectado al deposito y por ultimo los cuadros electricos de control.
2. 2. Sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende un generador de oxigeno que alimenta a un generador de ozono.
3. 3. Sistema conforme a la reivindicacion 1, que consta de un deposito de acero presurizado.
4. 4. Sistema conforme con las reivindicaciones precedentes, caracterizado por la inyeccion del ozono por medio de un tubo Venturi.
5. 5. Sistema de inyeccion conforme a la reivindicacion 4, caracterizado por la union del tubo Venturi a un reactor de transferencia.
6. 6. Sistema conforme a las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el uso de un sistema de recirculacion que consta de una bomba y mangueras que conectan el tubo Venturi y el deposito.
7. 7. Sistema segun la reivindicacion 6 por el cual la tuberla de aspiracion se coloca en la salida que esta mas lejos del tubo Venturi y la de impulsion se dirige hacia el deposito.
8. 8. Sistema segun las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el deposito consta de tres aberturas superiores donde se instalan:

   - Un manometro para notificar la presion de trabajo.

   - Un rompedor de vaclo a modo de protection del deposito.

   - Un desgasificador para expulsar el ozono sobrante, que puede acabar en el exterior de la instalacion, en un destructor de ozono, o ser recirculado hasta la tuberla de salida del sistema.
9. 9. Sistema conforme a las reivindicaciones 1 y 2, que comprende la posibilidad de adaptar una sonda medidora de ORP (potencial de oxidation-reduction).
10. 10. Sistema segun las reivindicaciones anteriores, que consta de dos electrovalvulas que permiten el paso del ozono, aparte de servir como elemento de seguridad.

    5 11. Sistema segun las reivindicaciones precedentes, que se caracteriza por la

    conexion de todos sus elementos electricos en un cuadro general de mando y proteccion, que a su vez consta de un programador para automatizar el sistema.