FLUJOS DE DOBLE COMO CONCÉNTRICO PARA BIORREACTORES CON MÚLTIPLES TIPOS DE BIOMASAS Y BIOPELÍCULA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención cae en el campo de la mecánica y la biotecnología en general; en particular se relaciona con los sistemas y métodos de tratamiento de aguas residuales, específicamente lo relacionado con los medios y dispositivos usados en plantas de tratamiento de agua residual y más específicamente está referida a un clarificador/degasificador y redireccionador de flujos para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y biopellcula para el tratamiento de aguas residuales.

ANTECEDENTES OE LA INVENCIÓN Es de conocimiento generalizado que el crecimiento de la población y sus requerimientos, a nivel personal e industrial, hace que la demanda de agua por parte de todos sea cada vez mayor.

Por tanto resulta de vital importancia hacer una correcta utilización de las aguas residuales a fin de liberar importantes volúmenes de agua limpia para el abastecimiento humano (Gil Pulido).

En el ámbito del tratamiento de aguas residuales, existen diversas técnicas, aparatos y dispositivos para llevar a cabo el tratamiento de las aguas contaminadas, reducir la carga orgánica y reducir o eliminar ciertos contaminantes. Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En dichos biorreactores se llevan a cabo procesos químicos y biológicos que involucran microorganismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaerobio.

Los microorganismos juegan un papel importante en todo proceso de depuración de aguas residuales. De . manera general, los desechos líquidos procedentes de diferentes sectores industríales (agroindustria, alimentaria, alguna petroquímica ente otras), así como aguas negras municipales, que son biológica. Estos procesos biológicos que ocurren en la mayoría de los reactores, bajo unas condiciones determinadas y controladas, tienen lugar de manera natural en ríos, lagos y otros sistemas acuáticos (Gil Pulido).

La biotecnología se puede definir como aplicación tecnológica que utiliza sistemas biológicos y organismos vivos o derivados, para la creación o modificación de productos o procesos para un uso específico" (Convención de la Diversidad

Biológica. Artículo 2. Uso de Términos, Naciones Unidas, 1992) , de modo que e! hecho de utilizar la herramienta que proporcionan de manera natural los microorganismos, hace q ue los procesos biolecnológ icos sean considerados como una tecnología cada vez más extend ida en el manejo de este tipo de desechos, de manera económica y ecológica, (Gil Pu lido) .

En el caso concreto de ¡as ag uas residuales , las técnicas desarrolladas en biotecnolog ía en este área no sólo tienen como objetivo reducir la carga orgánica en genera! , sino que es utilizada para eliminar otros agentes contaminantes industriales presentes en las ag u as , asi como para convertir el flujo de desechos derivado del proceso de depuración en productos útiles o incluso con valor añadido para poder liberarlos al med io ambiente sin causar perju icio (como el com post de lodos de depuradoras). (Gil Pulido) .

Los mezcl adores convencionales cuando se utilizan en reactores anaerobios o anóxicos utilizan agitadores únicos por unidad de área del reactor, lo cual, si bien promueve el contacto entre la biom asa y la carga orgánica, lo hacen a un alto costo energético, de una forma aleatoria resultado de un sistema completamente turbulento y que por lo general opera a veiocidades que son muy altas para permitir una convivencia armoniosa de d iferentes tipos de biomasas y/o biopel ícu las. Los íncon venientes que presentan los sistemas dei estado de ia técnica son : El mayor consumo de energ ía , la incertidumbre de la trayectoria las diferentes moléculas del influente , y la dificultad de convivencia y retención en el reactor de los diferentes tipos de biomasas.

La presente invención está enfocada en reactores anaerobios y fue especialmente desarrollada para lograr producir un ambiente en donde pudiera proiiferar la producción de biogás en un biorreactor de naturaleza anaerobia sin comprometer la operación del mismo cuando se utilizan medios de película fija para albergar la colonia de bacteria. Con el invento se puede separar el biogás de manera tai, en la cual los medios de película fija flotante no son perturbados y al mismo tiempo redirecciona el flujo de manera controlada hacia un sistema de recirculación que los mantiene en movimiento a lo largo de todo el biorreactor. Se realizó una búsqueda para determinar el estado de la técnica mas cercano, encontrándose los siguientes documentos;

Se ubicó el documento D1 que consiste en la publicación W09734677 de Rodgers Wiliiam, del 12 de marzo de 1997, que da a conocer un aparato para clarificar el agua cruda que contiene partículas suspendidas, en donde el aparato comprende un conducto vertical (1 ) con diámetros que aumentan desde una entrada para agua cruda en la parte superior hasta una salida para agua ciara en la parte inferior. El agua cruda de entrada se dosifica con coagulante y/o floculante y se airea con burbujas de aire finas antes de la entrada en e! conducto. Las burbujas se adhieren a los flóculos a medida que se forman en la parte superior del conducto. A medida que el líquido desciende en el conducto, la velocidad de la falla disminuye permitiendo que los flóeulos fluyan en contra de la corriente de agua y formen un cuerpo flotante dentro del conducto que funciona como un medio filtrante. El agua clara fluye por el conducto debajo de un vertedero y la salida del agua limpia es elevada por un conducto un nivel que garantiza que permanezca lleno de agua. El material acumulado se extrae de la parte inferior del cuerpo a través de un conducto de descarga coaxial a una tasa sustancialmente igual a la tasa de aumento de material fresco del agua cruda que influye para lograr una El Documento D1 está dirigido a unidades para la clarificación de líquidos que contienen sólidos en suspensión tales como, por ejemplo, aguas residuales industriales, aguas residuales sin tratar o parcialmente tratadas u otros líquidos contaminados con material particulado no deseado. Más particularmente, la invención está relacionada con tales unidades que operan según el principio de flotación, es decir, haciendo que la materia en partículas suba a la superficie del líquido para su eliminación. Como puede apreciarse en la configuración mostrada en la figura 1 , la unidad de clarificación muestra un conducto vertical 1 cuya parte principal tiene un área de sección transversal que aumenta en la dirección hacia abajo, una entrada de agua cruda 2 en la parte superior del conducto para admitir agua con partículas suspendidas y burbujas de aire finas en el conducto 1 a un nivel superior, un medio de salida de agua clarificada 3 que sale del fondo del conducto 1 , y un medio de salida de partículas 4 que se abre hacia el interior del conducto 1 a un nivel intermedio en el mismo.

La entrada de agua cruda 2 es preferiblemente tangencial al conducto 1 para inducir un vórtice descendente en el conducto 1 y asi asegurar una mezcla adecuada de los contenidos y se atrapan de forma efectivo las burbujas de aire en los floculas a medida que se forman dentro del conducto.

Un medio descarga 14 con un colector desplazamiento 15 está posicionado para atrapar y eliminar cualquier articulo particularmente grande o pesado en el agua de alimentación entrante como resultado de que dicho elemento sea arrojado al colector de desplazamiento por la fuerza centrífuga que resulta del movimiento de vórtice. Los medios de salida de agua clarificada 3 comprenden un vertedero de flujo inferior 5, un conducto colector anular 6, un tubo ascendente 7 que se extiende hasta al menos la altitud de la entrada 2 y un dispositivo de descarga de rebose 8. Así los medios de salida de agua clarificada 3 están configurados de manera que el nivel de agua en el conducto 1 es más alto que la entrada, de modo que el conducto 1 se mantiene lleno a medida que el agua fluye a través de él. La salida de partículas 4 comprende un tubo de descarga 9 y una campana de colector de boca abierta 10, La salida 4 efectúa la descarga del material particulado acumulado, extremo superior, desde el cual se descarga el material separado, está por encima de la entrada de agua. El tubo de descarga 9 puede extenderse a una bomba de extracción de velocidad variable para permitir que la tasa de extracción de material particulado del conducto 1 se mantenga sustancialmente igual a la tasa de entrada de material particulado con el agua cruda tratada en cualquier momento.

En esas circunstancias, un cuerpo de material floculado en forma de partículas se acumula dentro del conducto y funciona como un lecho filtrante. En el dibujo, la interfaz entre la parte inferior de esa cama y el agua ciarificada debajo está representada por la línea marcada con 18.

Un respiradero 11 en la parte superior del conducto 1 permite el escape de aire que de otro modo se acumularla. La parte inferior de la ventilación es más alta que el nivel del agua para permitir solo la ventilación del aire

Un cierre 13 con forma de tolva para la parte inferior del conducto, con una salida 12 permite la eliminación de cualquier partícula particularmente densa que pueda asentarse en esta parte inferior del conducto. El vertedero de flujo inferior 5 restringe el flujo de agua clarificada de! conducto 1 y garantiza que el flujo sea uniforme a través del conducto. Puede notarse que la estructura, configuración, sus componentes y forma de disposición de fas unidades para la clarificación de líquidos del documento D1 , que contienen sólidos en suspensión tales como, por ejemplo, aguas residuales industriales, aguas residuales sin tratar o parcialmente tratadas u otros líquidos contaminados con material particulado no deseado, no es similar a las de la presente invención. El aparato del documento D1 no está configurado y no funcionaría para producir un ambiente en donde pueda proliferar la producción de biogás en un biorreactor de naturaleza anaerobia sin comprometer la operación del mismo cuando se utilizan medios de película fija para albergar la colonia de bacteria; tampoco permite separar ei biogás de manera que los medios de película fija flotante no sean perturbados.

Se encontró también el documento D2 US2012168389 A1 de Kochergin Vadim del 20 de septiembre de 2010, el cual da a conocer un dispositivo de reducción de turbulencia que consiste un aparato para reducir sustancíalmente el momento, la velocidad o ambos de un primer líquido que fluye en un segundo liquido. El dispositivo le permite reducir sustancíalmente o incluso eliminar remolinos turbulentos a gran escala que de otro modo podrían producirse por el recipiente, por ejemplo, en un clarificador. Placas y deflectores de tamaño y posición adecuados inducen cambios en la dirección del flujo en un volumen limitado. Cuando el liquido sale de este volumen, la velocidad del líquido es baja y la turbulencia se elimina casi en su totalidad. Varios de los dispositivos pueden colocarse en diferentes entradas dentro de un solo clarificador, y así aumentar la eficiencia aún más.

Como puede notarse, la finalidad del aparato del documento D2 es reducir sustanciaimenle o incluso eliminar remolinos turbulentos a gran escala.

El aparato del documento D2 para nada reproduce, divulga o sugiere una estructura con componentes similares y con funciones similares a los de la presente Invención. El aparato del documento D2 no está configurado y no funcionaría para producir un ambiente en donde pueda proüferar la producción en un biorreacfor de naturaleza anaerobia sin comprometer la operación del mismo cuando se utilizan medios de película fija para albergar la colonia de bacteria; tampoco permite separar el biogás de manera que los medios de película fija flotante no sean perturbados.

Ante ia necesidad de contar con un ciarificador/degasificador y redireccionador de fiujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y biopelicula para de tratamiento de aguas residuales que resuelve las deficiencias e inconvenientes que ofrecen otras tecnologías, o que ofrezca ventajas técnicas llevando un vacío en el campo técnico de biorreactores de naturaleza anaerobia, fue que se desarrolló la presente invención.

OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene como objetivo principal hacer disponible un clarificador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y biopelícula que permita la separación de gases, pero de la misma forma evite que en el sistema se capturen y remuevan componentes de película fija flotantes dentro del biorreactor. Otro objetivo de la presente invención es proveer dicho clariflcador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y blopelicula que, además, opere como un inductor de flujo para redireccionar el volumen líquido del biorreactor junto con los componentes de película fija hacia el sistema de recirculación del biorreactor.

Otro objetivo de la presente invención es proveer dicho clariflcador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y blopelicula que, además, permita realizar la inyección de agua cruda al biorreactor y así propiciar una mezcla homogenizada con el resto del volumen dentro del biorreaetor mientras entra al sistema reeírcuiador.

Otro objetivo invención es proveer dicho ciarificador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y biopeiícula que, además, permita lograr producir un ambiente en donde pudiera proiiíerar la producción de blogás en un biorreaetor de naturaleza anaerobia sin comprometer la operación del mismo cuando se utilizan medios de película fija para albergar la colonia de bacteria.

Otro objetivo de la presente Invención es proveer ciarificador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples biomasas y biopeiícula que, además, permita separar el biogás de manera tal que los medios de película fija flotante no sean perturbados y a! mismo tiempo permite redireeeionar el flujo de manera controlada hacia el sistema de reeirculación que los mantiene en movimiento a lo largo de todo el biorreaetor.

Otro objetivo de la presente invención es proveer dicho elarificador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con biomasas y biopeiícula que, además, permita la coexistencia de diferentes tipos de biomasa dentro de un mismo biorreaetor lo cual incrementa la tasa de remoción de contaminantes presentes en el agua. BREVE DESCRIPCIÓN DEL INVENTO

De manera general el clarificador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y biopelícula consiste en un arreglo geométrico de doble cono inductor con un deflector barrenado para permitir el paso de biogás sin permitir que pasen los medios de película fija flotante presentes en el blorreacíor. El deflector también cumple con la función de redireccionar el volumen ascendente al centro del biorreactor para recireularlo hacia el fondo para incrementar el factor de contacto de la biomasa adherida a los medios de película fija flotante. El segundo cono interno permite crear un efecto Venturi tobera para que con la inyección de agua cruda al biorreactor se induzca un flujo que ayude a recírcular el volumen ya presente en la parte superior del biorreactor.

Dicho arreglo geométrico consta de un cono externo coíeetor de gases que en el borde inferior . de su pared comprende externamente un deflector anular de gases fijo con elementos de soporte/separadores, este último comprende centralmente en su extremo superior un inductor/tobera proyectado inferiormente de forma cónica y superiormente se conecta al menos un tubo colector de gases; en el extremo inferior de dicho inductor/tobera se comprende una mampara anular perforada con cierta curvatura a manera de domo para el paso de gases y la retención de bioportadores; e inferiormente se dispone un soporte anular de ali mentación del inducíor/tobera ; en donde dicho soporte anu lar además sujeta inferiormente un cono gu ia superior e interior en cuyo extremo inferior se acopla un duelo central de recirculación . El clarifícador/degasificador y red irecclonador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y biopelícu la , de conformidad con la presente invención , permite la separación eficiente del biogás producido dentro del biorreaetor sin afectar su funcionamiento. De igual manera, permite la coexistencia de diferentes tipos de biomasa dentro de u n mismo biorreaetor ¡o cual incrementa la tasa de remoción de contam inantes presentes en ei agua, Adicionaimente la geometría de dos conos , perm ite realizar inyección de agua cruda por el cono central para generar un efecto Venlu ri tobera que ayuda realizar de manera mas eficiente la recirculación del volu men total dentro del biorreaetor.

Finalmente , el seg u ndo cono exterior d irige el flujo ascendente q ue contiene medios de pel ícula fija flotante hacia el centro del biorreaetor donde vuelven a in iciar el proceso de recirculación hacia el fondo para incrementar el factor de contacto de la biomasa adherida a ellos.

Para comprender mejor las características de la invención se acompaña a la presente descripción , como parte integrante de la misma , _, los dibujos con carácter ilustrativo más no limitativo, q ue se describen a continu ación . BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra un corte transversal en el eje vertical del clarificador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y biopelicula, de conformidad con la modalidad preferida de la invención. La figura 2 muestra una perspectiva convencional del clarificador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y biopelicula, de conformidad con la modalidad preferida de la invención .

La figura 3 ilustra un diagrama isométrico esquemático del clarificador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y biopelicula, de conformidad con la modalidad preferida de la Invención,

Para una mejor comprensión del invento, a continuación, se describirá detalladamente de alguna de las modalidades del mismo, mostrada en ios dibujos que con fines ilustrativos mas no limitativos se anexan a la presente descripción.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL INVENTO Los detalles característicos del cíaríficador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con múltiples tipos de biomasas y biopelicula, se muestran claramente en la sigu iente descripción y en los d ibujos ilustrativos que se anexan , sirviendo los mismos signos de referencia para señalar las mismas partes. Con referencia a las figuras 1 y 3 el elarificador/degasificador y redireccionador de flujos de doble cono concéntrico para biorreactores con mú ltiples tipos de biomasas y biopelicula, consiste en un arreglo geométrico que está definido por un cono externo colector de gases {3} que en el borde anular inferior de su pared comprende externamente un deflecfor anular de gases (1 ) fijo con elementos de soporte/separadores (2) este ú lti mo comprende centralmente en su extremo superior un inductor/fobera (8) proyectado central mente hacia abajo que define una enfrada susfancial mente cónica y en el q ue superiormente se conecta externamente al menos u n tu bo colector de gases (9) ; en el extremo i nferior de dicho snduetor/tobera (8) se define una sección cil indrica donde se acopla u n a mampara anular perforada (7) con cierta cu rvatura a manera de domo y q ue presenta una pluralidad de perforaciones distribuidas aleatoriamente o con un patrón determ inado , para el paso de gases hacia una cámara su perior de gases y por debajo de d icha mampara anular perforada (7) se genera un a su perficie de retención de bioportadores. Por debajo de dicha mampara anular perforada (7) se acopla en la misma sección cilindrica de dicho inductor/tobera (8) un soporte anular (6) de alimentación del inductor/tobera (8); que sujeta interiormente un cono guia superior e interior (5) en cuyo extremo inferior se acopia un ducto central de recirculación de flujo (4) de la biomasa adherida a los medios de película fija flotante.

Dicho segundo cono guia superior e interior (5) permite crear un efecto Venturi tobera, para que con la inyección de agua cruda al biorreactor a través de dicho inductor/tobera (8), proyectado centralmente hacia abajo que define una entrada susiancialmenfe cónica, que induce un flujo que ayude a recircular el volumen ya presente en la parte superior del biorreactor para incrementar el factor de contacto de la biomasa adherida a los medios de película fija flotante

En la figura 2 se aprecia con mayor detalle la conformación del cono externo colector de gases (3), que en el borde anular inferior de su pared comprende externamente un deflector anular de gases (1 ) fijo con un pluralidad de elementos de soporte/separadores (2). Superiormente se aprecia el inductor/tobera (8).

El invento ha sido descrito suficientemente como para que una persona con conocimientos medios en la materia pueda reproducir y obtener los resultados que mencionamos en la presente invención. Sin embargo, cualquier persona hábil en el campo de la técnica que compete el presente invento puede ser capaz de hacer modificaciones no descritas en la presente solicitud, sin embargo, si para la aplicación de estas modificaciones en una estructura determinada o en el proceso de manufactura del mismo, se requiere de la materia rec en las siguientes reivindicaciones, dichas estructuras deberán ser comprendidas dentro del alcance de la invención.