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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur anaeroben
Wasserbehandlung mittels eines anaeroben Aufström-Schlammbettes (Upflow Anaerobic
Sludge Blanket = UASB).
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Das
UASB-Verfahren wird bevorzugt eingesetzt zur Behandlung von Abwasser,
das mit organischen Verunreinigungen belastet ist, wobei die Verunreinigungen
in gelöster
und ungelöster
Form vorliegen. Das Anaerobic Sludge Blanket oder anaerobe Schlammbett
enthält
verschiedene Bakterienspezies, von denen einige zunächst die
ungelösten
organischen Verunreinigungen teilweise in wasserlösliche Stoffe – hauptsächlich organische
Fettsäuren
umsetzen und hydrolisieren. Hieran anschließend werden die gelösten Stoffe
durch im Schlammbett enthaltene anaerobe Mikroorganismen in Biogas
umgewandelt und so das Abwasser gereinigt. Biogas ist ein Gasgemisch
aus den Bestandteilen Methan und Kohlendioxid sowie Schwefelwasserstoff
und anderen Spurengasen. Wird nun vorausgesetzt, daß genügend Biomasse
für den
Abbau der im Wasser enthaltenen Stoffe verfügbar ist, ergibt sich die optimale
hydraulische Aufenthaltszeit für
das zu reinigende Wasser im Reaktor aus dem Verschmutzungsgrad,
ausgedrückt beispielsweise
als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und dem gewünschten
Reinigungsgrad. Es ist bekannt, daß unter günstigen Bedingungen bereits bei
hydraulischen Aufenthaltszeiten im Bereich von wenigen Stunden Reinigungsgrade
von mehr als 90% erreichbar sind.
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Derart
hohe Leistungen lassen sich jedoch nur dann dauerhaft erzielen,
wenn es gelingt, eine ausreichend große Menge an Biomasse dauerhaft
im Reaktor zu halten oder gar einen Biomasse-Zuwachs zu erreichen. Die Wachstumsrate
der anaeroben Biomasse liegt im Bereich von ca. 0,05·d-1 und ist damit im Vergleich mit aerober
Biomasse um ca. eine Größenordnung
geringer. Es ist sicherzustellen, daß zumindest gleich viel Biomasse
im Reaktor neu gebildet wird, wie ständig ausgeschwemmt wird. Im
ungünstigsten
Fall eines hohen hydraulischen Durchflusses mit einer niedrigen
CSB-Konzentration ergibt sich ein erhöhtes Risiko für ein Ausschwemmen
von Biomasse aus dem Reaktor, da die Bildungsrate für neue Biomasse
auch abhängig
vom zur Verfügung
stehenden Substrat bzw. dem CSB des zugeführten Abwassers ist. Hieraus
ist ersichtlich, daß der
effektiven Biomasse-Rückhaltung
eine entscheidende Bedeutung in Bezug auf die Leistungsfähigkeit
eines anaeroben Reaktors zukommt.
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In
bekannten Anaerob-Reaktoren treten aufgrund der intensiven Produktion
von Biogas hohe Aufströmgeschwindigkeiten
von mehreren m/h auf. Sofern die Mikroorganismen nicht durch besondere Kultivierung
auf speziellen Trägern
fixiert sind, bewirkt die hohe Aufströmgeschwindigkeit eine Selektion
von Spezies, die natürliche
Aggregate bilden. Dieser Selektionsprozeß beruht darauf, daß Spezies
die keine Aggregate bilden, leichter sind, daher vermehrt aus dem
Reaktor geschwemmt und schließlich
von den aggregierenden Spezies verdrängt werden. Dieser Selektionsprozeß erstreckt
sich über
Zeiträume von
mehreren Monaten bis einigen Jahren und führt zur Bildung einer speziellen
Schlammform, die gemeinhin als granulierter Schlamm oder auch „Pelletschlamm" bezeichnet wird.
Diese „Pellets" haben eine Sinkgeschwindigkeit
im Wasser von 50 bis 150 m/h, wohingegen Schlammflocken mit ca.
1 m/h absinken.
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Typischerweise
liegen die Schlammpellets als kugel- oder linsenförmiges Granulat
mit Durchmessern von ca. 0,5 bis 2 mm vor. Das Granulat besteht
in der Regel aus einem porösen
Kalkgerüst,
das im Laufe des Selektionsprozesses gebildet wird. Die Bakterien
siedeln dabei nicht nur auf der Oberfläche des Granulats – wie beispielsweise
bei einem massiven, geschlossenen Trägergranulat eines Festbett-Reaktors – sondern
sind auch auf den inneren Oberflächen
des Kalkgerüstes
zu finden.
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Durch
die Tätigkeit
der Mikroorganismen wird Biogas gebildet, das einerseits als Gasblasen aufsteigt,
andererseits auch an der Biomasse anhaftet. Durch die teilweise
Umhüllung
der Pellets mit Biogas sinkt das spezifische Gewicht der Pellets
unter die Dichte von Wasser und die Pellets steigen auf. Die nach
oben treibenden Pellets werden durch entsprechend angeordnete Gashauben
eingefangen und geben dort nach und nach das Gas wieder ab. Die
Ablösung
des Gases vom einzelnen Pellet wird durch den im Reaktor nach oben
hin abnehmenden hydrostatischen Druck dadurch verstärkt, daß das Gas
kompressibel ist und sich bei abnehmendem äußeren Druck ausdehnt. Die am
Pellet anhaftenden Gasblasen werden mit abnehmendem Druck größer. Die
aufgrund der Auftriebsbewegung im Wasser einwirkenden Reibungs-
und Scherkräfte
haben damit eine größere Angriffsfläche und
die Ablösung
der Gasblase vom Pellet wird begünstigt.
Durch das Ablösen
des Gases vom einzelnen Pellet steigt das spezifische Gewicht des
Pellets wieder an, so daß dieses in
den unteren Bereich des Reaktors zurücksinkt, wo der Prozeß von Neuem
beginnt. Durch die Gasbildung und -ablösung von Pellets kommt ein
Kreislauf aus Flotation und Sedimentation in Gang.
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Für die Umsetzung
der organischen Verunreinigungen spielt der Stofftransport bzw.
die Diffusion an der Oberfläche
der Schlammpellets eine maßgebliche
Rolle. Die Stärke
des Diffusionsstromes eines bestimmten Stoffes ist proportional
zu dessen Konzentrationsgefälle
vom Abwasser zu den Mikroorganismen im Schlammpellet. Letzteres
ist teilweise von einer Hülle
aus anhaftendem Biogas umgeben. Das Konzentrationsgefälle und
die Diffusion sind umgekehrt proportional zur Dicke dieser anhaftenden Gashülle. Der
Umsatz von organischen Verbindungen und damit verbunden die Effizienz
des Reinigungsverfahrens läßt sich
somit steigern, indem die den Schlammpellets anhaftende Hülle aus
Biogas möglichst
schnell abgelöst
wird. Es ist hinlänglich
bekannt, daß die
den Schlammpellets anhaftende Gashülle durch hohe Turbulenz, d.h.
durch große
Geschwindigkeitsgradienten verringert wird. Allerdings ist hierbei
zu berücksichtigen,
daß zu
heftige Umwälzungen
im Reaktor und die damit verbundenen mechanischen Scherkräfte den
Wachstumsprozeß der Schlammpellets
nachhaltig stören
oder verhindern können.
Im Extremfall kann das fragile Granulat sogar zerstört werden.
Dementsprechend ist eine effektive Umwälzung bzw. Kreislaufführung der
Biomasse mit schonender Gasabscheidung erstrebenswert.
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EP 0 170 332 A1 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur anaeroben Behandlung von
Abwasser mittels UASB, bei dem ein Behälter verwendet wird, in dessen
unteren Bereich das zu reinigende Abwasser geleitet und aus dessen
oberen Bereich das gereinigte Abwasser abgeleitet wird. Im Behälter sind
anaerobe Mikroorganismen tätig.
Zwischen dem Abwassereinlaß und
dem Überlauf
für das
gereinigte Abwasser befinden sich im Behälter übereinandergestapelte Gassammler
in Form von Hauben, deren oberer Bereich über eine Leitung mit einer Gas-Schlamm-Trenneinrichtung
verbunden ist. Durch die Tätigkeit
der Mikroorganismen wird Gas erzeugt, das sich am Schlamm anlagert,
so daß dieser als
sogenannter Schwimmschlamm nach oben aufschwimmt. Dieser Schwimmschlamm
wird durch die Haube eingefangen und gibt nach und nach sein Gas wieder
ab, so daß er
wieder schwerer wird und als sogenannter Sinkschlamm zurück auf den
Boden sinkt. Das von den Pellets abgegebene Gas steigt zusammen
mit den von den Hauben eingefangenen, freien Gasblasen weiter in
den Leitungen nach oben und reißt
dabei Schwimmschlammpartikel und Flüssigkeit mit, die in der Gas-Schlamm-Trennkammer abgetrennt
werden. Das Gas wird zweckmäßigerweise
abgeführt,
während
die mitgerissene Flüssigkeit, die
auch Schlammpartikel enthalten kann, in eine Falleitung gelangt,
die zurück
auf den Boden des Behälters
führt.
Dadurch soll der Sinkschlamm am Boden aufgewirbelt werden, was zu
einer Auflockerung der Schlammzone im Bodenbereich und einer besseren
Vermischung der Mikroorganismen mit dem ankommenden Abwasser führen soll.
Da Wasser jedoch relativ schwer ist, ist die Menge des durch das aufschwimmende
Gas transportierbaren Abwassers und somit auch die Verwirbelungsleistung
des rückgeführten Abwassers
begrenzt. Weiterhin ist bekannt, daß Abwasserreaktoren dieser
Art über
Reaktorhöhen
von mindestens 11 m verfügen
müssen,
bevor der dort beschriebene Effekt eintritt.
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EP 0 244 029 A1 beschreibt
einen UASB-Reaktor der mit einer Vorrichtung zur Trennung der drei Phasen
Wasser, Schlamm und Biogas ausgestattet ist. Die Trennvorrichtung
umfaßt
Gashauben, die über
Durchtrittsöffnungen
mit einem Gassammelkasten verbunden sind, wobei die Durchtrittsöffnungen im
oberen Bereich der Gashauben unterhalb des Haubenfirstes angeordnet
sind. Zusätzlich
ist jede Gashaube im Inneren mit Rückhaltekästen ausgerüstet. Die Rückhaltekästen und die Durchtrittsöffnung sind
so gestaltet, daß sich
ein Gaspolster ausbildet, welches als Barriere für Wasser und Schlamm fungiert.
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WO
99/51532 lehrt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur anaeroben
Reinigung von Abwasser in einem Abwasser und Schlamm aufnehmenden
Behälter
unter Gasentwicklung. Das sich entwickelnde Gas wird durch einen
Gassammler aufgefangen und der durch das aufsteigende Gas angetriebene
Kreislauf wird zum Auflockern des auf den Boden des Behälters abgesunkenen
Sinkschlamms verwendet. Durch einen Gashebeeffekt des aufsteigenden
Gases wird der Sinkschlamm vom Boden abgesaugt und getrennt vom
Abwasser in den oberen Bereich des Behälters und zurück in das
Abwasser geleitet.
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EP 0 711 732 A2 beschreibt
ein Modul für
einen Reaktor zur anaeroben Reinigung von Abwasser, enthaltend eine
den Wasserstand im Modul festlegende obere Überlaufschwelle für das gereinigte Abwasser,
mehrere über
den ganzen Modulquerschnitt gestaffelt angeordnete Auffanghauben
für Biogas
mit einer Ableitung in einen Gassammelraum und eine obere Abzugsleitung
für die
von den Abzugshauben nicht erfaßte
Abluft. Oberhalb des jeweiligen Abscheiders wird die biogasreiche
Luft in einen Gassammelraum geführt.
Die Entnahme des Biogases aus den Auffanghauben erfolgt über eine
kurze Rohrleitung.
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Untersuchungen
haben gezeigt, daß lediglich
10 bis 20 % der im Reaktor vorhandenen Biomasse aktiv am Reinigungsprozeß teilnimmt.
80 bis 90 % der vorhandenen Biomasse liefert praktisch keinen Beitrag
zur Reinigung des Abwassers. Dementsprechend kommt der Rückführung von
Biomasse sowie der schonenden Abscheidung von Biogas eine entscheidende
Bedeutung für
die Leistungsfähigkeit des
UASB-Verfahrens zu.
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Die
bekannten Verfahren offenbaren keine Methode zur effektiven und
schonenden Rückführung von
Biomasse. Aufgrund ihrer Konstruktion mit verwinkelten und engen
Leitungen begünstigen
die bekannten Vorrichtungen Verstopfungen durch mitgeführten Schlamm.
Im Fall einer Verstopfung sind die kritischen Anlagenteile von außen praktisch
nur mit Spezialwerkzeugen, wie z.B. gekrümmten oder flexiblen Schiebern
zugänglich,
was Reinigung und Wartung erheblich erschwert.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur anaeroben Behandlung von Abwasser bereitzustellen, das gegenüber dem Stand
der Technik erhöhte
Effizienz und Durchsatz aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur anaeroben Behandlung von Abwasser mittels eines
anaeroben Aufström-Schlammbettes
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket = UASB), bei dem eine als Schlamm
oder Pelletschlämmung
vorliegende Biomasse in einem Kreislauf geführt wird.
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In
Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Verfahren folgende Schritte:
- (a) Flotations-Trennung von Reaktorwasser,
Biomasse und Biogas,
- (b) Vermischung von Biogas und Biomasse zu einem Biogemenge,
- (c) Förderung
des Biogemenges zu einem Gasabscheider,
- (d) Abscheidung von Biogas aus dem Biogemenge unter Freisetzung
von Biomasse,
- (e) Rückführung der
Biomasse.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist der Anteil von rückgeführter zu
gesamter Biomasse im Reaktor pro Tag größer 0,1·d-1,
insbesondere größer 2·d-1 und besonders bevorzugt größer 10·d-1.
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Ferner
hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, einen Reaktor zur anaeroben
Behandlung von Abwasser mittels eines anaeroben Aufström-Schlammbettes
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket = UASB) zu schaffen, der es ermöglicht,
Biomasse in einem Kreislauf zu führen.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist somit ein Reaktor zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dieser Reaktor umfaßt
einen Reaktortank, Leitungen, einen Abwassermischer, einen ersten
und mindestens einen weiteren Abscheider zur Trennung von Reaktorwasser,
Biomasse und Biogas, einen oder mehrere Mischer zur Vermischung
von Biomasse und Biogas und einen Gasseparator zur Trennung von
Biomasse und Biogas, wobei die weiteren Abscheider vertikal über dem
ersten Abscheider und vertikal übereinander
angeordnet sind, jeder Abscheider eine oder mehrere Gashauben aufweist,
wobei die Gashauben des ersten Abscheiders mit den Mischern verbunden sind
und die Mischer mit dem Gasseparator über Leitungen verbunden sind.
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Neben
hoher Effizienz und Durchsatz ermöglicht die Erfindung eine einfache
und kostengünstige Konstruktion
eines Reaktors mit geringer Verstopfungsneigung, direktem Zugang
zu kritischen Anlagenteilen und damit verbunden verringertem Wartungsaufwand.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter
Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
Reaktor mit Biomasse-Kreislauf
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2 Gashauben
eines ersten und eines weiteren Abscheiders
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3a–3b Gashauben
mit gemeinsamem Mischer
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3c–3d Gashauben
mit separaten Mischern
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4a–4d Vermischung
von Biogas und Biomasse in einem Mischer
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5a–5d verschiedene erfindungsgemäße Mischer
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6a–6b Mischer
mit Rückhaltekasten
und Wartungsöffnung
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7 Abscheider
mit übereinander
angeordneten Gashauben
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8 Mischer
mit zwei Einlaßkanälen
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1 zeigt
schematisch einen erfindungsgemäßen Reaktor,
umfassend einen Reaktortank 1, Leitungen 22 bis 26,
einen Abwassermischer 2, einen ersten und einen zweiten
Abscheider 33, 35 zur Trennung von Reaktorwasser 7,
Biomasse 8 und Biogas 9, einen Mischer 5 zur
Vermischung von Biomasse 8 und Biogas 9 und einen
Gasseparator 6 zur Trennung von Biomasse 8 und
Biogas 9. Der zweite Abscheider 35 ist vertikal über dem
ersten Abscheider 33 angeordnet. Jeder Abscheider 33, 35 weist
mindestens eine Gashaube 3, 4 auf, wobei die Gashaube(n) 3 des
ersten Abscheiders 33 mit dem Mischer 5 verbunden
ist/sind. Über
die Leitung 22 wird dem Reaktor organisch belastetes Abwasser
zugeführt und
von dem in einer Bodenzone 30 angeordneten Abwassermischer 2 unter
leichter Wirbelbildung in eine Fermentationszone 31 abgegeben.
Gereinigtes Abwasser wird über
die im oberen Bereich des Reaktors angeordnete Leitung 25 abgeführt. In
der Fermentationszone 31 befindet sich die Biomasse 8 als Bett
aus Schlamm oder Granulatschlämmung.
Die in der Biomasse 8 enthaltenen Bakterien bauen die organischen
Inhaltsstoffe des Abwassers ab, wobei Biogas 9 gebildet
wird. In der Fermentationszone 31 geht das Biogas 9 teilweise
in Lösung
in das Reaktorwasser 7 über,
zum anderen Teil bildet es feine Bläschen die an der Biomasse 8 haften
oder frei im Reaktorwasser 7 aufsteigen. Die an der Bildung
von Biogas 9 beteiligte Biomasse 8 wird durch
das anhaftende Biogas 9 leichter als das Reaktorwasser 7 und
beginnt ebenso wie die freien Gasbläschen aus der Fermentationszone 31 in
eine erste Driftzone 32 aufzusteigen. Das von der Biomasse 8 erzeugte
Biogas 9 verursacht eine aufwärts gerichtete Strömung sowohl von
Biomasse 8 wie auch von Reaktorwasser 7.
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Oberhalb
der ersten Driftzone 32 ist der erste Abscheider 33 mit
einer oder mehreren Gashauben 3 (siehe 2)
angeordnet. Die freien Bläschen
aus Biogas 9 fangen sich in den Gashauben 3 und
bilden ein Gaspolster. Direkt unterhalb des Gaspolsters bildet sich
eine Flotationsschicht bestehend aus mit Biogas 9 durchsetzter
Biomasse 8. Aus den Gashauben 3 strömen Biomasse 8 und
Biogas 9 in den Mischer 5. Der Mischer 5 weist
eine besondere Gestalt auf, die in Verbindung mit den hydrostatischen Druckverhältnissen
und der Strömungsdynamik
im Mischer 5 bzw. in der mit dem Mischer 5 verbundenen
Leitung 23 eine intensive Vermischung und/oder Verwirbelung
von Biomasse 8 und Biogas 9 zu einem Biogemenge
bewirkt. Vom Mischer 5 wird das Biogemenge über die
Leitung 23 in den Gasseparator 6 gefördert. Wie
zuvor die Vermischung beruht die Förderung des Biogemenges auf
den hydrostatischen und strömungsdynamischen
Verhältnissen,
die im folgenden kurz erörtert
werden. In den Gashauben 3 herrscht ein Druck, der sich
aus der Summe der über dem
Abscheider 33 lastenden hydrostatischen Säule aus
Reaktorwasser 7 und dem Umgebungsdruck von 1 atm ergibt
und der je nach Füllhöhe des Reaktors bis
zu 2 atm beträgt.
Demgegenüber
fällt der
Druck in der Leitung 23 stetig ab auf den Druckwert in
dem mit Leitung 23 verbundenen Abscheider 35.
Der Abscheider 35 ist nahe der Oberfläche der Wassersäule angeordnet,
so daß der
dort herrschende Gesamtdruck nur geringfügig höher als der Umgebungsdruck von
1 atm ist. Vom Abscheider 35 zum Gasseparator 6 fällt der
Druck gegebenenfalls weiter auf 1 atm ab. In einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung ist der Druck im Gasseparator 6 über ein
Durchflußregelventil 27 in
der Leitung 26 steuerbar. Hierbei dient das Durchflußregelventil 27 primär zur Steuerung
des Volumens des abfließenden
Biogases 9 und damit zur Steuerung der Dicke der Gaspolster
in den Gashauben 3, 4.
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Die
Förderung
in der Leitung 23 basiert auf dem Prinzip der kommunizierenden
Röhren,
wobei die Flüssigkeitssäule im Reaktor über dem
Abscheider 33 dem ersten Arm eines U-förmigen Rohres, die mit Biogemenge
und Biogas 9 gefüllte
Leitung 23 dem zweiten Arm und die Gashauben 3 mit
den Mischern 5 dem gekrümmten
Teil des U entsprechen. Die Leitung 23 verläuft im Reaktortank 1,
wie 1 zeigt. Ebenso ist es vorgesehen, daß die Leitung 23 teilweise
oder vollständig
außerhalb
des Reaktortanks 1 angeordnet ist.
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Neben
dem Prinzip der kommunizierenden Röhren kann auch die strömungsdynamische
Mitführung
des Biogemenges durch schnell strömendes Biogas 9 genutzt
werden. Ein hohe Gasbildungsrate im Reaktor in Verbindung mit kleinem
Querschnitt der Leitung 23 bewirkt hohe Geschwindigkeit
und Turbulenz im abströmenden
Biogas 9, wodurch das Biogemenge in dem Mischer 5 und
in der Leitung 23 mitgerissen wird. Um die strömungsdynamische
Förderung
des Biogemenges zu verstärken,
ist es vorteilhaft, den Querschnitt der Leitung 23 um einen
Faktor 1 : 60 bis 1 : 400 kleiner als den Querschnitt des Reaktortanks
zu dimensionieren. Die Mischer 5 und die Leitung 23 befinden
sich bevorzugt im Reaktortank 1, können jedoch ebenso zum Teil
oder vollständig
außerhalb
des Reaktortanks 1 angeordnet sein.
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Der
Großteil
der mit Biogas 9 durchsetzten flotierenden Biomasse 8 wird
im Abscheider 33 aufgefangen und zum Gasseparator 6 gefördert. Das Reaktorwasser 7,
das durch den Abscheider 33 hindurch in eine zweite Driftzone 34 gelangt,
führt nur eine
geringe Menge flotierender Biomasse 8 mit. In der Driftzone 34 nimmt
der hydrostatische Druck stetig bis auf 1 atm ab. Hierdurch bildet
das der flotierenden Biomasse 8 anhaftende Biogas 9 zunehmend größere Blasen,
die sich schließlich
ablösen.
Durch die Ablösung
des Biogases 9 nimmt das spezifische Gewicht der Biomasse 8 wieder
zu, so daß diese
auf den Boden des Reaktors zurücksinkt.
Die Abschirmung durch den ersten Abscheider 33 in Verbindung mit
der erhöhten
Gasabgabe in der Driftzone 34 bewirkt, daß das Reaktorwasser 7,
das an die Oberfläche
der Wassersäule
im Reaktor gelangt und über die
Leitung 25 abgeführt
wird, praktisch frei von Biomasse 8 ist. Das in den Gashauben 4 gesammelte Biogas 9 strömt über die
Leitung 23 in den Gasseparator 6. Die Gashauben 4 sind
in einem geringen Abstand unterhalb der Oberfläche der Wassersäule im Reaktor
angeordnet, so daß der
hydrostatische Druck geringfügig
höher als
1 atm ist, wodurch das Biogas 9 aus den Gashauben 4 zum
Gasseparator 6 gefördert
wird.
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Im
Gasseparator 6 werden die im Biogemenge enthaltene Biomasse 8 und
das Biogas 9 getrennt. Aus dem Gasseparator 6 fließt die Biomasse 8 unter Einwirkung
der Schwerkraft über
die Leitung 24 in den Reaktor zurück. In einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung ist die Leitung 24 mit Leitung 22 verbunden,
so daß die
rückgeführte Biomasse 8 mit zufließendem Abwasser
vermischt wird.
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2 zeigt
einen Schnitt durch die Abscheider 33, 35 mit
den Gashauben 3, 4. Bevorzugt sind die Gashauben 3, 4 Hohlkörper mit
einer polygonalen oder halbkreisartig gekrümmten Hüllwand in Form eines umgekehrten
V oder umgekehrten U mit einer nach unten weisenden Öffnung 18.
Jede der Gashauben 3 ist durch ebene Stirnwände begrenzt,
wobei mindestens eine Stirnwand eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen 19 für Biomasse 8 und
Biogas 9 aufweist. In einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung bilden die Mischer 5 mindestens eine der Stirnwände der
Gashauben 3. In Ausgestaltung der Erfindung sind die Durchtrittsöffnungen
(19) im oberen Bereich der Stirnwand unterhalb des Firstes
der Gashauben (3) angeordnet. Ähnlich zu den Gashauben 3 sind
auch die Gashauben 4 durch ebene Stirnwände begrenzt, wobei mindestens
eine Stirnwand Durchtrittsöffnungen 21 für Biogas 9 aufweist.
Das in den Gashauben 4 gesammelte Biogas 9 gelangt über die
Durchtrittsöffnungen 21 und
die Leitung 23 in den Gasseparator 6. Die Durchtrittsöffnungen 21 sind
mittels separater Verbindungsleitungen oder mittels Sammelleitungen
an die Leitung 23 angeschlossen. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung sind die Durchtrittsöffnungen (21) im oberen
Bereich der Stirnwand unterhalb des Firstes der Gashauben (4) angeordnet.
Wie in 2 dargestellt, sind die Gashauben 3, 4 in
jedem der Abscheider 33, 35 in zwei oder mehreren übereinander
liegenden horizontalen Ebenen angeordnet. In einer Ebene sind die
Gashauben 3, 4 jeweils parallel und voneinander
beabstandet angeordnet. Durch die Spalte zwischen benachbarten Gashauben 3, 4 tritt
aufsteigendes Reaktorwasser 7 hindurch und strömt nach
oben. In jedem der Abscheider 33, 35 sind die
Reihen der Gashauben 3, 4 in übereinander liegenden Ebenen
derart zueinander versetzt, daß die
vertikalen Projektionen der Öffnungen 18 der
Gashauben 3, 4 eine geschlossene Fläche bilden,
die den Innenquerschnitt des Reaktortanks 1 teilweise oder
vollständig
abdeckt. Durch diese labyrinthartige Anordnung der Gashauben 3, 4 werden
Biomasse 8 und Biogas 9 praktisch vollständig aufgefangen.
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Wie
in 3a in Draufsicht und in 3b in Seitenansicht
gezeigt, umfaßt
die Erfindung eine Ausführungsform
mit einem ersten Abscheider 33, bei dem mehrere – z.B. in
einer horizontalen Ebene angeordnete – Gashauben 3 mit
dem Mischer 5 verbunden sind. Des weiteren können auch
die in zwei oder mehreren horizontalen Ebenen übereinander angeordneten Gashauben 3 mit
einem gemeinsamen Mischer 5 verbunden sein (siehe 7).
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Eine
alternative, in den 3c und 3d in Draufsicht
und Seitenansicht dargestellte Ausführungsform der Erfindung betrifft
einen ersten Abscheider 33 bei dem die Gashauben 3 jeweils
mit separaten Mischern 5 verbunden sind. In dieser Ausführungsform
sind die Mischer 5 z.B. über eine Sammelleitung oder über separate
Verbindungsleitungen an die Leitung 23 angeschlossen.
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Die 4a bis 4d illustrieren
die Funktionsweise der Mischer 5. Die Mischer 5 sind
Hohlkörper
mit einem oder mehreren Einlässen 10 für Biomasse 8 und
Biogas 9, einer oder mehreren Durchführungen 11 und einem
oder mehreren Kanälen 20 sowie
einer oder mehreren Auslaßöffnungen 12,
die über
die Leitung 23 mit dem Gasseparator 6 verbunden
sind. In dem in den 4a bis 4d gezeigten Beispiel
bildet der Mischer 5 eine stirnseitige Begrenzung der Gashauben 3.
Das in den Gashauben 3 aufgefangene Biogas 9 und
die darunter liegende Schicht aus flotierender Biomasse 8 strömen durch die
Einlässe 10 in
den Mischer 5. In 4a ist
eine Situation dargestellt, in der die im Mischer 5 befindliche
Biomasse 8 den Kanal 20 verschließt, so daß das Biogas 9 daran
gehindert ist, über
die Auslaßöffnung 12 abzuströmen. Durch
die fortgesetzte Gasbildung im Reaktor wächst die Dicke des Gaspolsters
in der Gashaube 3 stetig an, der Pegel der Biomasse 8 wird
unter die Einlässe 10 abgesenkt
und im Mischer 5 wird die Biomasse 8 – wie in 4b und 4c gezeigt – über den
Kanal 20 und die Auslaßöffnung 12 aus
dem Mischer 5 verdrängt
und über
die Leitung 23 in den Gasseparator 6 gefördert. In
Folge kann Biogas 9 in verstärktem Maße abströmen, wodurch das Gaspolster
in der Gashaube 3 abnimmt, der Pegel der flotierenden Biomasse 8 ansteigt
und – wie
in 4d dargestellt – erneut Biomasse 8 in
den Mischer 5 strömt.
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5a bis 5d zeigen
weitere Ausführungsformen
von erfindungsgemäßen Mischern 5,
bei denen die Einlässe 10 untere
und obere Begrenzungen 14, 15 und die Durchführungen 11 obere
Begrenzungen 17 aufweisen und die Begrenzungen 17 der Durchführungen 11 tiefer
als die oberen Begrenzungen 15 der Einlässe 10 angeordnet
sind. Die Kanäle 20 sind
beispielsweise jeweils rohrförmig
und verlaufen geradlinig vertikal nach oben. Bei den Weiterbildungen
gemäß den 5a, 5b und 5d sind die Mischer 5 so gestaltet,
daß die
oberen Begrenzungen 17 der Durchführungen 11 tiefer
als die unteren Begrenzungen 14 der Einlässe 10 angeordnet
sind. 5d illustriert einen Mischer 5,
der als U-förmiges Rohr
ausgestaltet ist.
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6a zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Mischer 5 auf ihrer Innenseite
mit einem oder mehreren Rückhaltekästen 13 ausgestattet
sind. Die Rückhaltekästen 13 umschließen die
Einlässe 10 und
weisen an ihrer Unterseite Öffnungen 16 auf,
die tiefer als die Einlässe 10 angeordnet
sind. Durch die Öffnungen 16 und
die Durchführungen 11 gelangt
das Biogemenge in die Kanäle 20.
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6b illustriert
ein weitere, auf die einfache Wartung und Reinigung der Mischer 5 und
der Leitung 23 gerichtete Ausführungsform der Erfindung. In dieser
Ausführungsform
sind die Mischer 5 an ihrer Unterseite mit einer Wartungsöffnung 29' und einem Deckel 29'' ausgestattet, wobei der Deckel 29'' die Wartungsöffnung 29' gasdicht verschließt.
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7 veranschaulicht
eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung, bei der der Mischer 5 innerhalb des Reaktortanks 1 angeordnet und
mit einer nach unten weisenden Öffnung 28 versehen
ist. Wie in 7 gezeigt, ist der Mischer 5 mit in
zwei (oder mehreren) horizontalen Ebenen angeordneten Gashauben 3 verbunden.
Alternativ hierzu können
die Gashauben 3 jeweils mit separaten Mischern 5 der
in 7 gezeigten Bauform versehen sein.
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In 8 ist
eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Mischer 5 dargestellt, bei der die Einlässe 10 einen
ersten Einlaßkanal 20' für Biogas und
einen zweiten Einlaßkanal 20'' für Biomasse umfassen. Die Einlaßkanäle 20', 20'' sind horizontal angeordnet oder
in Richtung der Durchführung 11 abwärts geneigt.
Der erste Einlaßkanal 20' ist oberhalb von
dem zweiten Einlaßkanal 20'' angeordnet und die obere Begrenzung 17 der
Durchführung 11 liegt unterhalb
der unteren Begrenzung 14 des zweiten Einlaßkanals.