DE2435566A1 - Verfahren und vorrichtung zum einbringen von sauerstoff in wasser - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung Z;LS Einbringen von Sauerstoff In Wasser Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von Sauerstoff oder einem gegenüber Luft hochsauerstoffhaltigen Gasgemisch in Wasser. In erster Linie ist hierbei an biologische Abwasserrein@gungsanlagen gedacht, die hach dem Belebtschlammverfahren betrieben werden, die Erfindung läßt sich aber auch be. natürlichen Oberflächengewässern anwenden, wenn bei diesen eine Sauerstoffmangelsituation herrscht. In Abwasserreinigungsanlagen dient das erfindungsgemäße Verfahren vor allen zum ausgleich von Spitzenbelastungen, Jedoch ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt.
• in biologischen Abwasserreinigungsanlagen, die nach dem Belebtschlammverfahren betrieben werclen, ist häufig ein über die Auslegungskapazität hinausgehendes Sauerstoffangebot notwendig.
• So verursachen zum Beispiel gewisse Abwasereinleiter einen erhöhten biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB) des zu reinigenden Abwassers. Ein derartiger erhöhter BSB kann zu bestimmten l'ageszeiten oder auch ständig auftreten. Damit i##iie: die gewünschte Reinigungsleistung erzielt wird, muß zusatzlich Sauerstoff bereit gestellt werden.
• Die Bereitstellung zusätzlichen Sauerstoffs für solchermaßen überlastete Anlagen ist fast immer mit größeren Schwierigkeiten verbunden. Die Leistung der Sauerstoffeintragungsaggregate, das heißt, im Normalfall der Oberflächenbelüfter oder der Druckluft:belüftung, läßt sich meist nicht weiter steigern.
• Es bleibt daher oft nur die Alternative, entweder ständig oder sporadisch eine ungenügende Reinigungsleistung in Kauf zu nehmen, oder durch größere Baumaßnahmen, wie den Bau einer besonderen Begasungsstufe, einer kompletten Parallelanlage oder einer nachgeschalteten zweiten Belebtschla:rsnstufe, Abhilfe zu schaffen.
• Um diese aufwendigen Maßnahmen zu vermeiden, wird auch reiner gasförmiger Sauerstoff eingesetzt. Ein Verfahren dieser Art zeigt zum Beispiel die deutsche Auslegeschrift 2 032 480. Eine bedeutende Schwierigkeit der nit reinem Sauerstoff arbeitenden Verfahren besteht darin, da,3 sich nur ein Bruchteil des eingesetzten Sauerstoffs im Wasser löst. Der nicht gelöste Sauerstoff muß aufgefangen werden und in einer zweiten Begasungsstufe erneut in das Belebungsbecken geleitet werden. hierbei ist es unvermeidlich, das die gasförmigen Abbauprodukteß insbesondere das Kohlendioxyd, wieder in das Abwasser- Schlamm-Gemisch zurückgelangen.
• Die Löseähigkeit des Sauerstoffs im Wasser hangt vor allem vom Partialdruck des Sauerstoffs ab. Selbst wenn man den Sauerstoff an der tiefsten Stelle des Belebungsbeckens einftLhrt, ist er doch nur eine ganz kurze Zeit den hohen hydrostatischem Druck an dieser Stelle ausgesetzt. Die Sauerstoffbläschen steigen auf, wobei der hydrostatische Druck kontinuierlich abnimmt. Im gleichen Maße nimmt die Lo~sefähigkeit des Sauerstoffs in der FlUssigkeit ab, Aus der deutschen Offen).egungsschrift 2 216 917 ist ein Verfahren bekannt, das diesen Nachteil im gewissem Umfang vermeidet.
• Nach dem Verfahren dieser Offenlegungsschrift wird der Sauerstoff an einer Stelle mit hohem hydrostatischen Druck in das Belebungsbecken geleitet und dort durch VorrIchtungen daran gehindert, sofort aufzusteigen. Da somit der Sauerstoff längere Zeit unter konstantem Druck mit der Flüssigkeit in Berührung ist, wird eine größere Menge des Sauerstoffs in der Flüssigkeit gelöst. Durch dieses bekannte Verfahren wird jedoch auch nur eine vergleichsweise geringe Verbesserung der Sauerstofflöslichkeit erreicht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbringen von Sauerstoff oder einem gegenüber Luft hochsauerstoffhaltigem Gasgemisch in Wasser zu schaffen, mit dem eine Höchstmenge an Sauerstoff im Wasser gelöst werden kann, ohne daß dazu umfangreiche Anlagen erforderlich sind und bei dem der eingesetzte Sauerstoff optimal ausgenutzt werden kann.
• Es wurde nun gefwlden, daß sich ein derartiges Verfahren durchfUhren läßt, wenn gemäß der Erfindung dem Wasser ein Teilstrom entnommen wird, der Druck des Teilstromes wesen'ich über den atmosphärischen Druck erhöht wird und der Tellstrom anschließend einem geschlossenem Begasungsaggregat zugeführt wird, in welchem der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gasgemisch in dem Teilstrom, gelöst wird, wonach der Teilstrom dem Wasser unter Llruekentlastun£-, durch Drosselstellen wIeder zugeleitet wird.
• Der wesentliche erfinderische Gedanke besteht also darin, die Lösung des Sauerstoffs im Wasser unter einem wesentlich höherem Druck vorzunehmen, als er unter den gegebenen Umständen in der Anlage vorhanden ist. Unter diesem hohen Druck löst sich eine große Sauerstoffmenge. Bei der nachfolgenden Drosselentspannung wird ein Teil des gelösten Sauerstoffs in Form einer Vielzahl sehr kleiner Bläschen frei und kann wegen der dadurch gegebenen großen Oberfläche sehr schnell in der unter Normal druck stehenden Flussigkeit gelöst werden.
• Ein guter Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn der Druck des Teilstroms auf zwei bis zehn bar erhöht wird. Falls-kein reiner Sauerstoff verwendet wird, so muß der Sauerstoffgehalt im verwendeten Gasgemisch mindestens 4o Prozent betragen. Als geschlossenes Begasungsaggregat können Füllkörperkolonnen oder Injektoren eingesetzt werden.
• Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der im Begasungsaggregat nicht gelöst Sauerstoff im Kreislauf gesammelt und erneut zur- Begasung verwendet. Bei Anwendung des Verfahrens in einer biologischen Abwasserreinigungsanlage wird zweckmäßigerweise der Teilstrom erfindungsgemäß behandelt, der dem Belebungsbecken in Form von vorgereinigtem Abwasser zufließt. Der erfindungsgemäß mit Sauerstoff beladene Teilstrom kann dann direkt in das Belebungsbecken eingeleitet werden, er kann aber auch dem dem Belebungsbecken zufließenden Abwasserstrom wieder zugemischt werden. Bei direkter Drosselentspannung im Belebungsbecken ist es zweckrnaßg, die Einleitungsstellen so anzuordnen, daß die entstehenden acrstoffbläschen einen möglich#st weiten Weg innerhalb des Abwasser - Schlamm - Gemisches zurücklegen, bevor sie die Gemischoberfläche erreichen. Solche Stellen sind zum Beispiel Abwärtsströmungen, die durch die Belüftungskreisel verursacht werden.
• Selbstverständlich ist es nicht nötig, daß der Teilstrom dem dem Belebungsbeckrn zufließenden Abwasser entnommen wird, das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich beispielsweise auch mit nachgeklärtem Abwasser oder Wasser aus dem Vorfluter benutzen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch ohne weiteres bei natürlichen Oberflächengewässern einsetzen, wenn in diesen eine Sauerstoffmangelsituation herrscht.
• In einem solchen Fall wird dem Oberflächengewässer ein Teilstrom entnommen, erfindungsgemäß mit Sauerstoff beladen und wieder in das Oberflächengewässer zurück geleitet.
• Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verf ahrens besteht im wesentlichen aus einer Druckerhöhungspumpe für den Teilstrom, einem geschlossenem Begasung aggregat und einem Sauerstoffkompressor. Es ist zweckrn#ßig, die gesamte Vorrichtung als mobil, fahrbare Einheit auszugestalten. In Krisenfällen kann eine solche Einheit dann schnell an den Einsatzort gebracht werden, sei dies nun eine Abwasserreinigungsanlage oder ein natürliches Oberflächengewässer. Die Sauerstoffversorgung kann durch eInen Tank mit flüssigem Sauerstoff sichergestellt werden. Der benötigte Sauerstoff wird dann den Tank entzogen und in einem Kaltvergaser verdampft.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ohne größere bauliche Veränderungen und ohne größere investitionskosten die durch Überlastung verminderte Reinigung leistung von Abwasserreinigungsanlagen oder die Selbstreinigungskraft von Oberflächengewässern in kürzester Zeit und ohne große Sauerstoffverluste erhöht werden kann. Im Gegensatz zu den mit reinem Sauerstoff arbeitenden Belebtschlammverfahren gelangen die gasförmigen Abbauprodukte, insbesondere das Xohlendioxyd, nicht wieder in das Abwasser - Schlamm - Gemisch zurück und behindern daher auch nicht den weiteren Abbau. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
• In der Zeichnung ist das Belebungsbecken einer biologischen Abwasserreinigungsanlage dargestellt, welches nach dem erfindung gemäßen Verfahren mit Zusatzsauerstoff betrieben wird.
• In der Zeichnung ist ein Belebungsbecken 3 dargestellt, welches mit Belüftungskreiseln 4 ausgestattet ist.
• Das mechanisch vorgereinigte Abwasser fließt über eine Rohrleitung 1 in das Belebungsbecken 3, während das Abwasser - Schlamm - Gemisch anschließend Uber eine Rohrleitung 5 zur Nachsilärung fließt. Durch eine Rohrleitung 2 wird das Belebungsbecken 3 mit Rücklaufschlamm versorgt.
• Der Rohrleitung 1 wird ueber eine Rohrleitung 6 erfindungsgemäß mittels einer Pumpe 7 ein Teilstrom des Abwassers entnommen, der auf einen Druck von 2 - 10 bar gebracht wird.
• Der Teilstrom gelangt In eine Füllkörperkolonne 8, wo er im Gegenstrom mit Sauerstoff aus der Rohrleitung 11 begast wird.
• Der sich am Kolonnenkopf sammelnde, nicht in Lösung gegangen Sauerstoff wird durch die Rohrleitung 9 abgezogen und mittels des Sauerstoffkompresscrs 10 wieder in die Rohrleitung 11 mit dem frischen Sauerstoff eingeleitet. Er wird somit im Kreislauf geführt und zusammen mit dem frischen Sauerstoff der Kolonne am unteren Ende wieder zugeführt. Das sich im Kolonnensumpf sammelnde druckerhöhte, sauerstoffreiche Teilstromwasser wird über die Hauptleitung 12 und die Abzweigleitungen 13 dem Abwasser - Schlamm - Gemisch an den Stellen zugeleitet, an denen eine Abwärtsströmung einen möglichst lan#en Weg der aus dem Teilstrom abwasserlentgasenden Sauerstoffbi.asen im Abwasser-Schlamm - Gemisch bewirkt, bevor diese an die Oberfläche gelangen.
• Um eine vorzeitige Druckentlastung und damit eine vorzeitige Entgasung des Teilstromabwassers zu verhindern, sind direkt am Austritt des Teilstromabwassers in das Abwasser- Schlamm - Gemisch Drosselstellen 14 angeordnet. Die Wasserströmung ist durch Pfeile angedeutet Die Lösung des Sauerstoffs unter einem Druck, der wesentlich höher ist als der atmosphärische Druck, ist besonders wichtig, da hierdurch zsel Erscheinungen bewirkt werden, die filr die Wirksamkeit der Erfindung bedeutend sind: Bei der Abwasserbehandlung, sei es nur, in einer Abwasserreinigungsanlage oder in einem natUrlichem Oberflächengewässer, muß davon ausgegangen werden, daß das zu behandelnde Abwasser chemisch nicht gebundenen, gelösten, StIckstoff besitzt, der den Sättigungspunkt bei Atmosphärendruck und Luftatmosphäre entspricht oder diesem Punkt zumindest sehr nahe kommt. Da bei der Begasung des Te lstromabvlassers mit reinem Sauerstoff der Stickstoffpartialdruck der Gasphase gleich Null ist, baut sich innerhalb der Gasphase gemäß den Gesetzen von Henry und Dalton ein dem Sticgstoffanteil der Flssigphas entsprechender Stlckstoffanteil auf, der aus dem Teilstromabwasser entgast.
• Bei Atmosphärendruck und der erfindungsgemäßen Kreislaufführung des ungelösten Sauerstoffs bedeutet das eine Stickstoffanreicherung der Gasphase auf den gleichen Anteil, den der Stickstoff in der Luft besitzt (78 Vol. Der Vorteil des Einsatzes von reinem Sauerstoff, nämlich die höhere Löslichkeit durch einen höheren Sauerstoffpartialdruck> wird dadurch in kurzer Zeit hinfällig. Versuche ergaben einen Zeitraum von 2 - 3 Stunden bis zum Erreichen des Gleichgewichtszustandes. Daher ist ein höherer Druck als der Atmosphärendruck notwendig, bei dem zar ebenfalls Stickstoff aus dem Wasser entgast und zwar auch in der absolut g#eichen Menge wie bei Atmosphärendruck, jedoch ist der volumenrnäßlge Stickstoffanteil geringer und somit der Sauerstoffpartialdruck höher. Eine Druckerhöhung auf doppelten Atmosphärendruck bewirkt etwa eine Versechsfachung des Sauerstoffpartialdruckes innerhalb der Kolonne.
• Die zweite vorteilhafte Erscheinung besteht in der außerordentlich feinen Verteilung des bei der Entspannung des Teilstromes frei werdenden Sauerstoffs. Bei der Entsparniung von unter Druck hoch mit Sauerstoff angereichertem Wasser entgast der Sauerstoff teilweise in Form feinster Blasen aus dem Wasser. Die Anzahl der Blasen liegt etwa zwischen 200 und 1000 pro com Wasser.
• Ihr Durchmesser beträgt etwa 0,02 bis 0,05 mm. Diese außerordentlich kleine Blasengröße bewirkt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine äußerst schnelle Lösung des Sauerstoffs im weit unter der Sauerstoffsättigung liegenden Abwasser- Schlamm-Gemisch. Da die Sauerstoffeintragungskoionne auf den Sauerstoff bezogen verlustlos arbeitet, ergibt sich je nach Form und Belüftungssystem des Belebungsbeckens ein Gesamtausnutzungsgrad des Sauerstoffs von bis über 90%. Die örtlIch sehr hohe Sauerstoffkonzentration im Abwasser- Schlamm-Gemisch ist wegen der zügiges Vermischung eng begrenzt und daher für den Gesamtabbauprozess unbedenklich.
• Anstelle der Füllkörperkolonne kann auch ein anderes Gas-Eintragsystem treten, das eine Wiederverwendung des ungenutzten Sauerstoffs zuläßt, z.B. ein Injektor mit nachfolgendem Behälter zur Trennung von Gas- und Flüssigphase.

Claims (14)

A n s p r a G h e

1. Verfahren zum Einbringen von Sauerstoff oder einem gegenüber Luft ochsaucrsorrhaltgeq Gasgemisch in assr, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wasser ein Teilstrom (6) entnommen wird der Druc'¢ des Teilstromes wesentlich über den atmosphärischen Druck erhöht wird und der Teilstrom anschließend einem geschlossenen Begasungsaggregat (8) zugeführt wird, in welchem der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gasgemisch in dem Teilstrom gelöst wird, wonach der Teilstrom dem Wasser unter Druckentlastung durch Drosselstellen (14) wieder zugeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Teilstromes auf 2 bis 10 bar erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gegenüber Luft hochsauerstoffhaltige Gasgemisch mindestens 40 % Sauerstoff enthält.

4. Verfahren nach' einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als geschlossenes Begasungsaggregat eine Fülikörperkolonne (8) dient.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als geschlossenes Begasungsaggregat ein Injektor dient.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im Begasungsaggregat nicht gelöste Sauerstoff bzw. das nicht gelöste hochsauerstoffhaltige Gasgemisch gesammelt und erneut zur Begasung verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6; dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom einer nach dem Belebtschlammverfahren arbeitenden biologischen Abwasserreinigungsanlage entnommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom (6) dem dem Belebungsbecken (3) zufließenden mechanisch oder chemisch-mechanisch durch ein Füllungsverfahren vorgereinigten Abwasser (1) entnommen wird.

9, Verfahren nach Anspruch 8, dadurch geI#ennzeichnet, daß der Teilstrom dem Belebungsbecken zugeleitet wird.

10 Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Einleitungsstellen im Belebungsbecken, daß die bei der Drosselentspannung des Teilstromes entstehenden Gasblasen einen möglichst weiten Weg innerhalb des Abwasser-Schlamm-Gemisches z#rücklegen, bevor sie die Gemischoberfläche erreichen.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom dem dem Belebungsbecken zufließenden Abwasser (1), aus dem er entnommen wurde, wieder zugeleitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Teilstrom nachgeklärtes Abwasser oder Wasser aus dem Vorfluter benutzt wird, welches in das Belebungsbecken entspannt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Wasser ein natürliches Oberflächengewässer ist.

14. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, im wesentlichen bestehend aus eine r Druckernöhungspumpe für den Teilstrom, einem geschlessenen-Begasungsaggregat und einem -Sauerstoffkompressor, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Vorrichtung als mobile, fahrbare Einheit ausgestaltet ist.

L e e r s e i t e