ES2214347T3 - Oxigenador sumergible in situ. - Google Patents

Abstract

Un aparato para la disolución de un gas y la suspensión de un sólido tendente a precipitarse, o precipitante, en una masa de líquido, estando destinado dicho aparato a ser sumergido en dicha masa de líquido, y comprendiendo dicho aparato: a) un colector, destinado a capturar un gas no disuelto que asciende hacia la superficie de dicha masa de líquido, estando destinado dicho colector a dirigir dicho gas no disuelto y capturado hacia un espacio superior o de cabecera de dicho aparato; b) una bomba de fluido, destinada a impulsar un gas de alimentación desde una abertura de entrada de gas de alimentación, conjuntamente con dicho gas no disuelto y dicho líquido, hacia dicha bomba, y dirigir el paso de una mezcla de gas-líquido hacia abajo, al seno de dicha masa de líquido; y c) al menos una cámara estabilizadora o reguladora, unida a dicho aparato, estando destinada dicha cámara reguladora a llenarse con un primer material de lastre, a fin de hacer que dicho aparato se sumerja en el seno dedicha masa de líquido, y a llenarse con un segundo material de relleno, a fin de hacer que dicho aparato ascienda verticalmente en dicha masa de líquido.

Description

Oxigenador sumergible in situ.

Campo de la invención

Esta invención se refiere, en general, a la aireación de líquidos y sólidos, y, en particular, a un aparato y a un método para disolver oxígeno en un líquido, agitando simultáneamente el líquido y materiales sólidos que contienen varias substancias químicas.

Descripción de la técnica relacionada

El tratamiento con aire, o aeróbico, de aguas residuales constituye un medio altamente económico para la eliminación de residuos químicos peligrosos de los sistemas acuosos. Se suministra a la biomasa del agua residual oxígeno o aire, de tal forma que las substancias químicas tóxicas o peligrosas pueden ser consumidas por los agentes biológicos como alimento, a fin de formar productos secundarios o de proceso inocuos. Normalmente, los principales productos que se obtienen por la respiración son dióxido de carbono y agua.

La forma más barata de balsa de aireación es una cubeta asentada o fundada en el terreno, gracias a la cual los residuos se retiran de la superficie hasta una profundidad de entre 3,0 y 4,6 metros (entre 10 y 15 pies) bajo la superficie. Sin embargo, este tipo de construcción plantea, en potencia, un gran número de problemas medioambientales. Los compuestos químicos peligrosos pueden infiltrarse a través del fondo de una cubeta asentada en el terreno y, de esta forma, contaminar el suelo o las aguas subterráneas. La Agencia de Protección del Medioambiente ("Environmental Protection Agency") no permitirá ya que las aguas residuales que contengan substancias químicas prohibidas para el suelo, tales como el benceno, sean tratadas en estas instalaciones, debido a los riesgos de contaminación. De esta forma, la cubeta grande y poco profunda fundada en el terreno está perdiendo su consideración como el tipo preferido de balsa de aireación.

La gran área superficial de la cubeta de aireación constituye también una gigantesca balsa de evaporación en la que pueden evaporarse a la atmósfera proporciones significativas de compuestos volátiles. Con la aprobación del Acta de Aire Limpio ("Clean Air Act"), estas instalaciones no pueden servirse ya de la evaporación para la eliminación de los compuestos volátiles como medio para satisfacer las normas reguladoras. En consecuencia, un número apreciable de instalaciones de tratamiento de aguas residuales se están reconvirtiendo en cisternas o depósitos profundos dispuestos sobre el terreno. Los depósitos dispuestos sobre el terreno, provistos de fondos de acero, no permiten a las substancias químicas tóxicas penetrar o traspasar el depósito y contaminar las zonas circundantes, y presentan una menor relación entre superficie y volumen para las emisiones que puedan escaparse. En Europa y Asia, los depósitos profundos son mucho más populares.

El suministro de oxígeno a tales depósitos profundos es un reto para los dispositivos de aireación de aguas residuales convencionales. Los dispositivos de aireación superficiales tan solo pueden proporcionar un suministro suficiente de oxígeno a la capa superficial del conjunto del depósito de aguas residuales. Los difusores de burbujas pequeñas requieren una potencia mecánica elevada para comprimir el aire y superar la altura o salto de presión hidrostática de los dispositivos de aireación.

Las bacterias o biomasa se desarrollan en el seno del depósito de tratamiento de aguas residuales al tiempo que consumen los desechos peligrosos. Las bacterias o biomasa reciben el nombre de lodos o cienos, y forman un material sólido húmedo al separarlo del agua residual. En general, los medios de separación son típicamente de acción centrífuga o de filtrado. Parte del cieno debe ser reciclado de vuelta al depósito de aireación con el fin de mantener la concentración de biomasa significativamente elevada, a medida que el agua entrante tiende a diluir el contenido del depósito. Al objeto de permitir que la biomasa realice adecuadamente su función, el cieno debe quedar suspendido de forma apropiada, o, de otro modo, se producirá una segregación o separación que dará lugar a una pobre degradación biológica de los residuos. Los dispositivos de aireación superficiales de la técnica anterior no acometen de forma eficaz el problema del cieno en el fondo de un depósito profundo. Un depósito profundo tiene, generalmente, una profundidad comprendida en el intervalo de entre aproximadamente 9,1 y 30 metros (entre 30 y 100 pies), con una profundidad media comprendida en el intervalo de entre 12 y 15 metros (entre 40 y 50 pies).

En el documento US-A-5.996.977 se describe un dispositivo de aireación para un entorno o medio acuático que está provisto de una entrada de aire de temperatura ajustada, y que está destinado a airear una determinada cantidad de agua dentro de un recipiente. El aire que se bombea a través del dispositivo de aireación debe ser enfriado o calentado, y el aire ya ajustado en temperatura se arrastra en el seno de una corriente de agua y se expulsa, a través de una abertura de salida, al interior de un recipiente que contiene vida submarina. En ciertas realizaciones, el dispositivo de aireación se ha diseñado como un dispositivo de aireación de flotabilidad variable, con el fin de variar el nivel al que se sitúa el dispositivo de aireación dentro del recipiente. A tal efecto, el dispositivo de aireación está provisto de un flotador susceptible de ser vaciado o deshinchado. El movimiento lateral del dispositivo de aireación queda limitado, por ejemplo, por una guía de dispositivo de aireación que se fija al fondo del medio acuático.

El documento US-A-4.545.901 describe un depósito de aireación que comprende una vasija o cuba de mezcla. La vasija de mezcla está provista de columnas de aireación por chorro de agua y se comunica con un separador de cieno provisto de una abertura de salida del cieno reciclable que puede comunicarse con una bomba de circulación, conectada, a través de una conducción de tubería de presión, con las columnas de aireación. Las columnas de aireación no son del tipo flotante, pero están fijadas al fondo del depósito. Un tubo de Venturi se utiliza para eyectar un chorro de agua en el seno del líquido que se ha de airear.

Los dispositivos de aireación superficiales, tales como el descrito en la Patente norteamericana Nº 4.681.711, sólo son eficaces hasta una profundidad de aproximadamente 3,1 metros (10 pies). El uso de un impulsor de bombeo descendente, tal como el que se describe en la Patente norteamericana Nº Re 32.562, con el fin de incrementar la disolución de oxígeno procedente de un espacio situado por encima, tiene una eficacia limitada en un depósito profundo. Como el dispositivo está fijo en la vasija del reactor, no es posible optimizar la suspensión sólida. Los dispositivos de la técnica anterior que utilizan esta tecnología requieren un incremento de la velocidad de agitación con el fin de incrementar la velocidad del líquido que sale del tubo de aspiración. Sin embargo, existen limitaciones prácticas en lo que se refiere a lo rápido que puede girar un impulsor de hélice. Los cojinetes comerciales para los grandes sistemas impulsores de 61 cm (24 pulgadas) son capaces de girar a entre 300 y 400 rpm (revoluciones por minuto) antes de que vibraciones u otros problemas mecánicos destruyan el cojinete y la caja de engranajes. Los impulsores más grandes, de 92 cm (36 pulgadas) pueden girar a entre 250 y 300 rpm. Incluso si se superan las dificultades mecánicas, el sistema requerirá una tremenda cantidad de potencia para la agitación. En muchos casos, la potencia requerida para una agitación que sea suficiente para suspender el material sólido y el cieno es de 3 a 4 veces la requerida para la oxigenación. Una gran parte de esta potencia se pierde. No tiene sentido desperdiciar esta energía cuando la función de disolución del oxígeno requiere sólo una pequeña cantidad de energía.

La razón para este requisito de una extremada cantidad de potencia para la agitación es que las burbujas de oxígeno tienen un cierto impulso ascendente debido a las fuerzas de flotación. El impulsor de bombeo descendente transporta las burbujas hacia abajo en una configuración de corriente de chorro. La fuerza de flotación, de sentido ascendente, actúa en contracorriente con respecto al impulso del líquido descendente. Cuanto más se desplaza hacia abajo la corriente de gas-líquido, más débil se hace el impulso del líquido. La corriente de chorro se abre o dispersa también hacia fuera, lo que reduce su velocidad. En un cierto punto, la corriente de chorro se habrá debilitado hasta tal punto, que ya no será capaz de transportar las burbujas de oxígeno hacia abajo. Llegado este momento, las burbujas de oxígeno se separarán del chorro de líquido y se desplazarán hacia arriba en sentido inverso. El chorro de líquido se encuentra tan debilitado, que no será capaz de desplazarse más o lograr la agitación de la parte del fondo del depósito.

Otra alternativa a la velocidad de agitación extremadamente alta consiste en proporcionar un sistema de agitación mecánica independiente en combinación con el dispositivo de aireación superficial. El sistema de agitación mecánica se instala en el lateral y en el fondo del depósito, con el fin de proporcionar la agitación y la suspensión de los materiales sólidos. Sin embargo, se requiere aún una potencia significativa para accionar el agitador en el fondo del depósito, lo que incrementa los costes de inversión.

Teniendo en consideración los problemas y deficiencias de la técnica anterior, es, por tanto, un objeto de la presente invención proporcionar un aparato y un método para airear agua residual en un depósito profundo.

Es otro objeto de la presente invención proporcionar un aparato y un método para agitar materiales sólidos en un depósito profundo.

Un objeto adicional de la invención consiste en proporcionar un aparato y un método para airear un líquido y agitar materiales sólidos en un depósito profundo, de forma simultánea.

Constituye otro objeto de la presente invención proporcionar un aparato y un método para airear un líquido y agitar materiales sólidos en un depósito profundo, con el uso de los mínimos requerimientos de energía.

Sumario de la invención

Los anteriores y otros objetos y ventajas, que se pondrán de manifiesto para un experto de la técnica, se alcanzan por medio de la presente invención, la cual tiene como propósito un aparato y un método para la disolución de un gas y la suspensión de un sólido tendente a precipitarse, o precipitante, en el seno de un líquido. El aparato está destinado a ser sumergido en el seno de un líquido y comprende un colector, una bomba de fluido y una cámara reguladora o estabilizadora que está destinada a permitir flotar al aparato o bien hacerlo sumergirse en el seno del líquido. El colector está destinado a capturar un gas no disuelto que asciende hacia la superficie de la masa de líquido, y a conducir el gas no disuelto hacia un espacio de cabeza o superior del aparato. La bomba de fluido, tal como un impulsor o una bomba de chorro, está destinada a aspirar un gas de alimentación procedente de una abertura de entrada de gas de alimentación, conjuntamente con el gas no disuelto y el líquido, y a dirigir una mezcla de gas-fluido a alta velocidad en dirección hacia abajo, hasta el seno del líquido. En la realización preferida, la cámara reguladora está destinada a ser llenada con un lastre, tal como agua, de modo que haga sumergirse al aparato, y a ser llenada con un gas, de modo que haga ascender al aparato en el seno del líquido.

En la realización preferida, el colector destinado a atrapar un gas no disuelto comprende una superficie de la cámara. La superficie de la cámara deberá tener el tamaño suficiente como para atrapar el gas no disuelto, y deberá presentar un plano que esté dispuesto en un ángulo suficiente como para dirigir el gas no disuelto hacia el espacio de cabecera, así como un torbellino o ciclón formado por el impulsor.

En la realización preferida, la bomba de fluido comprende un impulsor unido a un árbol rotativo, el cual está dispuesto dentro de un miembro de aspiración. El miembro de aspiración está destinado a impulsar el gas y el líquido desde el seno del líquido al interior del miembro de aspiración, a través de una abertura situada cerca de la parte superior del miembro de aspiración, por encima del impulsor, y a hacerlo salir a través de una segunda abertura situada en el extremo inferior del miembro. El impulsor se encuentra unido al árbol y está destinado a impulsar el gas y el líquido al interior del miembro de aspiración y en dirección al impulsor, y a hacer salir la mezcla de gas-líquido del miembro de aspiración a una velocidad elevada. El impulsor puede ser un impulsor de elevada capacidad, un impulsor de dispersión de gas, particularmente el que tiene forma helicoidal y está destinado a hacer circular grandes volúmenes de gas y de líquido. La corriente de gas de alimentación se conduce al interior de un espacio de cabecera o superior, situado por encima del impulsor, a través de una abertura de entrada de gas de alimentación. La corriente de gas de alimentación puede introducirse también directamente en un torbellino o ciclón formado por el impulsor conforme éste gira en el seno del líquido. En la realización más preferida, puede haberse unido al árbol un generador de turbulencias, con el fin de incrementar el mezclado turbulento de la mezcla de gas-líquido.

En otro aspecto, el aparato comprende un dispositivo de aireación de chorro ajustable, un tubo de Venturi, un conducto, una cámara de regulación, destinada a hacer descender y ascender el aparato, así como un colector, destinado a atrapar un gas no disuelto presente en la masa del líquido y conducirlo a un espacio de cabecera.

En la realización preferida, el dispositivo de aireación de chorro comprende una bomba destinada a aspirar, a través de una abertura de entrada, líquido del seno del fluido, y a eyectar el líquido a gran velocidad, a través de una abertura de salida. En la realización preferida, el tubo de Venturi puede estar unido al dispositivo de aireación de chorro y puede incluir una parte media de sección de estrechamiento gradual, que esté destinada a recibir el líquido procedente del dispositivo de aireación a alta velocidad. Puede haberse unido una tubería a uno de los extremos de una garganta del tubo de Venturi, habiéndose diseñado el otro extremo de la tubería para aspirar una mezcla de gas, tal como oxígeno fresco u oxígeno no disuelto, del espacio de cabecera situado bajo el tubo de Venturi, y suministrar el gas de vuelta al tubo de Venturi.

En la realización preferida, el conducto puede ser un manguito flexible, y puede suministrar un segundo gas al espacio de cabecera.

En la realización preferida, la cámara de regulación comprende al menos una cámara hueca unida al aparato. La cámara está destinada a llenarse con un lastre, tal como agua, a fin de sumergir el aparato, y con un relleno, tal como aire, a fin de hacer ascender al aparato en el seno del líquido. Se prefiere también que el colector comprenda una superficie de la cámara de regulación y presente una superficie que tenga el tamaño suficiente como para atrapar el gas no disuelto que asciende en el seno del líquido, y que esté dispuesta formando un ángulo tal, que conduzca y capte el gas no disuelto capturado en dirección al espacio de cabecera.

En un aspecto adicional, la presente invención proporciona un método para airear una masa de líquido y suspender materiales sólidos tendentes a precipitarse, o precipitantes, en el seno del líquido. El método comprende las etapas de proporcionar un dispositivo de aireación sumergible, sumergir el dispositivo de aireación por debajo de una superficie de la masa de líquido, introducir una corriente de gas en el seno de la masa de líquido, y hacer que el dispositivo de aireación mezcle la corriente de gas y la masa de líquido. En la realización preferida, el dispositivo de aireación genera un chorro de gas-líquido de alta velocidad en el seno del líquido, el cual tiene la fuerza suficiente como para suspender los materiales sólidos precipitantes en el seno del líquido.

En la realización preferida, la profundidad del dispositivo de aireación sumergido se ajusta de tal manera que se optimice la suspensión de los materiales sólidos precipitantes en dicha masa de líquido. En aún otra realización preferida, la profundidad del aparato se ajusta llenando una cámara reguladora con un lastre que hace que la cámara se sumerja hasta alcanzar la profundidad deseada.

En otra realización preferida, el gas no disuelto que asciende hacia la superficie de la masa de líquido es capturado por un colector y hecho recircular al seno del chorro de gas-líquido.

Breve descripción de los dibujos

Las características de la invención consideradas como nuevas, así como los elementos característicos de la invención, se exponen con particular referencia a las reivindicaciones que se acompañan. Las figuras se proporcionan únicamente con propósitos ilustrativos, y no se han representado a escala. La invención, en sí, sin embargo, tanto en cuanto a su organización o disposición, como en relación con su método de funcionamiento, puede comprenderse mejor haciendo referencia a la descripción detallada que sigue, tomada en combinación con los dibujos que se acompañan, en los cuales:

La Figura 1 es una vista lateral del aparato de la presente invención.

La Figura 2 es una vista lateral del aparato de la presente invención, sumergido en un depósito profundo.

La Figura 3 es una vista lateral de un aparato de aireación por chorro, de acuerdo con la presente invención.

Descripción de la realización o realizaciones preferidas

Al describir la realización preferida de la presente invención, se hará referencia aquí a las Figuras 1 a 3 de los dibujos, en las cuales los mismos números de referencia designan características similares de la invención. Las características de la invención no se muestran necesariamente a escala en los dibujos.

Como se muestra en las Figuras 1 y 2, el aparato de la presente invención comprende un dispositivo de aireación 50 de gas-líquido, el cual está destinado a ser sumergido en un depósito profundo 30 que contiene un líquido 32 y un material sólido 33. En la realización preferida, el líquido 32 es agua residual, y el material sólido consiste en lodo o cieno formado en el depósito profundo 30. El dispositivo 50 incluye una bomba de fluido, tal como un impulsor, una bomba de flujo en chorro o un dispositivo de desplazamiento positivo, la cual puede aspirar un líquido y un gas, y provocar el movimiento hacia abajo del líquido y del gas a una velocidad elevada. En la realización preferida, el dispositivo 50 comprende un motor sumergible 16, unido a una placa de soporte de motor 18, y un árbol rotativo 20. Un impulsor 22 se encuentra unido al árbol 20, y el impulsor 22 y el árbol 20 se han dispuesto, preferiblemente, dentro de un tubo de aspiración 24.

En el tubo de aspiración 24 existe al menos una abertura 28, formada en él con el fin de permitir el paso del líquido 32 y de un gas, tal como oxígeno, al interior del tubo 24, y al menos una segunda abertura 68, destinada a permitir que una mezcla de gas-líquido 36 abandone el tubo 24 después de pasar a través del impulsor 22. La abertura 28 está ubicada, preferiblemente, en un lugar por encima del impulsor 22, en tanto que la abertura 68 está situada por debajo del impulsor 22, preferiblemente en el fondo del tubo de aspiración 24.

El dispositivo 50 comprende adicionalmente al menos una cámara estabilizadora o reguladora 10, destinada a llenarse con un lastre para hacer sumergirse al aparato por debajo de la superficie del líquido 32. La cámara 10 es, preferiblemente, un flotador de acero inoxidable hueco, y se encuentra herméticamente cerrada en su totalidad, a excepción de una válvula de fluido 12 y de una válvula de aire 14, destinadas a permitir el flujo del material de lastre dentro y fuera de la cámara reguladora 10. La válvula de fluido 12 permite el paso de un material de lastre fluido, preferiblemente agua, dentro y fuera de la cámara 10. La válvula de aire 14 permite el paso de un material de relleno de gas, preferiblemente aire, dentro y fuera de la cámara 10. La introducción de fluido dentro de la cámara 10 hace que ésta se sumerja, mientras que la introducción de aire hace que la cámara 10 ascienda en el seno del líquido 32.

En la realización preferida, se ha dotado a la superficie de fondo 80 de la cámara 10 de una forma cónica o se ha dispuesto con un ángulo tal, que el borde exterior 82 de la cámara 10 es más ancho que el borde interior 84 de la cámara 10. La cámara 10 es de un tamaño y forma suficientes como para que el gas no disuelto 38 que asciende verticalmente por el líquido 32 sea atrapado por la superficie de fondo 80 de la cámara 10, y la forma o ángulo dirige el gas no disuelto 38 hacia el espacio de cabeza o superior 48 y la abertura 28. Si bien se prefiere que la forma de la cámara 10 esté diseñada para la captación de las partículas de gas no disuelto 38 que ascienden verticalmente por el líquido 32, es posible utilizar otros dispositivos o medios para capturar y dirigir las partículas de gas no disuelto hacia el espacio de cabecera 48. Estos dispositivos pueden incluir deflectores, aletas, tabiques o particiones, o bien dispositivos electromecánicos, que capturen el gas no disuelto ascendente 38 y lo dirijan hacia el espacio de cabecera 48.

El motor 16 es, preferiblemente, un motor eléctrico o atmosférico. En la realización preferida, el motor 16 acciona una caja de engranajes 46 que está acoplada al árbol 20. El árbol 20 pasa a través de la junta de obturación 44 y de la placa de soporte 18 del motor, para introducirse en el tubo de aspiración 24.

La junta de obturación 44 se utiliza para mantener en posición el árbol 20 en la placa de soporte 18 del motor y para protegerlo de la misma, al tiempo que permite al árbol 20 girar libremente. El impulsor 22 se encuentra unido fijamente al árbol 20 dentro del tubo de aspiración 24, y consiste, preferiblemente, en un impulsor de bombeo descendente de alta capacidad o de dispersión de gas. En la realización preferida, el impulsor 22 tiene forma helicoidal, con el fin de hacer circular grandes volúmenes de gas y de líquido. Opcionalmente, pueden añadirse generadores de turbulencias o turbinas 42 al árbol 20, con el fin de incrementar la mezcla turbulenta del gas y del líquido.

En la realización preferida, un conducto 26 pasa a través de la placa de soporte 18 del motor, hasta introducirse en el espacio de cabecera 48. Se hace referencia a esta zona entre los bordes 84 como espacio de cabecera 48, y éste permite la acumulación de un gas en su interior. El conducto 26 puede extenderse por debajo del fondo del borde de la placa de soporte 18 del motor, y se utiliza para introducir gas, preferiblemente oxígeno, en el espacio de cabecera 48. En la realización preferida, el oxígeno es suministrado al conducto 26 que pasa a través de la placa de soporte 18 del motor. El oxígeno se suministra al espacio de cabecera 48 situado por encima del tubo de aspiración 24, de tal forma que el torbellino inducido por el impulsor 22 en su giro puede arrastrar una mezcla de gas-líquido, que desciende por el tubo de aspiración 24 a través de la abertura 28. El conducto 26 puede también extenderse por debajo de la superficie del líquido 32, de tal manera que el oxígeno puede ser suministrado directamente dentro del torbellino formado por el impulsor rotativo 22.

Durante el funcionamiento, el aparato 50 se hace sumergirse bajo la superficie del líquido 32. Es posible utilizar cualesquiera medios convencionales para hacer que el aparato 50 se sumerja. En la realización preferida, el aparato 50 se hace sumergirse llenando la cámara reguladora 10 con un lastre 34. La cámara reguladora 10 puede comprender una cámara hueca o un dispositivo de flotación que sea susceptible de ser llenado con un lastre 34. La cámara reguladora 10 es de un tamaño suficiente como para que, cuando se ha llenado, incluso parcialmente, con el lastre 34, el aparato 50 se sumerja bajo la superficie y se introduzca en el líquido 32. El lastre 34 es, preferiblemente, un líquido de relleno, tal como agua, y se introduce preferiblemente en la cámara reguladora 10 a través de una válvula de fluido 12. El aire desplazado de la cámara reguladora 10 por el lastre 34 puede ser liberado a través de una abertura de salida de aire 14. Tanto la válvula de agua 12 como la válvula de aire 14 pueden conectarse a manguitos de suministro, con el fin de permitir los procedimientos de llenado y evacuación cuando el aparato 50 está sumergido. Cada una de las válvulas 12 y 14 puede ser regulada y controlada con el fin de garantizar un volumen igual de fluido que entra y de aire que se libera en la cámara 10, particularmente en el caso de que se utilice más de una cámara 10. A medida que el lastre 34 llena la cámara 10, el aparato 50 se sumergirá bajo la superficie del agua residual 32, dentro del depósito profundo 30. A fin de hacer ascender el aparato 50, se llenan con aire las cámaras 10 a través de la válvula de aire 14. Esto fuerza al lastre a salir de la cámara 10 a través de la válvula 12, la cual es, preferiblemente, un tubo sumergido. Con el uso de este método, la profundidad del aparato 50 dentro del depósito 30 se ajusta fácilmente. La posición de la cámara 10 deberá permitir al dispositivo 50 ser hecho descender y elevarse de un modo uniforme y nivelado.

Como un impulsor helicoidal rotativo creará un empuje hacia arriba, es necesario activar el motor 16 antes del ajuste final de la profundidad. También, es necesario poner en marcha el flujo de gas al conducto 26. El incremento de la cantidad de oxígeno en el espacio de cabecera 48 se sumará también a la flotabilidad del aparato. Una vez que el aparato 50 está funcionando de forma estable, el ajuste final se realiza añadiendo más lastre o relleno 34, preferiblemente aire o agua, dentro de la cámara 10. Es posible fijar cables de guía o barras de guía 90 al aparato 50, de tal manera que el dispositivo sumergido pueda quedar centrado en la posición deseada dentro del depósito 30.

El impulsor rotativo 22 arrastrará oxígeno y agua residual 32 al interior del tubo de aspiración 24 a través de la abertura 28. La mezcla de gas-líquido 36 abandonará el tubo de aspiración 24 como un chorro de alta velocidad, que, preferiblemente, se expandirá en un ángulo de aproximadamente 20 grados. Por razón de la conservación del impulso, el chorro 36 reducirá su velocidad al expandirse. La profundidad del aparato 50 en el depósito profundo 30 se ajusta de tal manera que el chorro de gas-líquido 36 tendrá todavía una velocidad suficiente como para mezclar y suspender los materiales sólidos precipitantes y el cieno 33 situados en el fondo del depósito 30. Pueden tomarse muestras a diferentes profundidades del depósito 30, a fin de garantizar que el material sólido y el cieno están adecuadamente suspendidos. La velocidad de rotación del impulsor 22 es totalmente independiente de las exigencias de las suspensiones sólidas.

Al sumergir el aparato 50 en el agua residual 32 contenida en el depósito profundo 30, se logran ventajas inesperadas con respecto a un dispositivo de aireación flotante en la superficie, debido a la altura o salto de presión hidrostática adicional para la transferencia de masa. La solubilidad del oxígeno es mayor bajo presión, de forma que la velocidad de transferencia del oxígeno se incrementará a medida que el aparato 50 se sumerge más profundamente en el depósito 30.

La velocidad de utilización del oxígeno se incrementa asimismo sumergiendo el aparato 50 en el agua residual 32. En general, el gas no disuelto, las burbujas de oxígeno 38 procedentes del chorro 36, ascenderán y, en la realización preferida de la invención, serán nuevamente capturadas y dirigidas hacia el tubo de aspiración 24. El torbellino inducido por el impulsor 22 hace que estas burbujas de oxígeno 38 sean arrastradas al interior a través de la abertura 28 y hechas circular nuevamente a través del impulsor 22. Sin embargo, un cierto porcentaje de las burbujas de oxígeno 40 se escapará en torno a la cámara 10, sin que sean capturadas y hechas circular nuevamente. Incluso aunque una cierta cantidad de burbujas de oxígeno 40 pueda escapar alrededor de la cámara sumergida, en el depósito profundo, las burbujas de oxígeno que escapan 40 aún tienen un largo camino que recorrer hacia arriba hasta alcanzar la superficie del líquido 32. En consecuencia, menos de la mitad de las burbujas de oxígeno 40 que escapan puede realmente alcanzar la superficie del líquido. Esto mejora la velocidad de utilización del oxígeno. Por añadidura, las burbujas de oxígeno 40 que escapan proporcionarán también una cierta agitación y oxigenación en la parte superior del depósito profundo.

Con la presente invención, la entrada de potencia y la velocidad de rotación del aparato 50 pueden ser optimizadas basándose en la demanda de oxígeno. Ésta es independiente de las necesidades de suspensión de los materiales sólidos. En consecuencia, se reducen ampliamente tanto los costes iniciales como el gasto de energía gracias a esta invención.

En otro aspecto de la presente invención, puede instalarse un dispositivo de aireación de chorro ajustable 70 en un flotador hueco sumergible 10, o cámara reguladora, de modo que el chorro 36 quede apuntando hacia la entrada de oxígeno, tal como se muestra en la Figura 3. Distinto de los dispositivos de aireación de chorro de posición fija, el dispositivo de aireación de chorro ajustable proporciona la flexibilidad consistente en variar la intensidad de mezcla en el fondo del depósito en función de los cambios en los materiales sólidos y en las condiciones del proceso.

Si bien en esta realización, la cámara reguladora 10 se muestra como una cámara única, la cámara 10 puede también constar de una o más cámaras huecas. Como se muestra en la Figura 3, en la realización preferida, la forma de la cámara 10 se utiliza para atrapar las partículas de gas no disuelto que ascienden verticalmente por el líquido 32, y dirigirlas hacia el espacio de cabecera 48. Como antes, es posible utilizar medios cualesquiera para capturar estas partículas, y ello no depende de la forma de la cámara 10.

Como se muestra en la Figura 3, el impulso del líquido se proporciona por medio de una bomba 66, accionada por un motor 52. La bomba 66 para el dispositivo de aireación de chorro puede ser montada en la parte superior del flotador 10 o fuera del líquido 32. El líquido 32 es arrastrado al interior de la bomba 66 a través de la abertura de entrada 54, desde una balsa o depósito profundo 30 para el tratamiento de aguas residuales. El líquido es expulsado de la bomba 66 a una presión elevada a través de una abertura de salida de bomba 56 (por ejemplo, a entre 204,7 y 1.480 kPa (entre 15 y 200 psig)), y se hace pasar a través de un tubo de Venturi 58. La parte media de sección de estrechamiento progresivo de Venturi 58 transforma la energía potencial en energía cinética, de tal manera que la presión disminuye al tiempo que la velocidad se incrementa hasta un máximo. De hecho, la presión puede llegar a disminuir hasta un valor negativo, de tal forma que se crea un vacío en la garganta del tubo de Venturi 58. Una tubería 60 puede utilizarse para conectar el espacio de cabecera 48 situado bajo la cámara 10 con la garganta 64 del tubo de Venturi 58, de tal forma que el vacío que se forma es capaz de aspirar el gas desde el espacio de cabecera 48 al interior del tubo de Venturi 58, dando lugar a un flujo de dos fases.

El oxígeno se suministra, a través de un manguito flexible 72 para oxígeno, a una abertura de entrada 26 situada en la parte superior de la cámara 10. El oxígeno puede ser inyectado directamente dentro del espacio de cabecera 48, o bien puede ser también inyectado directamente en el seno del líquido 32, por ejemplo, por medio de un dispositivo de rociado. El oxígeno fresco suministrado a través del manguito flexible 72 para oxígeno al interior del espacio de cabecera 48 se mezclará con el oxígeno reciclado generado por todas las burbujas de oxígeno no disuelto 38 que ascienden verticalmente por el líquido 32 y que son capturadas y redirigidas hacia el espacio de cabecera 48. La presión en el espacio de cabecera 48 situado bajo la cámara 10 dependerá de la profundidad de la unidad situada bajo la superficie del líquido 32. La cantidad de oxígeno (fresco y reciclado) que entra en el tubo de Venturi 58 variará, pero la velocidad de la bomba 66 puede ajustarse para satisfacer diferentes demandas de disolución de oxígeno.

A profundidades extremas (por ejemplo, mayores que 30,5 m -100 pies), ya no se necesita oxígeno reciclado y puede suministrarse oxígeno fresco directamente al interior del tubo de Venturi 58. Alternativamente, el tubo de Venturi 58 no es necesario, debido a que puede suministrarse oxígeno fresco a presión directamente al interior de la tubería de descarga 56 de la bomba, a fin de formar un chorro de gas y líquido 36.

Así pues, la presente invención proporciona un aparato y un método para airear y agitar simultáneamente agua residual y materiales sólidos en un depósito profundo, utilizando para ello la mínima energía requerida.

Si bien la presente invención se ha descrito particularmente en combinación con una realización preferida concreta, es evidente que se pondrán de manifiesto para los expertos de la técnica numerosas alternativas, modificaciones y variaciones, a la luz de la descripción anterior. En consecuencia, se contempla el hecho de que las reivindicaciones que se acompañan engloben cualquiera de dichas alternativas, modificaciones y variaciones, siempre y cuando estén incluidas dentro del ámbito de la presente invención.

Claims (10)

1. Un aparato para la disolución de un gas y la suspensión de un sólido tendente a precipitarse, o precipitante, en una masa de líquido, estando destinado dicho aparato a ser sumergido en dicha masa de líquido, y comprendiendo dicho aparato:

a) un colector, destinado a capturar un gas no disuelto que asciende hacia la superficie de dicha masa de líquido, estando destinado dicho colector a dirigir dicho gas no disuelto y capturado hacia un espacio superior o de cabecera de dicho aparato;

b) una bomba de fluido, destinada a impulsar un gas de alimentación desde una abertura de entrada de gas de alimentación, conjuntamente con dicho gas no disuelto y dicho líquido, hacia dicha bomba, y dirigir el paso de una mezcla de gas-líquido hacia abajo, al seno de dicha masa de líquido; y

c) al menos una cámara estabilizadora o reguladora, unida a dicho aparato, estando destinada dicha cámara reguladora a llenarse con un primer material de lastre, a fin de hacer que dicho aparato se sumerja en el seno de dicha masa de líquido, y a llenarse con un segundo material de relleno, a fin de hacer que dicho aparato ascienda verticalmente en dicha masa de líquido.

2. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicha bomba de fluido comprende un impulsor unido a un árbol rotativo dispuesto en el interior de un miembro de aspiración.

3. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho colector comprende una superficie de dicha cámara reguladora, siendo dicha superficie de un tamaño suficiente como para capturar dicho gas no disuelto, y teniendo dicha superficie un plano que se ha dispuesto con un ángulo suficiente como para dirigir dicho gas no disuelto hacia dicho espacio de cabecera.

4. Un aparato para la disolución de un gas y la suspensión de un sólido tendente a precipitarse, o precipitante, en una masa de líquido, estando destinado dicho aparato a ser sumergido en dicha masa de líquido, y comprendiendo dicho aparato:

a) un dispositivo de aireación de chorro ajustable, estando dicho dispositivo de aireación destinado a arrastrar un líquido del seno de dicha masa de líquido y a expulsar o eyectar dicho líquido a una velocidad elevada;

b) un tubo de Venturi, conectado a dicho dispositivo de aireación de chorro, teniendo dicho tubo de Venturi una parte media de sección de estrechamiento gradual y estando destinado a recibir dicho líquido a una velocidad elevada desde dicho dispositivo de aireación;

c) una tubería, conectada por su primer extremo a una garganta de dicho tubo de Venturi, estando un segundo extremo de dicha tubería destinado a aspirar un primer gas desde un espacio superior o de cabecera situado por debajo de dicho tubo de Venturi, y a suministrar dicho primer gas de vuelta a dicho tubo de Venturi;

d) un conducto, destinado a suministrar un segundo gas a dicho espacio de cabecera;

e) una cámara estabilizadora o reguladora, fijada a dicho aparato, estando destinado dicho depósito regulador a llenarse con un primer material de lastre, a fin de hacer que dicho aparato se sumerja en el seno de dicha masa de líquido, y a llenarse con un segundo material de relleno, a fin de hacer que dicho aparato ascienda por dicha masa de líquido; y

f) un colector, destinado a atrapar un gas no disuelto que asciende desde dicha masa de líquido y a dirigir dicho gas no disuelto al interior de dicho espacio de cabecera.

5. El aparato de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual dicho colector comprende una superficie de dicha cámara reguladora, teniendo dicha superficie un tamaño suficiente como para atrapar dicho gas no disuelto, y teniendo dicha superficie un plano dispuesto en ángulo con el fin de dirigir dicho gas no disuelto hacia dicho espacio de cabecera.

6. El aparato de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual dicho dispositivo de aireación de chorro comprende una bomba que tiene una abertura de entrada para aspirar dicho líquido del seno de dicha masa de líquido, y una abertura de salida para expulsar dicho líquido a una velocidad elevada.

7. Un método para airear una masa de líquido y suspender sólidos tendentes a precipitarse, o precipitantes, en dicha masa de líquido, que comprende las etapas de:

a) inyectar un gas en un dispositivo de aireación capaz de flotar en el seno de una masa de líquido, a fin de formar una mezcla del gas con el líquido procedente de la masa de líquido;

b) eyectar o expulsar la mezcla hacia abajo, en dirección al fondo de dicha masa de líquido, por lo que se provoca la aireación de la masa de líquido;

c) atrapar un gas no disuelto que asciende verticalmente hacia la superficie de la masa de líquido;

d) redirigir el gas no disuelto capturado hacia el dispositivo de aireación, con lo que se hace recircular el gas no disuelto; y

e) llenar una cámara estabilizadora o reguladora fijada al dispositivo de aireación con un primer material de lastre, con lo que se hace que el dispositivo de aireación se sumerja en el seno de dicha masa de líquido, suspendiendo con ello los sólidos precipitados en el fondo de la masa de líquido.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende adicionalmente la etapa de ajustar la profundidad de dicho dispositivo de aireación sumergido, a fin de optimizar la suspensión de dichos sólidos precipitantes en el seno de dicha masa de líquido.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende adicionalmente la etapa de llenar la cámara reguladora con un segundo material de relleno, haciendo con ello que el dispositivo de aireación ascienda por dicha masa de líquido; y

10. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en el cual el primer material de lastre es agua y el segundo material de relleno es aire.