CN100396624C - 用于在具有整体液压沉降层提取的生物反应器中生物处理悬浮液的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于在生物反应器(2)中生物处理悬浮液的方法和装置。为了循环悬浮液，至少一部分悬浮液通过垂直设置的导入区域(5)而导入，以便产生悬浮液的垂直流。为了克服沉积物问题，提出了在生物反应器(2)底部附近的垂直流通过用至少一个喷嘴(11)导入流体，特别是液体自由射流而叠加一水平流，这样朝向生物反应器(2)的中心抽取区域生成旋转流。

Description

用于在具有整体液压沉降层提取的生物反应器中生物处理悬浮液的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在一个于底部附近具有中心输出口的生物反应器中生物处理悬浮液的方法，其中为了悬浮液的循环，至少一部分悬浮液通过垂直校准的导入区域导入，从而形成延伸至生物反应器底部附近的或从生物反应器底部附近流出的至少一部分悬浮液的垂直流。本发明还涉及一种用于实施该方法的装置。

背景技术

用于生物处理悬浮液的方法例如是用于生物处理废水、污水泥浆或厨房废物的有氧或无氧方法，在这些方法中，悬浮液所含的可生物分解的物质被微生物分解。

以下对于用于获得生物气体的方法应理解为无氧处理含有生物可分解的物质的悬浮液，特别是处理污水泥浆时废物或泥浆发酵物的发酵。在此，生物可分解物质，也称为发酵介质，在称为发酵反应器的生物反应器中在隔绝空气下发酵成生物气体。为了在发酵反应器中充分混合发酵介质，常常使用机械搅拌系统或液压循环泵系统。也应用在发酵反应器底部附近多次压入气体。

对于所谓的循环反应器，气体注入到设置在发酵反应器内部的中心导管中，由此将发酵介质抽取到导管中。以这种方式，例如发酵反应器底部附近的发酵介质直至处于发酵反应器表面的发酵介质都可通过导管输送，从而至少大部分发酵介质可在发酵反应器中循环。例如在DE 19725 823 A1中描述了一种这样的系统。该系统除了有基本的特征外，即在发酵反应器中没有活动的部件，还有其他的优点：例如通过垂直循环达到梯度小的、良好的充分混合。此外还以热水流的双层导管的形式提供了在发酵反应器中载热体一体化的可能性。另外，将气体气泡吹入到循环流中并形成与其相连的表面流以及以径向方向的表面流的紊流混合，由此可克服漂浮覆盖物的形成。由于确定的对于中心底部抽取出口方向的沉积物输送在底部附近的流量比，最终也阻止了沉积物的淤积。

然而在实际工作运转中已经表明，对于特殊的泥浆和废物质量，其被输入到特定装置的发酵反应器中可出现漂浮层和沉积物的问题，这将需要附加的措施加以解决。

这涉及到具有较高含量的去垢剂和细纤维的塑料颗粒和纤维素颗粒的泥浆，例如由公共废水处理或特殊的工业有机废物产生的泥浆，以及高粘度的泥浆，其含有一定来源的较大量的细玻璃碎片和其他无规律地形成的惰性颗粒。

最初的物料可导致漂浮物，其在反应器中发酵物表面的外部区域富集，在此径向衰减的湍流对于混合是不够的。对于不类似于沙子的沉积物(已成圆形的石英颗粒)，由于它们不规则的破碎边缘圆角，可导致颗粒的挂钩，这对于向中心底部提取的液压输送意味着更高的阻力。

因此，本发明的目的是提供一种上述种类的方法，以避免沉积物问题。

发明内容

根据本发明，该目的在方法方面是如下解决：在生物反应器的底部附近的垂直流通过导入液体而叠加一水平流，由此在生物反应器的中心出口区域产生螺旋流。

本发明的基本思想还在于，液压喷射系统加上气体诱导循环反应器原理。这样可利用具有导入管和气体压入的循环反应器在工艺技术方面的优点，并同时通过液压系统的循环工作克服特殊介质引起的问题，而且不显著提高向生物反应器系统的能量输入。

工艺技术的计算证明，在底部附近向生物反应器喷入的液体自由射流对底部附近的液体物料旋转起作用。由于向下而且在底部附近朝向中心的垂直反应器循环的液体流与底部附近的旋转叠加，出现朝向反应器中心的螺旋流。在反应器器壁附近区域中的循环流是最小的，因而沉积物的沉积是可能的，而在反应器器壁附近区域的附加流支持将颗粒向反应器的中心输送而到达抽取区域。这将通过所谓的“Teetassen效应”来实现，因为根据Bemoullischen方程在这个方向要出现局部的压力下降。

对于反应容积高达8000m³以及直径高达22m的反应器，将流动速度为10-15m/s的流体、优选作为液体自由射流导入生物反应器中是足够的。此外，优选将体积通量为300-600m³/h的液体导入生物反应器中。这样可产生必需的脉冲流，使得底部附近的液体物料以约0.5m/s的速度在容器器壁附近旋转。

此外已经证明特别有利的是，与径流的设置角为40-60°将流体导入反应器中，以产生引起必需的转矩。此外调节与水平面的倾角为0-10℃，以补偿在射流区域(气泡)中取决于介质的浮力。作为流体实用地是应用一部分悬浮液，其是从生物反应器抽吸取的，并且优选地通过喷嘴作为液体自由射流导入到生物反应器中。

对于不规则成形的固体物小颗粒，总的液体运动尚不足以再次提升已经沉积了的颗粒。然而令人惊奇地显示出，在具有局部速度大于平均液体速度的有效的自由射流区域的区域中，底部沉积物显著地比其他的沉积区域少。在此，碎片运动的规律在起作用，在该规律中，根据“马格努斯效应”，通过底部中滚动的小颗粒运动而将引起小颗粒的垂直的浮升力，其局部地提升小颗粒，从而小颗粒又被带向朝向中心的流动场中。

在该运动过程总和中，边缘附近的沉积物向反应器中间移动。这种效应通过在底部基底加工成朝向容器中心的倾角在优选的10-20°之间而得到支持，以能够使用通常的基础设计技术。

液体自由射流实用地通过外部所配置的泵产生，必需量的液体从反应器中抽出并再次通过喷嘴输送回反应器。

为了保证所述的马格努斯效应作用于整个容器周边，优选地通过多个在底部附近在生物反应器的周边内分布的喷嘴将流体导入到生物反应器中。根据反应器的大小，在生物反应器的周边内以相应的距离设置1至5个喷嘴。

喷嘴的同时工作意味着液压附加系统2-5倍的能量消耗。然而令人惊奇地显示，上述效应在底部喷嘴时间上交错工作也是可实现的，因为即使在中间时间内经沉积的颗粒根据效应还可再次地被进一步输送。所以根据本发明特别优选的实施方案，所有所安装的喷嘴与一个泵连接，从这个泵通过顺序的循环转换而顺序地加载到各个喷嘴。这使得效率高但费用低的维护的工作方式成为可能。

假如能从生物反应器中沉积的颗粒需要一定的外循环，那么可将相应于所期望的分离度而确定了尺寸的水力旋流器接入用于自由射流系统的泵导管中。然后泵的抽吸导管实用地通到生物反应器的底部中心，在此有富含沉积物的介质部分。

根据本发明思想的其他实施方案，强化的漂浮泥浆处理也通过喷嘴系统进行，所述喷嘴设置于容器周边的表面附近。在此，从生物反应器抽出的流体部分地或以时间顺序附加地通过至少一个在悬浮液水平高度的区域安置的喷嘴如下导入到生物反应器中：悬浮液表面和/或在悬浮液表面上漂浮着的漂浮泥浆被移入到旋转流中。优选地，流体通过在容器周边内切线方向设置的喷嘴导入到生物反应器中。在此，喷嘴可如在底部附近所设置的喷嘴那样由同一个泵加载。当接通循环被估计是较少的而且可期望底部系统一或二个附加的接通循环时，这种通过底部喷嘴泵的液压连接是特别合适的。与此相反，对于取决于介质的漂浮泥浆喷嘴的经常工作运转，就应选用一个独立分开的泵。

在容器周边附近富集的漂浮泥浆颗粒和浮渣颗粒有长时间的粘结和固体化的趋势。因此，必须经常地湿润它们并保持其可滑动性，松开其联接并从粘性附着的气泡中脱离出来，以减小浮力。在表面附近提取也必须是可能的。

在整个反应器周边完全去除在技术上是没有意义的，因为钢制的发酵反应器大部分在强度上不是针对在反应器顶部斜面区域中的液面而设计的。因此，自由的液体表面相当于圆柱体反应器部分的横截面。

根据本发明特别优选的实施方案，这问题这样解决，即、液压地通过优选的至少一个在容器周边切线方向设置的喷嘴用液体自由射流冲击通过径向表面流从导入区域到容器边缘外部环形的推在一起的漂浮覆盖层，并通过经传输的脉冲转变成循环流。在此漂浮泥浆环运动通过射流区域，而且在此以所期望的方式湿润和松散开。

在液体表面的高度具有可推移的下沉导管并且在容器内壁径向紧密连接的漂浮泥浆抽取装置实用地使得漂浮物的必需抽取成为可能，这种漂浮物不能再搅拌入悬浮液中。通过生物反应器中水平高度的改变可以调节条件，使得漂浮覆盖层通过抽取装置旋转或者物料以装料的方式推入到抽取装置的装料箱中。

在此，一个具有与底部喷嘴类似尺寸的喷嘴优选地以如下的距离安装在漂浮泥浆抽取装置之前，即、它以还是足够的脉冲将物料冲入到抽取装置的装料箱中。与此相对立的是优选安装第二个喷嘴，其用于运动和湿润。二个喷嘴实用地也是循环工作的。

除了用于悬浮液的生物处理的方法外，本发明还涉及用于悬浮液的生物处理的装置，其具有用于容纳悬浮液的生物反应器，其中，在生物反应器的内室设置有直至生物反应器底部附近的具有用于悬浮液再循环的垂直装置的导管传输装置。

在装置方面所提出的目的根据本发明这样解决，即在生物反应器的底部附近设置至少一个喷嘴用于将流体导入到生物反应器中。

该喷嘴实用地通过与生物反应器内室连接的输入管道和一个泵是可用悬浮液冲击的。优选地在生物反应器周边的底部附近分布设置多个喷嘴。在此，这些喷嘴优选地与一个共同的泵相连接。为了补偿取决于介质的浮力，喷嘴优选地以与水平面0-10°之间的倾角设置。

根据本发明的装置的其他实施方案，与生物反应器内室连接的导入管道附加地与至少一个在悬浮液水平高度的区域内设置的用于将流体导入生物反应器中的喷嘴连接。在此，该喷嘴实用地设置在容器周边切线方向。该喷嘴优选与生物反应器底部附近设置的喷嘴一样与同一个泵相连接。

附图说明

以下根据在附图中图示出的实施例更清楚地解释本发明。

图1所显示的是发酵液体废物的装置的示意图。

具体实施方式

在附图中例示出用于发酵液体废物的装置。液体废物以在附图中未示出的预处理步骤这样处理，即生成泥浆或水解产物。泥浆或水解产物与发酵介质称为悬浮液通过管道1输送到称为发酵反应器2的生物反应器中。在发酵反应器2中泥浆或水解产物进行生成甲烷的过程。在此，发酵反应器2保持在无氧的条件下并循环发酵反应器内容物。在发酵的泥浆或水解产物中含有无氧生物物料转变成部分地是二氧化碳和甲烷的有机物质。产生的生物气体通过管道3从发酵反应器2中抽取出。

因为泥浆或水解产物也含有硫化合物，所以如不采取进一步的措施可能形成H₂S，其可能最终又在生物气体中发现。为了减少在生物气体中不期望的H₂S份额，将所有的发酵反应器内容物确定地以在含氧的气体和发酵介质之间足够的接触时间下输送通过导管5内的含氧区域。出于这个目的，发酵反应器2设置成循环反应器，其具有以中心的、垂直安置的导管5的形式内置的环路，其起到作为含氧区域的作用。在此，在导管内室下部所抽取的生物气体用作动力气体，其通过生物气体分支管道6从发酵反应器2的生物气体排放处分流。由于在导管5中混合物密度下降和气体的浮力，发酵介质从下向上输送通过导管5。在此液压比例通过选择导管的几何形状和所压入的生物气体流的形状结构而调节，即所有的发酵反应器内容物至少每小时二次通过导管5抽取。在导管5的内上升流中，空气通过气体压入管道7以这样的量的比例掺入，即发酵介质在通过导管5的过程中得到足够的氧接触，以以所期望的方式在它的代谢作用过程中限制H₂S的生成。同时氧气以生物化学的方式分解到如下的程度：在生物气体中没有对过程起消极影响的氧气份额。在此，空气的需要量可减少到最低限度，使得在生物气体中的氮气对于进一步的热量利用不导致显著的气体质量降低。为了保持一个对于发酵介质的生物处理最佳的工作温度，导管5被构成为可加热的。在此，导管5具有双壁的外套，其具有输入8和用于热水的支路9。附加地或代替地，发酵反应器内容物可通过处于外部的热交换器19调节温度，该热交换器中流过热水。

为了克服特殊介质引起的问题情况，特别是对于特殊的泥浆和废物生成的沉积物问题，液压射流系统叠加经气体诱导的循环反应器原理。以这种方式可以利用具有导管5和气体压入管道7的循环反应器的方法技术优点，同时解决特殊介质引起的问题，而不用显著提高用于发酵系统的能量输入。出于这个目的，通过管道15和泵16将发酵介质从发酵反应器中抽出并通过管道12输送到喷嘴11。

通过喷嘴11，发酵介质作为具有10-15m/s的喷嘴速度和300-600m³/h的容积通量的液体自由射流在底部附近区域导入到发酵反应器2中。对于反应容积高达8000m³以及直径高达24m的发酵反应器，以这种方式生成必需的脉冲流，使得底部附近的液体物料以约0.5m/s的速度在容器器壁附近旋转。在此喷嘴11具有50-120mm的直径，并根据容器的大小和过程参数设置成朝向半径射流约40-60°，以诱导引起转矩。喷嘴11对于水平面0和10°之间的倾角补偿了在射流区域中取决于介质的浮力。实际上，在整个发酵反应器-容器周边根据反应器的大小在周边以相应的距离设置2-5个喷嘴。出于清楚简明的原因，在附图中只图示出了一个喷嘴11。所有安装的喷嘴与唯一一个泵(即泵16)连接，由这个泵顺序地循环转接而加载冲击。这使得效率高且维护少的工作方式成为可能。

还为了克服漂浮泥浆的问题，分支管道14从泵16通向在发酵反应器-容器周边的表面附近设置的喷嘴13。当接通循环被估计是较小的，而且底部系统可以期望一或二个附加的接通循环时，喷嘴13的液压连接通过泵16进行。对于喷嘴13取决于介质的经常工作，优选使用一个独立分开的泵。如同在底部附近设置的喷嘴11一样，这对于表面附近设置的喷嘴13也是适宜的，即设置多个喷嘴。然而出于清楚简明的原因，在附图中又只图示出了一个喷嘴13。

Claims (23)

1.一种用于在具有底部附近中心抽取区域的生物反应器中生物处理悬浮液的方法，其中为了循环悬浮液，至少一部分悬浮液通过垂直校准的导入区域导入，从而形成延伸至生物反应器底部附近的或从生物反应器底部附近流出的至少一部分悬浮液的垂直流，该垂直流是通过将气体注入导入区域而诱发的，其特征在于，垂直流在生物反应器的底部附近通过导入流体而叠加一水平流，这样朝向生物反应器的抽取区域生成旋转流。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，将流速为10-15m/s的流体导入到生物反应器中。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，将容积通量为300-600m³/h的流体导入到生物反应器中。

4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在生物反应器底部附近的生物反应器器壁处旋转流的流速为0.5m/s。

5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，流体以对于半径射流40-60°的展角导入到生物反应器中。

6.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，流体以向水平面以下倾斜0-10°的角度导入到生物反应器中。

7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，悬浮液被用作流体，该悬浮液从生物反应器中抽取出并通过喷嘴导入到生物反应器中。

8.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，流体通过多个在底部附近在生物反应器周边处分布的喷嘴导入到生物反应器中。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，喷嘴以一定的时间间隔用流体加载冲击。

10.根据权利要求8的方法，其特征在于，喷嘴用共同的一个泵工作，并通过顺序的循环连接接通而加载冲击。

11.根据权利要求7的方法，其特征在于，悬浮液从生物反应器的底部中心抽吸。

12.根据权利要求7的方法，其特征在于，从生物反应器抽吸出的流体部分地或以时间顺序附加地通过至少一个设置于悬浮液水平高度区域中的喷嘴导入到生物反应器中，使得悬浮液表面和/或在悬浮液上漂浮的漂浮泥浆向旋转流移动。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于，流体通过在容器周边切线方向设置的喷嘴导入到发酵反应器中。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于，喷嘴如同在底部附近设置的喷嘴一样共用一个泵加载冲击。

15.一种具有用于容纳悬浮液的生物反应器的用于生物处理悬浮液的装置，其中，在生物反应器的内室中设置一个直至生物反应器底部附近的具有垂直校准装置的导管装置以及一个气体注入装置以循环悬浮液，其特征在于，在生物反应器底部附近设置至少一个用于将流体导入到生物反应器中的喷嘴。

16.根据权利要求15的装置，其特征在于，喷嘴通过与生物反应器内室连接的导入管道和泵而加载冲击悬浮液。

17.根据权利要求15或16的装置，其特征在于，多个喷嘴分布设置在底部附近在生物反应器的周边处。

18.根据权利要求17的装置，其特征在于，喷嘴与共同的一个泵相连接。

19.根据权利要求17的装置，其特征在于，喷嘴以与水平面0和10°之间的倾角设置。

20.根据权利要求16的装置，其特征在于，生物反应器底部具有从容器边缘至中间为10-20°的倾角。

21.根据权利要求16的装置，其特征在于，与生物反应器的内室连接的导入管道附加地与至少一个在悬浮液水平高度的区域中设置的喷嘴相连接。

22.根据权利要求21的装置，其特征在于，喷嘴是在容器周边的切线方向设置的。

23.根据权利要求21或22的装置，其特征在于，喷嘴如同在生物反应器的底部附近设置的喷嘴那样是与同一个泵相连接的。

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