DE19502615C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Fließbettreinigung von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fließbettreinigung von Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeit von unten nach oben durch ein Trägermaterialfließbett ge­ leitet wird, wobei das Trägermaterial durch die aufwärts gerichtete Flüssigkeits­ strömung im wesentlichen in Schwebe gehalten wird und im unteren Teil des Fließbetts die Aufwärtsströmung beschleunigt wird. Des weiteren betrifft die Er­ findung eine Vorrichtung zur Fließbettreinigung von Flüssigkeiten mit einem langgestreckten, im wesentlichen vertikal ausgerichteten Reaktorbehälter, der im unteren Teil einen Einfüllbereich hat und der mit Trägermaterial befüllt ist, wobei eine Einrichtung zur Verengung des Reaktorbehälterquerschnitts am Einfüllbereich bzw. oberhalb des Einfüllbereichs vorgesehen ist, um dort eine beschleunigte Aufwärtsströmung zu erzeugen.

Aus der DE 38 19 965 C2 ist beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur anaeroben Fließbett-Reinigung von Abwasser bekannt. Bei dem Verfahren zur kontinuierlichen anaeroben Fließbett-Reinigung von organisch verun­ reinigtem Abwasser wird das Abwasser von unten nach oben durch ein Teilchen-Fließbett geleitet, dessen Teilchen Mikroorganismen tragen. Das dort vorgestellte Verfahren verwendet gebrochen Blähton als Fließbett-Teilchenma­ terial.

Für die Besiedlung mit Mikroorganismen ist bei anderen Anlagen auch Träger­ material wie beispielsweise Blähschiefer, Hüttenbims oder Kunststoffe bekannt.

Der im wesentlichen rohrförmig länglich ausgebildete Reaktorbehälter aus der DE 38 19 965 C2 hat einen sich nach unten verjüngenden Einlaufbereich mit einem Endrohr, in dem eine durch die Durchflußströmung drehbare Schrauben­ wendel eingepaßt ist, oberhalb derer ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Das Rückschlagventil und die Schraubenwendel verhindern bei Stillstand ein Eindrin­ gen von Trägermaterialteilchen in das Endrohr. Somit bildet das Rückschlag­ ventil und die Schraubenwendel eine teilweise durchlässige Einrichtung zur La­ gerung des Fließbettes. Das oberhalb des Rückschlagsventils beginnende, noch im sich nach unten verjüngenden Einlaufbereich befindliche Fließbett weist an dieser Stelle aufgrund der kleineren Querschnittsfläche eine im Vergleich zur Aufwärtsströmung im zylindrischen Reaktorbehälter beschleunigte Aufwärtsströ­ mung auf. Eine Rezirkulationsleitung führt vom oberen Bereich des Reaktorbe­ hälters zum Zulauf. Der Reaktorbehälter ist oben mit einem Ablauf und einem Gasauslaß für sich bildendes Biogas versehen.

Derartige Vorrichtungen werden zur anaeroben Fließbettreinigung von Flüssig­ keiten, beispielsweise bei der Zuckerherstellung, verwendet. Die am Fließbett- Trägermaterial haftenden Mikroorganismen sollen gezielt bestimmte organische Teile in der im Fließbett am Trägermaterial vorbeifließenden Flüssigkeit ab­ bauen. Die zu behandelnde Flüssigkeit wird dabei dem Reaktor von unten zu ge­ führt und steigt im Laufe des Prozesses nach oben. Im Reaktorbehälter entsteht also eine Aufwärtsströmung. In dieser Aufwärtsströmung wird das Trägerma­ terial möglichst schwebend in der Flüssigkeit gehalten. Das spezifische Gewicht des Trägermaterials nimmt während der Reinigung zu. Folglich sinken schwer gewordene Teilchen des Trägermaterials im Reaktor nach unten.

Nachteilig ist, daß schon bei geringfügiger Zunahme des spezifischen Gewichts des Trägermaterials ein Absinken der Trägermaterial-Teilchen auftritt und zudem die abgesunkenen Trägermaterial-Teilchen bei der Reinigung trotz be­ reits aufgetretener Verschmutzung weiterhin den Reinigungsprozeß belasten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein derartiges Reinigungsverfahren bzw. einen derartigen Fließbettreaktor so auszubilden, daß das Trägermaterial auch nach einer geringen Zunahme des spezifischen Gewichts während der Reini­ gung noch in der Aufwärtsbewegung schwebend gehalten wird und bei fortge­ schrittener Verschmutzung nicht mehr den Reinigungsprozeß belasten soll.

Verfahrensgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Trägermaterial mit einem höheren spezifischen Gewicht aus dem Fließbett absinkt und nicht mehr am Reinigungsprozeß teilnimmt.

In der verstärkten Aufwärtsströmung im unteren Teil des Fließbetts werden somit bereits spezifisch schwerere Trägermaterial-Teilchen noch im Schwebe­ zustand gehalten. In dem Fließbett werden somit "neue" bzw. "abgewaschene" oder "gereinigte" Trägermaterial-Teilchen sowie mit abzubauenden Bestand­ teilen belastete Trägermaterial-Teilchen im Schwebezustand gehalten. Dabei stellt sich eine Schichtung der Trägermaterial-Teilchen nach dem spezifischen Gewicht ein, da im oberen Teil des Fließbetts lediglich unbelastete Teilchen schweben und im unteren Teil des Fließbetts im Bereich der verstärkten Aufwärtsströmung auch spezifisch schwerere Teilchen schwebend gehalten werden. Erst bei Überschreiten eines bestimmten spezifischen Gewichts sinkt das von der Reinigung belastete Trägermaterial zum tiefsten Punkt des Reaktors ab. Dort nimmt das übermäßig belastete Trägermaterial nicht mehr am Reinigungsprozeß teil.

Dadurch, daß die Größe der Beschleunigung der Aufwärtsströmung zum Tren­ nen nach einem bestimmten spezifischen Gewicht des Trägermaterials einge­ stellt werden kann, kann vorbestimmt werden, wie lange die Trägermaterial- Teilchen beim Reinigungsprozeß im Fließbett teilnehmen. Damit ist der Wirkungsgrad der Fließbettreinigung und die Verweildauer des Trägermaterials in dem Fließbett steuerbar.

Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unterhalb des Ein­ füllbereichs am tiefsten Punkt des Reaktorbehälters ein Sammelbereich für Trägermaterial-Teilchen, die einen bestimmten Grenzwert ihres spezifischen Gewichts überschritten haben, ausgebildet ist.

Durch die Einrichtung zur Verengung des Reaktorbehälterquerschnitts wird an dieser Stelle eine verstärkte Aufwärtsströmung erzeugt. Folglich werden aus dem oberen Bereich des Reaktorbehälters absinkende Trägermaterial-Teilchen aufgrund ihres nur geringfügig erhöhten spezifischen Gewichts durch die ver­ stärkte Aufwärtsströmung im Bereich der Verengung am weiteren Absinken ge­ hindert. Das geringfügig belastete Trägermaterial bleibt daher im Bereich des Fließbetts und nimmt am Reinigungsprozeß weiterhin teil. Stärker belastetes Trägermaterial sinkt unterhalb des Einfüllbereichs ab und nimmt dann nicht mehr am Reinigungsprozeß teil.

Wenn der Reaktorbehälter an der Einrichtung zur Verengung in etwa auf die Hälfte seines Querschnitts verengt ist, wird in etwa eine Verdopplung der Aufwärtsströmgeschwindigkeit im Bereich der Verengung erreicht.

Bei einem zylindrischen Reaktorbehälter wird dadurch, daß die Einrichtung zur Verengung des Reaktorbehälterquerschnitts als Doppelkegel ausgebildet ist, wobei die Grundflächen beider Kegel zusammenfallen, eine strömungsgünstige Querschnittsverengung verwirklicht.

Insbesondere, wenn die Achsen des Doppelkegels und des zylindrischen Reaktorbehälters zusammenfallen, so daß die einströmende Flüssigkeit über eine freibleibende Ringfläche im Reaktorbehälter aufwärtsströmt, werden unnötige Strömungswiderstände im Bereich der Verengung vermieden. Die Flüssigkeitsströmung bleibt annähernd laminar.

Bei einem zylindrischen Reaktorbehälter mit einem sich nach unten verjüngenden unteren Konus kann die Größe der verbleibenden Ringfläche dadurch einstellbar ausgebildet sein, daß der Doppelkegel höhenverstellbar ausgebildet ist, und der Doppelkegel in den Konus hineinragt.

Wenn der Reaktorbehälter am tiefsten Punkt, vorzugsweise im Zentrum des unteren Konus, eine Austragsschleuse aufweist, können die durch die Reaktorquerschnittsverengung aufgrund ihres höheren spezifischen Gewichts abgesunkenen Trägermaterial-Teilchen gesammelt werden und ohne Unterbrechung der kontinuierlichen Fließbett-Reinigung ausgetragen werden.

Um einen Auftrieb des Doppelkegels im Reaktorbehälter aufgrund von Dichteunterschieden, bei Betrieb mit gashaltigen Medien (Dentrifikation, Methangärung etc.) oder im Doppelkegel angesammeltem Biogas zu vermeiden, hat vorzugsweise der Doppelkegel eine untere Öffnung und an der nach oben zeigenden Kegelspitze eine Entgasungsöffnung.

Um außerdem zu verhindern, daß sedimentierendes Trägermaterial beispielsweise bei einem Stillstand der Anlage durch die obere Öffnung in den Kegel gelangt, weist diese Öffnung eine Abdeckhaube auf.

Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung sind insbesondere auch für den Betrieb mit feststoffhaltigen Abwässern geeignet, auch mit solchen Abwässern, aus denen im Fließbettreaktor Feststoffe ausgefällt werden (Entcarbonisierung, Methan­ gärung).

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung detailliert beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch den unteren Teil eines erfindungsgemäßen Fließbettreaktors. Der Fließbettreaktor hat einen zylindrischen Reaktorbehälter 11, der mit seiner Zylinderachse vertikal ausgerichtet aufgestellt ist und eine langgestreckte Form hat. Im Reaktorbehälter 11 ist ein Trägermaterial 10 eingebracht.

Fig. 1 zeigt lediglich den unteren Bereich des Reaktorbehälters 11. Der zylindrische Reaktorbehälter 11 weist an seinem oberen nicht dargestellten Ende einen sich nach oben konisch erweiternden Endbereich auf, der mit einem Gasauslaß versehen ist und an den ein Ablauf angeschlossen ist. Zusätzlich kann eine Rezirkulationsleitung vorgesehen sein, die vom oberen nicht dargestellten Ablauf zur Ringleitung 1 führt.

Der Reaktorbehälter 11 hat an seinem unteren Ende einen sich nach unten verjüngenden unteren Konus 3, in den Einlaufrohre 2 einer Ringleitung 1 einmünden. Die Ringleitung 1 dient zur Zuführung der zu behandelnden Flüssigkeit. Die Einlaufrohre 2, die die zu behandelnde Flüssigkeit von der Ringleitung 1 in den Reaktor 11 leiten, bilden einen Einfüllbereich 12 im Reaktorbehälter 11.

Im Zentrum des unteren Konus 3 an der tiefsten Stelle des Reaktorbehälters 11 ist eine Austragsschleuse 5 mit zwei nacheinander geschalteten Ventilen und einem zwischen den Ventilen angeordneten Austragsvolumen angeordnet.

Im Reaktorbehälter 11 ist ein Doppelkegel 4 so angeordnet, daß die Kegelachsen und die Reaktorbehälterachse zusammenfallen. Der Doppelkegel 4 besteht aus einem oberen Kegel 13 und einem unteren Kegel 14, deren Grundflächen zusammenfallen. Die Kegelspitze des oberen Kegels 13 weist nach oben, während die Kegelspitze des unteren Kegels 14 nach unten zeigt. Der Doppelkegel 4 ist so angeordnet, daß der untere Kegel 14 im wesentlichen im Bereich des unteren Konus 3 angeordnet ist.

Zwischen der Wandung des unteren Kegels 14 und der Wandung des Reaktorbehälters 11 im Bereich des unteren Konus 3 ist ein Kreisringvolumen mit einer Ringfläche 9. Der untere Kegel 14 des Doppelkegels 4 befindet sich somit im Einfüllbereich 12 des Reaktors 11 und bildet einen Anströmboden für die aus den Einlaufrohren 2 zufließende zu behandelnde Flüssigkeit.

Die Höhe des in dem Reaktorbehälter 11 eingesetzten Doppelkegels 4 ist in axialer Richtung des Reaktorbehälters 11 einstellbar. Damit ist die Größe der Ringfläche 9 veränderbar.

Der Doppelkegel 4 weist an seinem oberen Kegel 13 an dessen Kegelspitze eine kleine Entlüftungsöffnung 7 auf. Oberhalb der Entlüftungsöffnung 7 ist eine Abdeckhaube 6 angeordnet. Am unteren Teil des Doppelkegels 4 ist die Kegelspitze des unteren Kegels 14 abgeschnitten und bildet eine untere Öffnung 8.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der im Ausführungsbeispiel beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Die zu reinigende Flüssigkeit wird gegebenenfalls ergänzt durch einen rezirkulierten Anteil der bereits gereinigten Flüssigkeit, die über die Rezirkulationsleitung ebenfalls der Ringleitung 1 zugeführt wird, dem Reaktorbehälter 11 zugeführt. Und zwar gelangt die Flüssigkeit von der Ringleitung 1 zu den Einlaufrohren 2, die im Einfüllbereich 12 des Reaktorbehälters 11 durch die Behälterwandung im konischen Reaktorunterteil 3 enden. Die Flüssigkeit füllt den Reaktorbehälter 11 und wird am nicht dargestellten oberen Ende des Reaktorbehälters 11 abgezogen. Im Reaktorbehälter 11 bildet sich daher eine aufwärts gerichtete Strömung aus. Das im Behälter 11 befindliche Trägermaterial 10 wird aufgrund der Aufwärtsströmung in der Flüssigkeit schwebend gehalten.

An dem Trägermaterial 10 sind Mikroorganismen angesiedelt, die die organischen Bestandteile oder bestimmte organische Bestandteile der Flüssigkeit abbauen und damit die anaerobe Reinigung ausführen. Während des Reinigungsprozesses nimmt das spezifische Gewicht der Trägermaterial-Teilchen zu, so daß die mit den bestimmten organischen Bestandteilen belasteten Trägermaterial-Teilchen trotz der Aufwärtsströmung langsam absinken.

Im Bereich des Doppelkegels 4 nimmt jedoch die freibleibende Querschnittsfläche im zylindrischen Reaktorbehälter 11 entlang des oberen Kegels 13 des Doppelkegels 4 von oben nach unten ab. Im Bereich des unteren Konus 3 des Reaktorbehälters 11 mit dem dort hineinragenden unteren Kegel 14 des Doppelkegels 4 wird eine freibleibende Querschnittsfläche entsprechend der Ringfläche 9 gebildet. Bei einem vorgegebenen Flüssigkeitsdurchsatz erhöht sich folglich im verengten Bereich des Reaktorbehälters 11 die Strömungsgeschwindigkeit der Aufwärtsströmung. Im Einfüllbereich 12 und entlang des unteren Kegels 14 des Doppelkegels 4 wird eine maximale Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Entlang des oberen Kegels 13 des Doppelkegels 4 nimmt die Geschwindigkeit der Aufwärtsströmung entsprechend der größer werdenden frei bleibenden Querschnittsfläche ab.

Vorzugsweise deckt die Grundfläche des Doppelkegels 4 die Hälfte der zylindrischen Querschnittsfläche des Reaktorbehälters 11 ab. Damit ergibt sich an dieser Stelle eine Verdopplung der Strömungsgeschwindigkeit.

Die durch die Reinigung belasteten Trägermaterial-Teilchen sinken in den Bereich des oberen Kegels 13 des Doppelkegels 4 und werden dort von der verstärkten Aufwärtsströmung erfaßt. Erst bei Überschreiten eines bestimmten spezifischen Gewichts kann das Trägermaterial ganz nach unten absinken. Folglich werden am tiefsten Punkt des Reaktorbehälters 11 lediglich einen bestimmten Grenzwert ihres spezifischen Gewichts überschreitende Trägermaterial-Teilchen gesammelt. Dieses sedimentierte Trägermaterial kann von Zeit zu Zeit über die Austragsschleuse 5 ausgetragen werden. Dabei wird zunächst das obere Ventil geöffnet, so daß die Sinkstoffe in das Zwischenvolumen sinken. Nach Schließen des oberen Ventils kann das untere Ventil geöffnet und die abgetrennten Trägermaterial-Teilchen ausgetragen werden. Der kontinuierliche Reinigungsbetrieb des Fließbettreaktors wird folglich durch den Austrag der Sinkstoffe nicht unterbrochen.

Das abgetrennte Trägermaterial kann außerhalb des Reaktors geeignet gewaschen oder gereinigt werden. Es kann dann dem Fließbettreinigungsprozeß wieder zugeführt werden.

Die Strömungsgeschwindigkeit der Aufwärtsströmung im Reaktorbehälter 11 kann durch die Höhenverstellmöglichkeit des Doppelkegels 4 verändert werden. Wird der Doppelkegel 4 gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Position in axialer Richtung des zylindrischen Reaktorbehälters 11 nach unten verschoben, wird die zwischen unteren Konus 3 und dem unteren Kegel 14 ausgebildete Ringfläche 9 kleiner und die Strömungsgeschwindigkeit der Aufwärtsströmung nimmt weiter zu. Je näher der Doppelkegel 4 mit seinem unteren Kegel 14 an den unteren Konus 3 des Reaktorbehälters 11 gebracht wird, je kleiner wird die Ringfläche 9 und je größer wird die Strömungsgeschwindigkeit. Abhängig von der Höhenverstellung des Doppelkegels 4 innerhalb des Reaktorbehälters 11 kann daher die Geschwindigkeit der Aufwärtsströmung so eingestellt werden, daß erst Trägermaterial mit einem eine bestimmte Grenze überschreitenden spezifischen Gewicht gegen diese Strömung nach unten absinken kann.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es daher möglich, das Absinken des Trägermaterials in einem Fließbettreaktor zu beeinflussen. Insbesondere ist es bei veränderbarer Strömungsgeschwindigkeit möglich, vorbestimmte Belastungsgrenzen für die Trägermaterial-Teilchen vorzuwählen. Ein unwirtschaftlich hoher Verbrauch von Trägermaterial während der Fließbettreinigung kann vermieden werden.

Bezugszeichenliste

1 Ringleitung
2 Einlaufrohr
3 unterer Konus
4 Doppelkegel
5 Austragsschleuse
6 Abdeckhaube
7 Entlüftungsöffnung
8 untere Öffnung
9 Ringfläche
10 Trägermaterial
11 Reaktorbehälter
12 Einfüllbereich
13 oberer Kegel
14 unterer Kegel

Claims (10)

1. Verfahren zur Fließbettreinigung von Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeit von unten nach oben durch ein Trägermaterialfließbett geleitet wird, wobei das Trägermaterial durch die aufwärts gerichtete Flüssigkeitsströmung im wesentlichen in Schwebe gehalten wird und im unteren Teil des Fließbetts die Aufwärtsströmung beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Trägermaterial mit einem höheren spezifischen Gewicht aus dem Fließ­ bett absinkt und nicht mehr am Reinigungsprozeß teilnimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Beschleunigung der Aufwärtsströmung zum Trennen nach einem bestimmten spezifischen Gewicht des Trägermaterials eingestellt wer­ den kann.

3. Vorrichtung zur Fließbettreinigung von Flüssigkeiten zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem langgestreckten, im wesentlichen vertikal ausgerichteten Reaktorbehälter (11), der im unteren Teil einen Ein­ füllbereich (12) hat und der mit Trägermaterial (10) befüllt ist, wobei eine Ein­ richtung zur Verengung des Reaktorbehälterquerschnitts (4) am Einfüllbe­ reich bzw. oberhalb des Einfüllbereichs (12) vorgesehen ist, um dort eine beschleunigte Aufwärtsströmung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Einfüllbereichs am tiefsten Punkt des Reaktorbehälters ein Sammelbereich für Trägermaterial-Teilchen, die einen bestimmten Grenzwert ihres spezifischen Gewichts überschritten haben, ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter (11) an der Einrichtung zur Verengung (4) in etwa auf die Hälfte seines Querschnitts verengt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 mit einem zylindrischen Reaktorbehälter (11), dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verengung des Reaktorbehälterquerschnitts als Doppel­ kegel (4) ausgebildet ist, wobei die Grundflächen beider Kegel zusammenfallen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen des Doppelkegels (4) und des zylindrischen Reaktorbehälters (11) zusammenfallen, so daß die einströmende Flüssigkeit über eine freibleiben­ de Ringfläche (9) im Reaktorbehälter aufwärtsströmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Reaktorbehälter (11) an seinem unteren Ende einen unteren Konus (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelkegel (4) höhenverstellbar ausgebildet ist, und der Doppelkegel (4) in den Konus (3) hineinragt, womit die Größe der frei bleibenden Ringfläche (9) einstellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter (11) am tiefsten Punkt, vorzugsweise im Zentrum des unteren Konus (3), eine Austragsschleuse (5) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelkegel (4) an der nach unten zeigenden Kegelspitze eine untere Öffnung (8) und an der nach oben zeigenden Kegelspitze eine Entlüftungsöff­ nung (7) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungsöffnung (7) am Doppelkegel (4) eine Abdeckhaube (6) auf­ weist.