DE102004055151B4 - Fixed bed reactor for biological purification of a fluid and a method thereof - Google Patents
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Abstract
Festbettreaktor zur biologischen Reinigung eines Fluids, insbesondere zur aeroben und anaeroben Reinigung von Abwassern, mit einem vertikal angeordneten Reaktorbehälter (10), in dem ein Fluid und ein aus einer Anzahl räumlich strukturierter Schüttkörper (16) ähnlicher Form gebildetes Festbett angeordnet ist, wobei der Reaktorbehälter (10) von unten nach oben von dem zu reinigenden Fluid durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Festbett aus schwimmenden Schüttkörpern (16) gebildet ist, dass im Reaktorbehälter (10) ein drehbar gelagertes, das Festbett haltende Haltelement (12) vorgesehen ist, wobei das Haltelement (12) fluiddurchlässig ausgebildet ist, dass das Halteelement (12) einen Boden (15) und/oder einen Deckel (13) aufweist und dass im Halteelement (12) radial ausgerichtete Trennwände (14) vorgesehen sind, so dass sich zwischen benachbarten Trennwänden (14) Kammern ausbilden.A fixed bed reactor for the biological purification of a fluid, in particular for the aerobic and anaerobic purification of waste water, comprising a vertically arranged reactor vessel (10) in which a fluid and a fixed bed formed of a number of spatially structured bulk bodies (16) of similar shape are arranged, the reactor vessel (10) from the bottom to the top of the fluid to be cleaned is flowed through, characterized in that the fixed bed of floating bulk bodies (16) is formed, that in the reactor vessel (10) is provided a rotatably mounted, the fixed bed holding member (12), wherein the holding element (12) is designed to be permeable to fluid, that the holding element (12) has a bottom (15) and / or a lid (13) and that in the holding element (12) radially aligned partitions (14) are provided, so that between forming adjacent partitions (14) chambers.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festbettreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren hierzu gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11.The The present invention relates to a fixed bed reactor according to the preamble of claim 1 and a method thereof according to the preamble of the claim 11th
Aus
der
Zur Konstruktion und Auslegung solcher Festbettreaktoren ist es aber heutzutage unerlässlich, auf computerunterstützte Simulationen zurückzugreifen, um eine kostengünstige Fertigung und eine wirtschaftliche und optimale Reinigung des Fluids zu erzielen. Um aber eine einfache mathematische Modellierung und Simulation zu erreichen, wäre es erforderlich, dass sich im Rohrreaktor eine Pfropfenströmung ausbildet, die die Mediumsvermischung in dem Trägermaterial in Richtung des Reaktorsausgangs stark reduziert und die die Voraussetzung dafür schafft, dass sich auf dem Fliesweg bis zum Reaktorausgang Mikroorganismen ansiedeln. Dabei sind die an der jeweiligen Stelle im Fliesweg siedelnden Populationen charakteristisch für das an der jeweiligen Stelle des Fliesweges angeordnete Substrat. Zudem wird es so möglich, den Festbettreaktor in kostengünstiger Weise mit einem eindimensionalen mathematischen Modell zu beschreiben.to However, construction and design of such fixed bed reactors is essential nowadays on computer aided Resorting to simulations, at a cost Production and economical and optimal cleaning of the fluid to achieve. But to do a simple mathematical modeling and To achieve simulation, it would be requires that a plug flow forms in the tube reactor, which the medium mixing in the carrier material in the direction of Greatly reduced reactor output and that creates the conditions for that on the flow path to the reactor outlet microorganisms colonize. Here are those at the respective place in the Fliesweg settling Populations characteristic of the arranged at the respective point of the flow path substrate. It also makes it possible the fixed bed reactor in cheaper To describe ways with a one-dimensional mathematical model.
Aus
der
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Festbettreaktor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auch nach längeren Betriebszeiten eine Pfropfenströmung ausgebildet ist.From that The present invention is based on the object, to create a fixed bed reactor of the type mentioned, at even after longer ones Operating times a plug flow is trained.
Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Festbettreaktor gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Verfahren hierzu gemäß den Merkmalen des Anspruches 11 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Festbettreaktors sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.When technical solution This object is achieved according to the invention a fixed bed reactor according to the features of claim 1 and a method for this according to the features of the claim 11 proposed. Advantageous developments of the fixed bed reactor are the respective subclaims refer to.
Ein nach dieser technischen Lehre ausgebildeter Festbettreaktor und ein nach dieser technischen Lehre ausgeführtes Verfahren haben den Vorteil, dass durch die Anordnung des Festbettes in einem fluiddurchlässigen, vorzugsweise aus Draht oder Drahtgeflecht hergestellten, drehbaren Halteelement das gesamte Festbett in der Pfropfenströmung bewegt werden kann, ohne das eine Durchmischung der das Festbett bildenden Schüttkörper erfolgt. Hierdurch können sich Mikroorganismen ungestört an den Schuttkörpern ansiedeln. Das fördert den vollständigen Abbau von organischen Zwischenstoffwechselprodukten, begünstigt die Produktausbeute und bewirkt eine effektive und intensive Reinigung des Fluids.One according to this technical teaching trained fixed bed reactor and A method carried out according to this technical teaching has the advantage that by the arrangement of the fixed bed in a fluid-permeable, preferably made of wire or wire mesh, rotatable Holding element moves the entire fixed bed in the plug flow can be, without the mixing of the fixed bed forming Bulk body takes place. This allows microorganisms are undisturbed at the rubble bodies colonize. That promotes the complete Degradation of organic intermediate metabolites, favors the Product yield and causes an effective and intensive cleaning of the fluid.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, als Festbett schwimmende Schüttkörper zu verwenden. Hierdurch wird eine optimale Verteilung des Festbettes innerhalb der Kammern des Halteelementes, erreicht, so dass lokale Unterschiede im Festbett weiter vermieden werden. Dies führt zu einer noch besseren und stabileren Pfropfenströmung. Auch führt die schwimmende Anordnung des Festbettes zu einem lockeren Nebeneinander der Schüttkörper so dass eine leichte und einfache Durchströmung des Festbettes möglich ist. Letzteres verringert die Gefahr einer Verblockung des Festbettes oder Teilen davon.One Another advantage is floating bedding as a fixed bed use. As a result, an optimal distribution of the fixed bed within the chambers of the holding element, achieved so that local differences be avoided in a fixed bed on. This leads to an even better and more stable plug flow. Also leads the floating arrangement of the fixed bed to a loose juxtaposition the bulk body like that that a simple and easy flow through the fixed bed is possible. The latter reduces the risk of blocking the fixed bed or parts of it.
Bei Verwendung von schwimmendem Schüttkörpern werden diese am Deckel gehalten und entsprechend der Drehbewegung mitbewegt, wobei das Fluid durch Deckel und/oder Boden hindurch treten kann um die Pfropfenströmung zu erhalten. Die Anordnung von im Haltelement radial ausgerichteten, fluiddurchlässigen Trennwände hat den Vorteil, dass sich im Halteelement einzelne Kammern ausbilden. Durch diese Kammern wird das Festbett in kleineren Einheiten gehalten und bewegt, so dass ein Vermischen der Schüttkörper während des Reinigungsprozesses vermieden wird. Letzteres begünstigt auch die Ansiedlung von Mikroorganismen im Festbett und somit die Reinigungswirkung des Festbettreaktors.When using floating bulk bodies they are held on the lid and moved in accordance with the rotational movement, wherein the fluid can pass through the lid and / or bottom to obtain the plug flow. The arrangement of radially-oriented in the holding element, fluid-permeable partitions has the advantage that form individual chambers in the holding element. Through these chambers, the fixed bed is held and moved in smaller units, so that a mixing of the bulk body is avoided during the cleaning process. The latter also favors the settlement of microorganisms in a fixed bed and thus the cleaning effect of the fixed bed reactor.
Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Rotation des Halteelementes das Festbett senkrecht zur Strömungsrichtung des zu reinigenden Fluids bewegt wird, so dass kein Impuls in Strömungsrichtung auf die Pfropfenströmung einwirkt. Folglich wird die Pfropfenströmung hierdurch nicht zerstört. Dabei wird das gesamte Festbett durch die Pfropfenströmung bewegt, was den Vorteil hat, dass einzelne Stellen des Festbettes immer wieder unter-schiedlich angeströmt werden mit der Folge, dass die Anlagerung und Anreicherung von Mikroorganismen begünstigt wird. Gleichzeitig werden durch die unterschiedliche Anströmung lokale Verblockungen oder Kurzschlüsse vermieden. Folglich kann das zu reinigende Fluid dauerhaft eine Pfropfenströmung ausbilden.Yet Another advantage is that the rotation of the Holding element the fixed bed perpendicular to the flow direction of the fluid to be cleaned is moved so that no pulse acts in the flow direction on the plug flow. consequently becomes the plug flow not destroyed by this. The entire fixed bed is moved through the plug flow, which has the advantage that individual places of the fixed bed always again flowed under different with the result that the accumulation and accumulation of microorganisms favored becomes. At the same time, the different flow causes local Blockages or short circuits avoided. As a result, the fluid to be cleaned can become a permanent one Form plug flow.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das einströmende Fluid im Fluideintrittsraum gemischt, wobei sich etwaige beim Eintritt des Fluids in den Festbettreaktor entstehende Konzentrationsgradienten im Fluideintrittsraum egalisieren, so dass die aus dem Fluideintrittsraum in den Reaktorbehälter eintretende Strömung bereits homogenisiert ist. Hierdurch wird die Bildung einer Pfropfenströmung im Festbett und die Aufrechterhaltung der Pfropfenströmung im Festbett begünstigt.In An advantageous development is the inflowing fluid mixed in the fluid inlet space, with any on entry of the fluid in the fixed bed reactor resulting concentration gradients equalize in the fluid inlet space, so that the from the fluid inlet space in the reactor vessel incoming flow already homogenized. As a result, the formation of a plug flow in the Fixed bed and maintaining the plug flow in a fixed bed favored.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Fluideinlass und/oder die Gaseintrittsleitung in den Fluideintrittsraum münden zu lassen, damit die Homogenisierung der Strömung außerhalb des Festbettes erfolgen kann.there It has proven to be advantageous to the fluid inlet and / or the gas inlet line into the fluid inlet space lead to so that the homogenization of the flow outside the fixed bed done can.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Fluideintrittsraum als Rührkessel ausgebildet, in dem ein Rührwerk das eintretende und das vorhandene Fluid homogenisiert. Dies hat den Vorteil, dass eine sehr viel schnellere und kostengünstigere Homogenisierung erreicht wird.In an advantageous embodiment is the fluid inlet space as a stirred tank formed in which a stirrer the incoming and the existing fluid homogenized. this has the advantage of being a much faster and more cost effective Homogenization is achieved.
In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Halteelement bis an die Wand des Reaktorbehälters heranreichen zu lassen, damit durch den minimalen Spalt zwischen Halteelement und Reaktorbehälter eine Kurzschlussströmung vom Eingang zum Ausgang des Reaktorbehälters vermieden wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine größtmögliche Menge an Schüttkörpern eingesetzt werden kann. Dies führt zu einer größtmöglichen Effizienz des Festbettreaktors.In another, preferred embodiment It has proved to be advantageous, the retaining element to the Wall of the reactor vessel to let it reach, so that through the minimal gap between Holding element and reactor vessel a short circuit flow From the entrance to the outlet of the reactor vessel is avoided. Another advantage is that a maximum amount of Bulk solids used can be. this leads to the largest possible Efficiency of the fixed bed reactor.
Der erfindungsgemäße Festbettreaktor kann zur aeroben und anaeroben Reinigung von Abwassern eingesetzt werden. Es versteht sich, dass das Halteelement derart fluiddurchlässig ausgebildet ist, dass das zu reinigende Abwasser gut hindurch treten kann. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Halteelement aus Draht oder aus einem Drahtgeflecht herzustellen, da hierbei sehr großzügige Öffnungen realisiert werden können, ohne die Stabilität und Funktionalität des Halteelementes zu beeinflussen. Es versteht sich, dass die im Halteelement vorgesehenen Öffnungen so ausgebildet sind, dass die einzusetzenden Schüttkörper nicht durch diese Öffnungen hindurchtreten können und somit zuverlässig im Halteelement gehalten werden.Of the Fixed bed reactor according to the invention Can be used for the aerobic and anaerobic purification of waste water become. It is understood that the holding element designed such fluid permeable is that the wastewater to be purified can pass well. there It has proved to be advantageous, the retaining element made of wire or to make a wire mesh, as this very generous openings can be realized without the stability and functionality to influence the holding element. It is understood that in the Holding element provided openings are formed so that the bulk material to be used not through these openings can pass through and thus reliable in the Retained holding element.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist unterhalb des Halteelementes mindestens ein Rührwerk vorgesehen, der das im Fluideintrittsraum befindliche Fluid vermischt und gleichmäßig in Richtung Halteelement bewegt. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch im Festbett dauerhaft eine gleichmäßige Pfropfenströmung entsteht.In a further preferred embodiment is provided below the holding element at least one agitator, which mixes the fluid in the fluid inlet space and uniformly in the direction Holding element moves. This has the advantage that in this way in a fixed bed permanently creates a uniform plug flow.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Rührwerk über einen Drehmomentenwandler mit der Welle und mit dem Halteelement zu verbinden. Dies hat den Vorteil, dass die Leistung des Rührwerkes den Bedingungen im Festbett und/oder im Rührkessel angepasst werden kann, dass stets eine optimale Durchmischung des Fluids und dauerhaft eine annähernd gleichmäßige Propfenströmung erreicht wird.there It has proved to be advantageous, the agitator via a torque converter to connect with the shaft and with the retaining element. This has the Advantage that the performance of the agitator can be adapted to the conditions in the fixed bed and / or in the stirred tank, that always optimal mixing of the fluid and durable an approximate uniform plug flow is achieved.
Auch der unterhalb des Halteelementes angeordnete Fluideinlass mit seinen über die Fläche verteilten Auslassöffnungen und insbesondere das Ausrichten der Auslassöffnungen weg vom Halteelement unterstützen die gleichmäßige Pfropfenströmung.Also the arranged below the holding element fluid inlet with its on the Distributed area outlet and in particular the alignment of the outlet openings away from the retaining element support the uniform plug flow.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das zu reinigende Fluid sich vor dem Eintritt ins Festbett völlig mit dem im Reaktor befindlichen Fluid vermischt, so dass kein Konzentrationsgradient in radialer Richtung entsteht. Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die eindimensionale Pfropfenströmung der Festbettreaktor dauerhaft die vorher mathematisch simulierten Verhältnisse erfüllt, so dass eine kostengünstige und zuverlässige Berechnung des Festbettreaktors möglich ist.One Another advantage is that the fluid to be cleaned completely before entering the fixed bed mixed with the fluid in the reactor, so that no concentration gradient arises in the radial direction. Yet another advantage exists in that by the one-dimensional plug flow the Fixed bed reactor permanently the previously mathematically simulated conditions Fulfills, so that cost-effective and reliable Calculation of the fixed bed reactor is possible.
In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform ist unmittelbar unter dem Halteelement eine Gaszuführleitung vorgesehen. Dabei wird vorzugsweise Luft oder Inertgas mittels über die Fläche verteilte Auslassöffnungen in das Fluid eingelassen.In another, preferred embodiment is immediately below the holding element a gas supply intended. In this case, preferably air or inert gas by means of the area distributed outlet openings embedded in the fluid.
In noch einer anderen, bevorzugten Ausführungsform hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mit einem Hohlraum versehene Schüttkörper einzusetzen. Hierdurch wird die Oberfläche des Schüttkörpers vergrößert, so dass sich ausreichende Organismen daran ansiedeln können.In yet another preferred embodiment, it has as proven advantageous to use provided with a cavity bulk body. hereby becomes the surface of the bulk body increased, so that sufficient organisms can settle on it.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist der Schüttkörper einen durchgängigen Hohlraum auf. Dies hat den Vorteil, dass der Schüttkörper einen geringen Strömungswiderstand aufweist, wodurch die Fluiddurchströmung gefördert wird.In In a preferred embodiment, the bulk body has a continuous cavity on. This has the advantage that the bulk body has a low flow resistance has, whereby the fluid flow is promoted.
Auch ist es vorteilhaft, die Kammern des Halteelementes, nicht zu sehr mit Festbett zu befüllen, sondern diese Füllung auf 75% bis 95% zu beschränken. Hierdurch ist gewährleistet, dass sich die einzelnen Schüttkörper innerhalb des Halteelementes, beziehungsweise der Kammer, bewegen können und somit eine gleichmäßige Füllung erzeugen, was die Gefahr von Verblockungen oder Kurzschlüssen reduziert.Also it is advantageous, the chambers of the holding element, not too much to fill with a fixed bed, but this filling to 75% to 95%. This ensures that that the individual bulk solids within of the holding element, or the chamber, can move and thus produce a uniform filling, which reduces the risk of blockages or short circuits.
Zum Betrieb des erfindungsgemäßen Festbettreaktors hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Halteelement nur so langsam zu drehen, dass eine, vorzugsweise axiale, Durchmischung des Festbettes vermieden wird, damit die angesiedelten Mikroorganismen nicht gestört werden. Außerdem wird durch ein konstant angeordnetes Festbett auch die Pfropfenströmung dauerhaft erhalten bleiben.To the Operation of the fixed bed reactor according to the invention it has proved to be advantageous, the retaining element only so slowly to turn that avoided a, preferably axial, mixing of the fixed bed so that the settled microorganisms are not disturbed. Furthermore By a constant fixed bed and the plug flow is permanent remain.
Darüber hinaus hat sich als vorteilhaft erwiesen, Luft, Sauerstoff (aerobe Prozesse), Gas oder ein Inertgas (anaerobe Prozesse) zuzugeben, um die Reaktionsfreudigkeit des zu reinigenden Fluids zu beschleunigen oder das Wachstum der Mikroorganismen zu fördern mit dem Ziel, eine effektivere Reinigung des Abwassers zu erreichen.Furthermore has proven to be beneficial to air, oxygen (aerobic processes), Add gas or an inert gas (anaerobic processes) to the responsiveness accelerate the fluid to be purified or the growth of the To promote microorganisms with the aim of achieving a more effective purification of the wastewater.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Festbettreaktors ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung und den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter. Es zeigen:Further Advantages of the fixed bed reactor according to the invention result from the attached drawing and the embodiments described below. Likewise, the The above-mentioned and the still further features according to the invention in each case be used individually or in any combination with each other. The mentioned embodiments are not as final enumeration but rather have an exemplary character. It demonstrate:
In
den
Jede
Kammer wird von zwei Trennwänden
In
jeder Kammer sind eine Anzahl von Schüttkörpern
Die
Trennwände
An
den eigentlichen Reaktorbehälter
Unterhalb
des Rührwerkes
Dabei
unterstützt
das Rührwerk
Oberhalb
des Reaktorbehälters
Außerhalb
des Festbettreaktors sind die Gaseintrittsleitung
Zwecks
einer anschaulichen Darstellung des Festbettreaktors ist in
Die
Reinigung von Abwasser geschieht wie folgt: Das zu reinigende Fluid
(Flüssigkeit
oder Abwasser) wird über
den Fluideinlass
Falls
die Durchmischung nicht ausreichend ist, kann die Rücklaufpumpe
Etwaig
vorhandene Feststoffe setzen sich im Schlammspeicher
Der
Reaktorbehälter
Unter
anderem wegen der zylindrischen Ausbildung des Reaktorbehälters
Gleichzeitig
bewirkt das gitterförmige
Halteelement
Durch die zuverlässige und stabile Ausbildung der Pfropfenströmung im Festbettreaktor erfolgt einerseits eine gute Reinigung des Fluids und andererseits besteht hierdurch die Möglichkeit, die Vorgänge im Festbettreaktor mathematisch zu simulieren, da durch die eindimensionale Pfropfenströmung eine eindimensionale mathematische Berechnung möglich wird, die mit geringem Kostenaufwand durchführbar ist.By the reliable one and stable formation of the plug flow in the fixed bed reactor takes place on the one hand a good cleaning of the fluid and on the other hand, this is the possibility, the processes in the fixed-bed reactor to simulate mathematically, because by the one-dimensional Plug flow one one-dimensional mathematical calculation becomes possible with low Cost incurred feasible is.
- 1010
- Reaktorbehälterreactor vessel
- 1212
- Halteelementretaining element
- 1313
- Deckel des Haltelementescover of the holding element
- 1414
- Trennwandpartition wall
- 1515
- Boden des Haltelementesground of the holding element
- 1616
- Schüttkörperbulk body
- 1818
- Stützesupport
- 1919
- Wellewave
- 2020
- Rührkesselstirred tank
- 2222
- Rührwerkagitator
- 2424
- Schlammspeichersludge storage
- 2626
- Schlammauslasssludge
- 2828
- Fluideinlassfluid inlet
- 3030
- GaseintrittsleitungGas inlet pipe
- 3131
- Deckel des Festbettreaktorscover of the fixed bed reactor
- 3232
- Gasablaufgas flow
- 3434
- Flüssigkeitsablaufliquid drain
- 3636
- RücklaufpumpeReturn pump
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