CH623294A5 - - Google Patents

Description

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Vorrichtung zu beseitigen und eine Vorrichtung zur Durchführung biochemischer Prozesse bereitzustellen, die auf möglichst engem Raum sowohl eine optimale Begasung der Biomasse als auch Klärung ermöglicht.

Gegenstand der vorliegenden Erfindimg ist eine Vorrichtung für die Begasung von Biomasse in wässrigem Medium in Gegenwart von durch die Biomasse abbaubaren organischen Substanzen in einem Begasungsbecken, wobei konzentrisch um das Begasimgsbecken ein Klärraum für das begaste Biomasse-haltige Wasser vorgesehen ist und Begasungsbecken und Klärraum miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein 10 bis 32 Meter hohes Begasungsbecken, dessen Verhältnis Höhe/Durchmesser zwischen 40 und 0,2 liegt und auf dessen Boden oder dicht über dessen Boden Gaseinführstellen angeordnet sind, mit einem oder mehreren konzentrisch angehängten Klärräumen über Einlaufrohre mit Entgasungs-und Flockungszyklonen in Verbindung stehen, wobei sämtliche Klärräume ein Reiches Flüssigkeitsniveau besitzen;

b) das Flüssigkeitsniveau in den Klärräumen durch ein oder mehrere Überlaufrinnen so eingestellt wird, dass es 0,1 bis 2 Meter, vorzugsweise 0,3 bis 1 Meter unterhalb des Flüssigkeitsniveaus des Begasungsbeckens liegt;

c) eine der Zahl der Klärräume entsprechende Zahl von Schlammabzugsleitungen in eine Sammelleitung führt.

Die erfindungsgemässen Begasungsbecken stellen vorzugsweise hohe zylindrische Türme mit einem Höhe/Durchmesser-Verhältnis zwischen etwa 0,3 bis 32, besonders bevorzugt 0,5 bis 20 dar. Das Höhe/Durchmesser-Verhältnis kann im weitesten Bereich zwischen etwa 40 und 0,2 liegen. Die Wasserhöhe im Begasungsbecken liegt zwischen etwa 10 bis 32 m, vorzugsweise 18 bis 26 m.

Als Gaseinführstellen im Sinne der vorliegenden Erfindung kommen vorzugsweise Injektoren in Frage; wobei es vorteilhaft ist, diese auf dem Boden oder dicht über dem Boden des Begasungsbeckens vorzugsweise äquidistant zueinander anzuordnen.

Wird in das Begasungsbecken sauerstoffhaltiges Gas mit weniger als 50 Volumen-% Sauerstoff in das unter dem eigenen hydrostatischen Druck stehende Biomasse-haltige Wasser eingeführt, so werden die einzelnen Einführstellen mit einem Abstand von 0,5 bis 2 Meter, vom Mittelpunkt einer Gaseinführstelle gemessen, zueinander angeordnet. Jede Gaseinführstelle besitzt vorzugsweise eine begaste Querschnittsfläche von etwa 0,01 bis 0,1 m2, die mit je 100 bis 1.000 Effektiv-m3 Gas pro m2 Querschnittsfläche und pro Stunde belastet wird. Der Gasdruck des eingeführten Gases liegt etwa 0,01 bis 0,5 bar über dem hydrostatischen Druck der Gaseinführstelle (unter Effektiv-m3 wird das Gasvolumen, bezogen auf den Gasdruck und die Gastemperatur an der Gaseinführstelle, verstanden).

Wird in den Begasungsraum ein sauerstoffhaltiges Gas mit mindestens 50 Volumen-% Sauerstoff eingeführt, so besitzen die einzelnen Einführstellen einen Abstand von 2 bis 10 Meter, vom Mittelpunkt einer Gaseinführstelle gemessen. Jede Gaseinführstelle besitzt eine begaste Querschnittfläche von etwa 0,1 bis 0,5 m2, die mit je 100 bis 300 Effektiv-m3 Gas. pro m2 Querschnittsfläche und pro Stunde belastet wird.

Auch hier soll der Gasdruck des eingeführten Gases etwa 0,01 bis 0,5 bar über dem hydrostatischen Druck der Gaseinführstelle liegen.

Anstelle von Injektoren können auch Einlochböden oder Treibstrahldüsen verwendet werden. Das sauerstoffhaltige Gas

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wird vorzugsweise mit einer Treibflüssigkeit, besonders bevorzugt mit Biomasse-haltigem Wasser und/oder ungereinigtem Abwasser der Gaseinführstelle zugeführt. Die Treibflüssigkeit macht dabei 5—50 Volumen-%, vorzugsweise 10-30 Volu-men-% des Gasdurchsatzes aus.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung anhand der Figuren 1,2a, 2, 3a und 4,4a beschrieben.

Figur 2 stellt einen Längsschnitt, Figur 2a eine Draufsicht einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung dar.

Den Zahlen kommt dabei folgende Bedeutung zu:

10

Entgasungs- und Flockungszyklon

11

Verteilerarme

12

Prallteller

13

Einlaufrohr für Biomasse-haltiges Wasser

14

Klärraum

15

Ringraumboden

16

Räumeinrichtung

17

Biomasse, Abzugsleitung (nicht gezeichnet)

18

Überlaufrinne

19

Ablaufrohr für geklärtes Wasser

20

Begasungsbecken

21

Gaseinführstellen

22

Kühlleitungen für Wasser

23

Wasserspiegel

24

Rückführung Schlamm

25

Überschussschlammleitung

26

Zuleitungen für sauerstoffhaltiges Gas

27

Abdeckung

28

Pumpe

Die zu begasende Flüssigkeit wird mit sauerstoffhaltigem Gas (z.B. Luft), zugeführt über (26), über Rohrleitungen (22) den Begasungsstellen (21) zugeführt.

Der Wasserspiegel (23) im Begasungsbecken (20) liegt um den Druckverlust in den Einlaufrohren (13) und den Entgasungs- und Flockungszyklonen (10) höher als im Klärraum (14). Die zu klärende Flüssigkeit gelangt durch einen oder mehrere Zyklone (10) und Verteileranne (11) mit darüber angeordneten Pralltellern (12) in den Klärraum (14), der ringförmig um das Begasungsbecken (20) angeordnet ist. Die geklärte Flüssigkeit läuft über die Überlaufrinnen (18) und Ablaufrohre (19) ab und kann im Falle von Abwasser dem Vorfluter oder einer weiteren biologischen oder chem.-physik. Behandlung zugeführt werden. Die Biomasse sedimentiert im Klärraum (14) und wird mit einer Räumeinrichtung (16), die beispielsweise auf dem Ringraumboden (15) umfährt, pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch geräumt. Biomasse wird über die Leitung (17) am Ringraumboden (15) abgezogen und kann über eine Pumpe (nicht gezeichnet) und die Leitung (24) in die Saugleitung der Pumpe (28) in die Begasungsstellen oder über eine Verteilerleitung (nicht gezeichnet) am Begasungsbeckenboden in den Begasungsraum gleichmässig verteilt zurückgeführt werden. Der überschüssige Anteil wird über Leitung (25) abgeführt.

In der Draufsicht 2b erstrecken sich Überiaufrinnen, Zyklone und Ringraumboden über den ganzen Umfang des Ringraumes; der Übersicht halber sind diese Teile jedoch nur segmentweise dargestellt.

Fig. 3 stellt einen Halbschnitt einerweiteren speziellen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung dar; Figur 3 a stellt die Draufsicht dieser Vorrichtung dar.

Im einzelnen kommt den Ziffern folgende Bedeutung zu:

30 Begasungsbecken

31 Begasungsstellen

3

s io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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4

32

Zuleitung für begasende Flüssigkeit

33

Wasserspiegel

34

Einlaufrohr für Biomasse-haltiges Wasser

35

Entgasungs- und Flockungszyklon

36

Verteilerarme

37

Prallteller

38

Klärräume (4 Stück)

39

Stützen

40

Biomasseabzug

41

Überlaufrinne

42

Ablaufrohr

43

Zuleitungen für sauerstoffhaltiges Gas

44

Pumpe

45

Biomasseabzug

46

Rückführung Biomasse

Hierbei wird die zu begasende Flüssigkeit, eingeführt über die Pumpe (44) und die Zuleitung (32) zusammen mit sauerstoffhaltigem Gas, zugeführt über die Leitung (43), den Begasungsstellen (31) zugeleitet und in das Begasungsbecken (30) gepumpt und verteilt. Der Wasserspiegel (33) im Begasungsbecken 30 liegt um den Druckverlust (ca. 200 bis 500 mm) in den Einlaufrohren (34) und dem Entgasungs- und Flockungszyklon (35) höher als im Klärraum (3.8). Die zu klärende Flüssigkeit gelangt durch den Zyklon (35) und die Verteiler-arme (36) mit darüber angeordneten Pralltellern (37) in den Klärraum (38). Der Klärraum ist hierbei unterteilt in 4 trichterförmige Räume. Die Trichter besitzen eine Wandneigung von etwa 45 bis 75°, vorzugsweise 55 bis 65° gegen die Horizontale. Die geklärte Flüssigkeit läuft über die Überlaufrinne (41) und das Ablaufrohr (42) ab und kann beispielsweise im Falle der Abwasserreinigung dem Vorfluter oder einer weitergehenden biologischen oder chem.-physik. Behandlung zugeführt werden. Der Schlamm sedimentiert in dem Klärraum (38), der hier in Form von 4 Schlammtrichtern ausgebildet ist und kann über die 4 Bodenstutzen (39) und über eine Pumpe (nicht gezeichnet) und die Leitung (46) in die Saugleitung der Pumpe (44) in die Begasungsstellen oder über eine Verteilerleitung (nicht gezeichnet) am Begasungsbeckenboden in den Begasungsraum gleichmässig verteilt zurückgeführt werden. Der überschüssige Anteil der Biomasse wird über die Leitung (40) ausgeschleust. (In Figur 3b ist der Übersichtlichkeit halber die Überlaufrinne (41) zeichnerisch nicht dargestellt.)

Eine Variante der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform bsitzt 8 gleichartige trichterförmige Klärräume.

Figur 4 und 4a stellen eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung dar. Figur 4 stellt einen Halbschnitt, Figur 4a eine Draufsicht dieser speziellen Ausführungsform dar.

Im einzelnen kommt den Zahlen dabei folgende Bedeutung zu:

50

Begasungsbecken

51

Begasungsstellen

52

Zuleitungen für Biomasse-haltiges Wasser

53

Wasserspiegel

54

Einlaufrohre

55

Entgasungs- und Flockungszyklone

56

Verteilerarme

57

Prallteller

58

Klärräume (16 Stück)

59 Stützen

60 Biomasse-Abzug

61 Überlaufrinnen

62 Ablaufrohre für geklärtes Wasser

63 Zuleitungen für sauerstoffhaltiges Gas

64 Überschuss-Biomasseableitung

65 Rückführung Biomasse

66 Pumpe

Die zu begasende Flüssigkeit, eingeführt über die Pumpe (66) und die Zuleitung (52) wird, zusammen mit sauerstoffhaltigem Gas, eingeführt und in das Begasungsbecken (50) gepumpt. Der Wasserspiegel (53) im Begasungsbecken (50) liegt um den Druckverlust in den Einlaufrohren (54) und den Entgasungs- und Flockungszyklonen (55) höher als im Klärraum (58). Die zu klärende Flüssigkeit gelangt vorzugsweise über mehrere Zyklone (55) und Verteilerarme (56) mit darüber angeordneten Pralltellern (57) in die Klärräume (58), von denen 16 Stück trichterförmig um den Umfang des Begasungsbeckens angeordnet sind. Die Entgasungs- und Flockungszy-klone können hier, wie auch bei den bereits beschriebenen Ausführungsfoimen auch unter geringem Unterdruck betrieben werden. Jeweils über jeder zweiten Sattelfläche aufeinanderfolgender Klärräume ist ein Entgasungs- und Flockungszyklon, der sich auf dieser Sattelfläche abstützen kann, angebracht. An der Spitze jedes Trichters befinden sich Stutzen (59), über die die abgesetzte Biomasse über eine Leitung (60), über eine Pumpe (nicht gezeichnet) und die Leitung (65) in die Saugleitung der Pumpe (66) in die Begasungsstellen oder über eine Verteilerleitung (nicht gezeichnet) am Begasungsbeckenboden in den Begasungsraum gleichmässig verteilt zurückgeführt werden kann. Der überschüssige Biomasseanteil kann teilweise über die Leitung (64) ausgeschleust werden.

Die geklärte Flüssigkeit kann über die Überlaufrinnen (61) und Ablaufleitung (62) abgeführt werden.

In Figur 4b sind Überlaufrinnen, Zyklone und über Sattelflächen in Verbindung stehende Klärräume über den ganzen Umfang des Ringraumes angeordnet. Der Übersicht halber sind diese Teile jedoch in Figur 4b nur segmentvveise dargestellt.

Wird in der erfindungsgemässen Vorrichtung Abwasser gereinigt, so kann anschliessend das gereinigte Abwasser über die Überlaufrinnen dem Vorfluter oder mit dem vorhandenen Druckgefälle einer weiteren biologischen oder chem.-physik. Behandlung zugeführt werden. Vorzugsweise bei einer Ableitung in den Vorfluter wird der Niveauunterschied, der zwischen dem Wasserspiegel in den Klärräumen und dem Wasserspiegel des Vorfluters besteht, dazu ausgenutzt, um das abgeleitete Abwasser mit Sauerstoff aufzustärken. Dazu wird das geklärte Abwasser vorzugsweise der Druckseite eines Injektors zugeleitet und der Saugseite Luft- oder Sauerstoff-angerei-cherte Luft bzw. technischer Sauerstoff zugeführt, um im Abwasser einen gewünschten Sauerstoffgehalt einzustellen.

Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung ist es möglich, bei platzsparender Bauweise eine optimale Auslegung und Dimensionierung des Begasungsbeckens und der Klärräume vorzunehmen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht ferner eine hervorragende Ausnutzung der Pumpenenergie für alle Verfahrensschritte sowie für den Transport gebildeter Produkte.

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10

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20

25

30

35

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45

50

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60

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4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. 623 294

   2

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Vorrichtung für die Begasung von Biomasse in wässrigem Medium in Gegenwart von durch die Biomasse abbaubaren organischen Substanzen in einem Begasungsbecken, wobei konzentrisch um das Begasungsbecken ein Klärraum für das s begaste Biomasse-haltige Wasser vorgesehen ist und Begasungsbecken und Klärraum miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein 10 bis 32 Meter hohes Begasungsbecken, dessen Verhältnis Höhe/Durchmesser zwischen 40 und 0,2 liegt und m auf dessen Boden oder dicht über dessen Boden Gaseinführstellen angeordnet sind, mit einem oder mehreren konzentrisch angehängten Klärräumen über Einlaufrohre mit Entgasungsund Flockungszyklonen in Verbindung stehen, wobei sämtliche Klärräume ein gleiches Flüssigkeitsniveau besitzen; is b) das Flüssigkeitsniveau in den Klärräumen durch ein oder mehrere Überlaufrinnen so eingestellt wird, dass es 0,1 bis 2 Meter unterhalb des Flüssigkeitsniveaus des Begasungsbeckens liegt;

   c) eine der Zahl der Klärräume entsprechende Zahl von 20 Schlammabzugsleitungen in eine Sammelleitung führt.
2. 2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Begasungsbecken Höhe/Durchmesser-Verhältnisse zwischen 0,3 bis 32, vorzugsweise zwischen 0,5 bis 20 besitzt. 25
3. 3. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 2,

   dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungs- und Flockungs-zyklon zentrisch im Begasimgsbecken angeordnet ist und über Verteilerarme mit einem oder mehreren Klärräumen in Verbindung steht. 30
4. 4. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 2,

   dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als 8 konzentrisch angeordneten Klärräumen vorzugsweise die Zyklone in den Klärräumen angeordnet sind.
5. 5. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, 35 dadurch gekennzeichnet, dass sich über den Einlauf rohren in den Klärräumen Prallteller befinden.
6. 6. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5,

   dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Klärräume trichterförmig ausgestaltet sind und eine Wandneigung von 45 bis 40 75°, vorzugsweise 55 bis 65° gegen die Horizontale aufweisen.

   Bei aerob ablaufenden biochemischen Prozessen muss die für den Stoffwechsel der Mikroorganismen (Biomasse) nötige Sauerstoffmenge zugeführt und eine bestimmte Sauerstoffkonzentration aufrecht erhalten werden. Der für die Abwasserreinigung bzw. Fermentation notwendige Sauerstoff wird der Flüssigkeit aus der Gasphase zugeführt. Dies kann über Ober-flächenbelüfter, Treibstrahldüsen, Lochböden oder Injektoren erfolgen. Treibstrahldüsen sind beispielseise beschrieben in Chemie, Ingenieur, Technik, 42,474 (1970).

   Injektoren werden beispielsweise beschrieben in der Zeitschrift Chemie-Ingenieur-Technik 43 (1971) 6, 329-335. Die Injektoren gleichen im Aufbau Wasserstrahlpumpen, die ein fein verteiltes Luft-Wasser-Gemisch erzeugen. Injektoren werden vorzugsweise auf dem Boden oder unmittelbar über-dem Boden des Belebtschlamm- oder Fermentationsbeckens (nachfolgend kurz Begasungsbecken genannt) angeordnet. Diese Anordnung gewährleistet eine gleichmässige Durchmischung im ganzen Begasungsbecken.

   Als Treibwasser der Injektoren dient vorzugsweise das im Becken vorhandene Biomasse/Wassergemisch, im speziellen Fall der Abwasserbehandlung ein Gemisch aus Belebtschlamm/Abwasser. Biomasse und Wasser werden in der Regel anschliessend an die Begasung voneinander getrennt (Klärung). Der überwiegende Teil der abgesetzten Biomasse wird aus der Klärung ständig in das Begasungsbecken zurückgeführt. Der Überschuss kann nach Schlammeindickung und Filtration beispielsweise einer geordneten Deponie oder Weiterverarbeitung zugeführt werden.

   Bei den bisherigen Ausführungsformen für Belebtschlammbecken für die Abwasserbehandlung handelt es sich in der Regel um ebenerdige Betonbecken mit einer Tiefe bis zu etwa 6 m, denen sich räumlich getrennt die Aggregate für die Trennung von Belebtschlamm und behandeltem Wasser anschlies-sen. Als Kläraggregate eignen sich dabei insbesondere Trichterbecken (sog. Dortmund-Brunnen). Ein derartiger Dortmund-Brunnen ist in Figur 1 dargestellt und wird nachfolgend anhand der Figur 1 kurz erläutert:

   Dabei kommt den Zahlen in der Figur 1 folgende Bedeutung zu:

   1 Trichterbecken

   2 Einlaufrohre

   3 'Entgasungs- und Flockungszyklon

   4 Verteilerarme

   5 Prallteller

   6 Überlaufrinne

   7 Schlammabzug

   8 Ableitung gereinigtes Abwasser

   Im einzelnen erfolgt diese bekannte Klärung wie folgt:

   Das über ein oder mehrere Einlaufrohre (2) aus dem Begasungsbecken (nicht gezeichnet) zulaufende Abwasser strömt tangential in den Entgasungs- und Flockungszyklon (3) ein, wobei durch die intensive Drehbewegung die Koagulation des Schlammes beschleunigt und gleichzeitig die noch vorhandene Luft ausgetrieben wird. Über einen oder mehrere Verteiler-arme (4) befinden sich Prallteller (5), die dem ausströmenden belebtschlammhaltigen Abwasser eine horizontale Strömungskomponente geben. Gereinigtes Abwasser kann über die .Überlaufrinne (6) und die Ableitung (8) dem Vorfluter zugeführt werden, während über die Rohrleitung (7) der abgesetzte Schlamm abgezogen werden kann.

   Diese Dortmund-Brunnen werden in der Regel in Betonbauweise erstellt und stehen durch erdverlegte Rohrleitungen oder Rinnen mit dem Belebtschlammbecken in Verbindung. Durch die räumliche Trennimg zwischen Belebtschlammbek-ken und Kläraggregaten und den somit erforderlich werdenden Verteilersystemen entstehen hohe Druckverluste oder Niveauunterschiede zwischen Belebtschlamm- und Klärbecken.

   Es ist auch bereits eine Vorrichtung bekannt geworden, bei der Belüftung und Klärung des Abwassers in einem Becken erfolgen. Diese Vorrichtung besteht aus einem vorzugsweise runden Becken mit Wassertiefen von ca. 3 bis 5 Metern und einem Belebtschlammbecken-Durchmesser von ca. 8 bis 20 Metern. Die Belüftung erfolgt mit Oberflächenbelüftern, Begasungsrührern oder Kreiseln. Konzentrisch um das Belebtschlammbecken ist der Klärraum angeordnet.

   Da die konzentrische Trennwand von Begasungsraum und Klärraum ca. 0,2 bis 0,4 Meter unter dem gemeinsamen Flüssigkeitsspiegel liegt und am Boden beider Räume grosse Durchbrüche angeordnet sind, ist der Zulauf vom Begasungsraum ohne weiteres gewährleistet; ebenso ist eine Rückführung von Belebtschlamm durch die Bodendurchbrüche zum Begasungsbecken gewährleistet. Überschüssiger Belebtschlamm kann kontinuierlich oder von Zeit zu Zeit aus dem Klärraum abgezogen werden.

   Die wesentlichen Nachteile dieser bekannten Vorrichtung bestehen darin, dass die Turbulenz, die im Begasungsbecken notwendigerweise aufrechterhalten werden muss, sich auch auf den Klärraum überträgt, wodurch die Bedingungen für das Absetzen des Belebtschlammes sehr ungünstig sind. Ferner erfolgt bei dieser bekannten Vorrichtung die Rückführung des so

   55

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   Belebtschlammes in das Begasungsbecken weitgehend unkontrolliert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei der bekannten Vorrichtung der Klärraum horizontal durchströmt wird, was eine geringere Oberflächenbelastung als bei einem vertikal durchströmten Klärraum zur Folge hat.