DE19611093A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung eines Gases in einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung eines Gases in einer Flüssigkeit, sowie eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Nach dem Stand der Technik werden Gase, welche in Flüssigkei­ ten gelöst werden sollen, durch Injektionsdüsen in ein Flüssigkeits­ volumen oder den Strom einer Flüssigkeit eingegeben. Weiterhin ist es bekannt, Gase über perforierte Schläuche, welche sich un­ ter der Wasseroberfläche befinden in das Wasser einzutragen, in­ dem die Schläuche mit einem definierten Druck des Gases be­ aufschlagt werden.

Nach einem anderen Verfahren wird das Wasser über eine Brau­ se in eine gegenüber der Umgebung abgeschlossenes Volumen einer Gasatmosphäre eingesprüht, in dem die Wassertropfen im Lösungsgleichgewicht mit der sich darum befindlichen Gasphase stehen. Das Wasser nimmt das Gas auf und sammelt sich auf dem Behälterboden, dem es für die weitere Verwendung entnommen werden kann, an.

Derartige Verfahren finden beispielsweise bei der Anreicherung von Wasser mit Sauerstoff Verwendung, wenn das mit Sauerstoff angereicherte Wasser für die in-situ Sanierung von mit Altlasten kontaminierten Böden eingesetzt werden soll. Bei diesen in-situ Sanierungen wird das auf diese Weise angereicherte Wasser in das Erdreich eingeführt. Der Einleitung in das Erdreich sind jedoch noch andere Prozesse der Wasservorbereitung vorgeschaltet. So durchläuft das für die in-situ Sanierung eingesetzte Wasser Biolo­ giefilter und chemische Aufbereitungsstufen, welche der Optimie­ rung der Zusammensetzung des für die in-situ Sanierung einge­ setzten Wassers dienen. Das auf diese Weise in das Erdreich ein­ geführte Wasser wird an einer anderen Stelle wieder entnommen und in einem Kreisprozeß der erneuten Anreicherung mit Sauer­ stoff und chemisch- biologischen Aufarbeitung zugeführt. Für einen optimalen Betrieb einer in-situ Sanierungsanlage sowie für ein optimales Sanierungsergebnis, ist es erforderlich, eine Sauerstoffkonzentration des Wassers bereitzustellen, die den technischen Anforderungen gerecht wird. So arbeiten beispiels­ weise nachgeschaltete Stufen einer Wasseraufbereitungsanlage störungsfreier, wenn eine Sauerstoffkonzentration eingehalten wird, welche niedriger ist, als der Sättigungswert bei einem Be­ triebsdruck, der über Atmosphärendruck liegt.

Auch der Druck beziehungsweise die Durchflußmenge, mit denen die Filter und Patronen betrieben werden, ist den jeweiligen Er­ fordernissen anzupassen. Da die Sauerstoffatmosphäre des Be­ hälters, in dem das anzureichernde Wasser verrieselt wird, bei der Anreicherung ständig Sauerstoff verliert, muß der Behälter mit ei­ nem Überdruck beaufschlagt werden, um einen kontinuierlichen Sauerstoffeintrag in das Wasser zu gewährleisten und ein Rück­ strömen von Wasser zu verhindern.

Wird in das zur in-situ Sanierung eingesetzte Wasser Sauerstoff mit Injektionsdüsen eingegeben, so entweicht überschüssiger Sauer­ stoff in die Umgebung und muß über Kreisläufe in den Sauerstoff­ vorratsbehälter rückgeführt, beziehungsweise als Abgas entsorgt werden, da es - bedingt durch die Führung im Kreisprozeß - mit Schadstoffen beladen ist. Der Einsatz von perforierten Schläu­ chen ist nicht gut geeignet, da diese zur Begasung flächig ausge­ legt werden müssen um ein Zusammenschmelzen der einzelnen Gasblasen zu vermeiden. Der Platzbedarf ist daher für dieses Be­ gasungsverfahren sehr groß.

Der Einsatz von Behältern, welche mit einer Sauerstoffatmosphäre beaufschlagt und mit einer Brause ausgestattet sind, die das mit Sauerstoff anzureichernde Wasser in den Behälter zerstäubt, führt regelmäßig zur Sauerstoffsättigung des Wassers. Eine Regulierung der Sauerstoffkonzentration auf Konzentrationen unterhalb des Sättigungswertes bei Atmosphärendruck im Wasser ist somit nicht möglich.

Um einen für den Betrieb der Anlage notwendigen Wasserdruck zu erreichen muß der Sauerstoffdruck über dem Wasserspiegel so hoch gehalten werden, daß - gemessen am Atmosphärendruck - eine Übersättigung des Wassers an Sauerstoff erfolgt, welche die für den Gesamtprozeß akzeptable Konzentration überschreitet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der Eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen Sauerstoff in einer gewünschten Konzentration in Was­ ser, welches sich in einem Druckbehälter befindet, gelöst werden kann, wobei eine sehr gute Einstellung der Sauerstoffkonzentrati­ on unabhängig von Durchflußmenge des Wassers und Innen­ druck des Behälters möglich sein soll, so daß der Behälterinnen­ druck als einstellbare Größe für die Aufrechterhaltung anderer Regelkreise zur Verfügung steht.

Ausgehend von dem in Oberbegriff des Anspruchs 1 berücksich­ tigten Stand der Technik ist die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es nunmehr möglich, in Behältern Wasser mit Sauerstoff einer defi­ nierten Konzentration unabhängig von der Durchflußmenge an Wasser und vom Innendruck des Behälters anzureichern, welche frei wählbar und beliebig einstellbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Die Zeichnung veranschaulicht eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Form.

Fig. 1 zeigt einen als Fallturm ausgebildeten Behälter 1, in wel­ chen eine Leitung 2, die sich in die Leitungen 3 und 4 aufspaltet, eingeführt wird. An den Leitungen 2, 3 und 4 sind ansteuerbare Dosierventile 5, 6 und 7 angebracht. Leitung 3 mündet in eine Verrieselungsvorrichtung 8, während Leitung 4 bis in den unteren Bereich des Behälters 1 geführt wird. Am unteren Ende des Behäl­ ters 1 befindet sich eine Abführleitung 9, welche mit einem Ventil 10 ausgestattet ist. Der Behälter 1 ist mit Wasser 11 gefüllt. An ihm ist ein Stutzen 12 angebracht, welcher mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Sauerstoffversorgungsquelle in Verbindung steht.

Bei Betrieb ist der in Fig. 1 dargestellte Behälter 1 an eine Anlage zur in-situ Sanierung angeschlossen. Er wird mit einer Sauer­ stoffatmosphäre eines frei wählbaren Druckes beaufschlagt und durch die Leitung 2 mit Wasser beschickt. Über die Dosierventile 5, 6 und 7 läßt sich der Wasserstrom der Leitung 2 in Teilströme auf­ spalten, die in einem definierten Mengenverhältnis zueinander stehen. Der Teilstrom, der durch die Leitung 3 geführt wird, mün­ det in eine Verrieselungsvorrichtung 8, wird in den mit Sauerstoff beaufschlagten Behälter 1 eingespritzt und auf dem Behälterbo­ den angesammelt. Hierbei findet die Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff statt. Die Verrieselungsvorrichtung 8 ist vorzugsweise als selbstreinigende Düse ausgebildet, sie kann jedoch auch aus einem Lochblech bestehen. Der zweite Teilstrom gelangt durch die Leitung 4, welche mit dem Dosierventil 7 ausgestattet ist in den unteren Bereich des Behälters 1. Dies geschieht derart, daß das durch die Leitung 4 geführte Wasser erst in Bodennähe des Behälters 1 austritt, so daß von diesem Volumenstrom keine Weg­ strecke durchlaufen wird, die in Kontakt mit der Sauerstoffatmo­ sphäre steht. Auf diese Weise wird dieser Teilstrom nicht mit Sauer­ stoff angereichert. Er vermischt sich im unteren Auffangbereich mit dem mit Sauerstoff gesättigten Wasser und bildet mit ihm ein Gemisch einer Konzentration, die durch das frei wählbare Men­ genverhältnis der Teilströme der Leitungen 3 und 4 gegeben ist. Es ist auf diese Weise möglich, einen Sauerstoffkonzentrationswert von 5 bis 40 mg/l unabhängig vom Behälterinnendruck und vom Durchfluß einzustellen, welcher für Sanierungszwecke besonders vorteilhaft ist.

Das Gemisch der Teilströme wird durch die Abführleitung 9, die ein Ventil 10 aufweist, entnommen und einem Biologiefilter sowie der chemischen Aufarbeitung zugeführt, bevor es der weiteren Verwendung zugeführt wird.

Die Leitung 4 muß nicht im Behälterinneren verlaufen. Es ist auch möglich, sie außerhalb des Behälters 1 in Form eines Beipasses verlaufen zu lassen; von Bedeutung ist nur, daß der Teilstrom, wel­ cher durch die Leitung 4 in den unteren Bereich des Behälters 1 eingeleitet wird, turbulenzarm in das mit Sauerstoff angereicherte Wasser eintritt. Hierdurch wird die Oberfläche des Wasserspiegels ruhig gehalten, wodurch eine Vergrößerung dessen Oberfläche vermieden wird. Eine zusätzliche Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff wird somit weitgehend vermieden.

Soll das mit Sauerstoff einer definierten Konzentration angerei­ cherte Wasser vor der Lösung von weiterem Sauerstoff, welcher sich im Kopfraum des Behälters 1 befindet und der mit der Ober­ fläche des sich am Boden befindlichen Wasseroberfläche im Gleichgewicht steht, geschützt werden, so ist es möglich, den un­ teren Teil des Behälters 1, gegenüber der Rieselstrecke, also dem Kopfraum in den das Wasser durch die Verrieselungsvorrichtung 8 eingesprüht wird, in Form eines separaten Behälters abzutrennen, in den dann die Leitung 4 geführt wird. In einer vorteilhaften Aus­ gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrich­ tung ist es möglich, die Durchlaufmengen an Wasser und die Mengenverhältnisse der Teilströme sowie den Sauerstoffdruck in dem Behälter 1 durch eine elektronische Regulierung den jewei­ ligen Erfordernissen anzupassen. So können zum Beispiel mittels Durchflußmessern die Verbräuche an sauerstoffangereichertem Wasser, welches den Behälter 1 durch die Abführleitung 9 verläßt, ermittelt und die Zufuhr an Frischwasser über das Ventil 5 der Lei­ tung 2 gesteuert werden. Analog wird die Abgabe an mit Sauer­ stoff angereichertem Wasser durch die Abführleitung 9 durch au­ tomatische Regulierung des Öffnungsquerschnittes des Ventils 10 gesteuert, indem ein Verbrauchsmesser Meßwerte an eine Rege­ leinheit liefert. Wird durch eine Sauerstoffmeßsonde ein größerer Sauerstoffbedarf ermittelt, so können die Ventile 6 und 7 der Lei­ tungen 3 und 4 in ein anderes Öffnungsverhältnis zueinander ge­ setzt werden. Ebenso kann der Sauerstoffdruck reguliert werden. Es ist auch möglich, die Zufuhr an Wasser durch die Leitungen 2 und 4 alternierend zu betreiben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es nunmehr möglich, Wasser ohne Verlust an Sauerstoff mit einer definierten Sauerstoffkonzentration zu versetzen, wobei die Anrei­ cherung des Wassers mit dem Sauerstoff unabhängig vom In­ nendruck des Behälters 1 und der Wasserdurchlaufmenge vor­ genommen werden kann. Der für den Betrieb von Biologiefiltern und chemischen Aufbereitungsstufen optimale Sauerstoffgehalt und Betriebsdruck kann ohne großen Aufwand hergestellt wer­ den. Ein Verlust an Sauerstoff durch Ausgasen des Sauerstoffes wegen Übersättigung bei Reduzierung auf Atmosphärendruck kann verhindert werden. Somit kann auch Blasenbildung in den Patronen und Filtern durch Druckschwankungen vermieden wer­ den. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere vorteilhaft, wenn der Betriebsdruck und somit der Innendruck des Behälters 1 aus verfahrenstechnischen Gründen konstant gehalten werden muß; in diesem Fall kann nämlich mit dem herkömmlichen Verfahren eine Einstellung der Sauer­ stoffkonzentration über den Partialdruck und der damit im Gleichgewicht stehenden Sauerstoffkonzentration im Wasser, nicht über den Sauerstoffdruck im Behälter 1 vorgenommen wer­ den. Der Sauerstoffeintrag in das Wasser kann somit erfindungs­ gemäß vom Innendruck des Druckbehälters entkoppelt werden, so daß der Behälterinnendruck als einstellbare Größe für andere Regelkreise weiterhin zur Verfügung steht. Der für die Sättigung unter Atmosphärendruck maximal mögliche Sauerstoffgehalt von ca. 40 mg/l ist dabei gering im Verhältnis zur theoretischen Lös­ lichkeit von technischem Sauerstoff unter Druck. Das Verfahren und die Vorrichtung sind nicht nur auf die Anreicherung von Was­ ser mit Sauerstoff und auf die Anwendung im Sanierungsbereich beschränkt, vielmehr kann jedes Lösungsmittel mit einem darin löslichen Gas für andere Zwecke angereichert werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Anreicherung eines Gases in einer Flüssigkeit, bei dem die Flüssigkeit in einem Behälter (1), welcher mit der Atmosphäre des Gases beaufschlagt ist, zerrieselt und auf dem Behälterboden aufge­ fangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in mindestens zwei Teilströmen geführt wird, von denen mindestens ein Teilstrom in der, sich im Behälter (1) befindlichen Atmosphäre des Gases zerrieselt und am Behälterboden aufgefangen wird und mindestens ein weiterer Teilstrom der zerrieselten, sich auf dem Behälterboden ange­ sammelten Flüssigkeit zugeführt wird, ohne dabei mit der Atmosphäre des Gases in Berührung zu kommen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis der Teilströme variiert wird, so daß sich bei dem Zusammentreffen der Teilströme auf dem Behälterboden eine frei wählbare Gaskonzentration in dem Flüssigkeitsgemisch einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Teilströme einem gemeinsamen Flüssigkeitsvorrat entnommen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilströme turbulenzarm auf dem Behälterboden zusammengeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilströme in einem separaten Behälter zusammengeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskonzentration der sich auf dem Be­ hälterboden angesammelten Flüssigkeit über eine Sonde gemessen wird, welche das Meßsignal an eine Steuerung leitet, die beim Abweichen des Meßwertes von einem Sollwert die Ventile (6) und (7) derart ansteuert, daß sich ein Verhältnis der Teilströme einstellt, welches nach dem Zusammenführen der Teilströme zu der gewünschten Konzentration führt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Sauerstoff eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit Wasser eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das sich aus den Teilströmen zusammensetzende Flüssigkeitsgemisch, welches sich am Behälterboden sammelt eine Konzentration von 5 bis 40 mg/l Sauerstoff in Wasser aufweist.

10. Vorrichtung umfassend

• - einen Behälter (1)
• - eine Gaszuleitung
• - eine Flüssigkeitszuleitung
• - Mittel zur Zerrieselung der Flüssigkeit
• - eine Leitung (9) zur Abfuhr der Flüssigkeit

dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei Teilströmen der Flüssigkeit vorhanden sind die mit den Mitteln zur Zerrieselung und einer Leitung (4) in Verbindung stehen, welche in den Behälter (1) mündet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (4) in den Bodenbereich des Behälters (1) mündet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (4) im Inneren des Behälters (1) verläuft.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Leitung (4) so groß ist, daß keine turbulenten Strömungen in der sich auf dem Behälterboden befindlichen Flüssigkeit entstehen.