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Vorrichtung zur anaeroben Behandlung von Schlämmen und
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Abwässern Die Erfindung findet Anwendung bei der kontinuierlichen
anaeroben Behandlung von Schlämmen und Abwässern mit einem hohen Anteil organischer
Substanzen, wie sie beispielsweise bei der Intenslv.tierzucht anfallen.
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Es sind bereits zahlreiche Vorrichtungen zur anaeroben Behandlung
von Schlamm und Abwasser bekannt. Die klassischen einstufigen anaeroben Schlammbehandlungsvorrichtungen
erfordern im kontinuierlichen Betrieb lange Verweilzeiten von 20 Tagen und mehr.
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Dazu sind große Reaktionsräume notwendig. Um diese zu verringern,
wurden zweistufige Verfahren angewendet, bei denen die saure. Gärung und die Methangärung
in räumlichfgetrennten Reaktionsräumen durchgeführt werden.
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Räumlich getrennte Reaktionsräume, wie in DE OS 2621524 beschrieben,
weisen u.a. den Nachteil des größeren apparativen Aufwandes auf.
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Bekannt ist auch ein USB-Reaktor (Lettinga a.u. Biotechn.
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Engng. 22/1980 S. 699/734), der als vertikal durchflossener Schlammspiegelreaktor
gestaltet ist und so langsam durchströmt wird, daß sich im oberen Teil eine feststofffreie
bzw. feststoffarme Flüssigkeitsschicht einstellt.
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Dieser Reaktor besitzt den Nachteil, daß der Reaktorinhalt nicht homogenisiert
wird.
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In der DE AS 2728585 ist weiterhin eine Vorrichtung zur anaeroben
Reinigung von Abwasser beschrieben und dargestellt, die einen Faulraum und einer
in diesem zum Teil über dem oberen Flüssigkeitsniveau angeordneten Nachklärkammer
zum Trennen von Schlamm und Wasser aufweist.
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Diese Vorrichtung arbeitet, indem sich am Boden der Nachklärkammer
der Schlamm absetzt und über eine Auslaßöffnung, welche sich in Höhe des unteren
Flüssigkeitsniveaus befindet und tiefer als die Einlaßöffnung für das Wasserschlamm-Gemisch
angeordnet ist, selbsttätig auf Grund der Schwerkraft des eingedickten Schlammes
in den Reaktionsraum zurückgeführt wird.
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Bei dieser Vorrichtung sind Einlaß- und Auslaßöffnungen räumlich voneinander
getrennt.
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Diese Vorrichtung besitzt folgende Nachteile: Der Reaktions- und der
Trennraum besitzen auf Grund der Anordnung der Auslässe unterschiedliche Flüssigkeitsspiegel.
Damit sind auch die Gasdrücke über diesen Flüssigkeitsspiegeln unterschiedlich.
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Jede Störung in der Gasdrucksteuerung bewirkt damit eine Störung des
Betriebes des Eindickers.
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Des weiteren kommt es durch die räumliche Trennung von Einlaßöffnung
für das Gemisch aus Flüssigkeit und Schlamm und der Auslaßöffnung für eingedickten
Schlamm und der dadurch verursachten Zirkulation im Prozeßraum zu unerwünschten
Strömungseffekten.
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Oberschußschlamm oder inerte Feststoffe verbleiben im Inneren der
Vorrichtung.
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Zweck der Erfindung ist es, mit geringem apparativem Aufwand und hoher
Intensität auch stark belastete Schlämme und Abwässer anaerob aufzuarbeiten, wobei
eine Verkürzung der Verweilzeiten und eine hohe Gasausbeute erreicht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur anaeroben
Aufbereitung von Schlämmen und Abwässern zu entwickeln, die konstruktiv so gestaltet
ist, daß Wärmeverluste und Temperaturdifferenzen durch eine Kompaktbauweise weitgehend
vermieden werden, innerhalb der Vorrichtung solche Strömungsverhältnisse vorliegen,
daß die Verweilzeit der Flüssigkeit kürzer als die der festen Bestandteile ist und
darüber hinaus ein Abzug des Schlammes und der inerten Feststoffe möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der in einem
Behälter befindliche Reaktionsraum für die Methangärung und die Trennkammer einen
gemeinsamen Gassammelraum sowie einen gemeinsamen Abzug für das im Reaktionsraum
und in der Trennkammer entstehende Methangas aufweisen.
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Die den Reaktionsraum und die Trennkammer voneinander trennende Wand
besitzt in ihrem unteren Teil mehrere am Umfang verteile Durchtrittsöffnungen, durch
welche die beladene Flüssigkeit vom Reaktionsraum in die Trennkammer und ein Teil
des eingedickten Feststoffes aus der Trennkammer durch dieselbe Durchtrittsöffnung
wieder in den Reaktionsraum tritt. Diese Durchtrittsöffnungen sind zueinander in
gleicher Höhe vom Boden der Trennkammer angeordnet.
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Unter den Durchtrittsöffnungen befindet sich ein Sammelraum für eingedickten
Schlamm. Der Sammelraum wird vom Boden der Trennkammer begrenzt, wo auch eine Abzugsleitung
für den eingedickten Schlamm vorhanden ist.
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Die Größe der Durchtrittsöffnungen ist so bemessen, daß die Fläche
aller Öffnungen gleich groß oder größer als der horizontale Querschnitt der Trennkammer
ist.
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Die Durchtrittsöffnungen weisen strombrecherartige, in das Innere
der Trennkammer reichende Leitbleche auf.
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Diese verhindern die Rückvermischung der in die Trennkammer strömenden
beladenen Flüssigkeit mit dem Inhalt des Reaktionsraumes. Sie dienen auch der Turbulenzdämpfung
im unteren Teil der Trennkammer.
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Im Inneren der Trennkammer befinden sich eine oder mehrere Gasleiteinrichtungen.
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Zwischen der den Reaktionsraum und die Trennkammer voneinander trennenden
Wand und der Behälterwand befindet sich der Reaktionsraum für die Methangärung.
Die Trennkammer Ist dabei zentrisch, vorzugsweise kreisförmig angeordnet.
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Die Trennkammer kann sich auch in Kreisringform zwischen der den Reaktionsraum
und die Trennkammer voneinander trennenden Wand und der Behälterwand befinden.
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Die Trennwand kann weiterhin auch in Segmentform zwischen der den
Reaktionsraum und die Trennkammer voneinander trennenden Wand und der Behälterwand
angeordnet sein.
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In Abhängigkeit vom Abbauverhalten des Abwassers kann ein zweiter
Reaktionsraum für die saure Gärung im Behälter entweder unterhalb des Sammelraumes
für den eingedickten Schlamm oder oberhalb des gemeinsamen Gassammelraumes angeordnet
werden.
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Dabei ist es möglich, mit geringem apparativem Aufwand die Flüssigkeitsmenge
aus dem Reaktionsraum der sauren Gärung entsprechend dem Durchsatz gemeinsam mit
dem in diesem Reaktionsraum entstehenden Gas durch ein Stutzenloch in den Reaktionsraum
der Methangärung zu leiten.
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Die zu behandelnde Flüssigkeit gelangt in den Reaktionsraum und wird
mittels Düsen und Pumpe homogenisiert.
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Die Düsen sind ausreichend groß gewählt1 damit eine intensive Durchmischung
erfolgen kann.
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Durch die Absaugung von feststofffreier Flüssigkeit und eingedicktem
Schlamm entsteht eine Strömung aus dem Reaktionsraum in die Trennkammer. Dieser
Strömung ist eine weitere Strömung überlagert, die durch höhere Dichte des Feststoffes
im unteren Teil der Trennkammer bewirkt wird und durch die, die mit Feststoff angereicherte
Flüssigkeit in den Reaktionsraum zurückgefördert wird.
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In der Trennkammer erfolgt die Trennung von Klar- und eingedickter
Phase.
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Durch die Gasleiteinrichtungen werden die Gasblasen, welche in der
Trennkammer entstehen, sowie flotierte Biomasse nach oben geleitet. Mitgenommene
Schäumflüssigkeit und Biomasse gleitet über die obere Begrenzung in den Reaktionsraum
zurück.
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Das gesamte Gas wird über einen Stutzen und feststoffarme Flüssigkeit
aus dem oberen Teil der Trennkammer über einen Oberlauf abgeleitet.
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Ein Teil des in der Trennkammer eingedickten Feststoffes strömt durch
die Durchtrittsöffnungen in den Reaktionsraum zurück.
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Der andere Teil des eingedickten Feststoffes sammelt sich im unteren
Teil der Trennkammer, dem Sammelraum für eingedickten Schlamm, von wo er über eine
Abzugsleitung kontinuierlich oder diskontinuierlich abgezogen wird.
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Die Abzugsmenge wird durch den Anteil nichtabbaubarer Feststoffe bestimmt.
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Als Vorteile der Erfindung sind die intensive Durchmischung im Reaktionsraum
einerseits, die kombinierte Wirkung der Trennkammer, die in der Ausnutzung der Sedimentation
und der Flotation besteht, andererseits, die kompakte Anordnung der einzelnen Reaktionsräume
innerhalb einer tragenden Behälterkonstruktion, die damit mögliche Temperaturkonstanz,
die geringen Wärmeverluste und die Möglichkeit, die Gase einer vorgeschalteten sauren
Gärung in den Reaktionsraum zur Durchführung der Methangärung einzuleiten, anzusehen.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
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In der zugehörigen Zeichnung zeigen Fig. 1: eine schematische Darstellung
der Vorrichtung zur anaeroben Behandlung von Schlämmen und Abwässern im Längsschnitt
Fig. 2: eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit veränderter Anordnung
der Trennkammer im Längsschnitt Die Vorrichtung besteht aus einem zylindrisch stehenden
Behälter 1, der einen Reaktionsraum 2 zur Durchführung der sauren Gärung beinhaltet,
an welchem in Nähe des Behälterbodens eine Eintrittsöffnung 3, sowie eine Pumpe
4 mit einer daran angeschlossenen Düse 5 vorhanden sind.
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Die damit erzielte Homogenisierung der eintretenden beladenen Flüssigkeit
kann anstelle des Systems Pumpe/ Düse auch mit bekannten Rührern erreicht werden.
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Der Reaktionsraum 2 für die saure Gärung befindet sich unterhalb eines
weiteren Reaktionsraumes 6 für die Methangärung.
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Der Reaktionsraum 2 kann aber auch oberhalb des Reaktionsraumes 8
angeordnet sein, oder auch in Abhängigkeit vom Abbauverhalten des Schlammes und
des Abwassers ganz entfallen.
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Beide Reaktionsräume sind durch einen Zwischenboden 7 voneinander
getrennt.
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Dieser Boden besitzt je nach Baugröße ein bis drei am Umfang verteilte
Stutzenlöcher 8.
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Um eine Rückvermlschung der Reaktionsrauminhalte zu vermeiden, sind
die Stutzenlöcher 8 mit Leitblechen 9 in Form eines Stutzens versehen.
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über dem Zwischenboden 7 befindet sich eine Pumpe 10 mit einer daran
angeschlossenen Düse 11, die die aus dem Reaktionsraum 2 in den Reaktionsraum 6
eintretende beladene Flüssigkeit ebenfalls homogenisiert, um so optimale physikalische
Bedingungen für den Abbau des Schlammes und des Abwassers zu erhalten.
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Im Reaktionsraum 6 der Methangärung befindet sich e-ine koaxial angeordnete
zylindrische Trennkammer 12, die in ihrem Inneren vorzugsweise zentrisch angeordnete
Gasleiteinrichtungen 13 besitzt Dabei können eine Gasleiteinrichtung oder mehrere
Gasleiteinrichtungen 13 übereinander angeordnet sein.
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Die obere Begrenzung der Trennkammer 12 weist eine Gasaustrittsöffnung
14 sowie einen Oberlauf 15 auf, aus dem flotierte Biomasse mit Schaum in den Reaktionsraum
6 zurückfl ießt.
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Im unteren Teil der den Reaktionsraum und die Trennkammer trennenden
Wand 17 sind mehrere Durchtrittsöffnungen 16 vorhanden.
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Diese Durchtrittsöffnungen 16 sind vorzugsweise in gleicher Höhe zueinander,
in einem Abstand zum Zwischenboden 7, der das ein- bis zweifache des Durchmessers
der Trennkammer 12 beträgt, angeordnet.
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Die Fläche aller Durchtrittsöffnungen ist so bemessen, daß sie gleich
groß oder größer als die horizontale Querschnittsfläche der Trennkammer 12 ist.
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Die Durchtrittsöffnungen 16 sind mit strombrecherartigen Leitblechen
18 ausgerüstet.
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Unter den Durchtrittsöffnungen 16 befindet sich ein Sammelraum 19
für eingedickten Schlamm.
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Der Zwischenboden 7, der gleichzeitig den Boden der Trennkammer 12
und damit den Boden des Sammelraumes 19 darstellt, besitzt eine Abzugsleitung 20
für den eingedickten Schlamm.
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Im Reaktionsraum 6 befindet sich unmittelbar unter dem Flüssigkeitsspiegel
eine Abzugseinrichtung 21 für entstehenden Schwimmschlamm.
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Zur Ableitung feststoffarmer bzw. feststofffreier Flüssigkeit ist
eine Rohrleitung 22 vorgesehen, die eine Verbindung zum oberen Teil der Trennkammer
12 und einem außerhalb des Behälters 1 befindlichen Standbehälter 23 darstellt.
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In der Trennkammer 12 und im Reaktionsraum 6 ist ein gleich hoher
Flüssigkeitsspiegel vorhanden, der teilweise durch die obere Trennkammerbegrenzung
unterbrochen wird. Ober dem Flüssigkeitsspiegel befindet sich ein gemeinsamer Gassammelraum
24, der von der Behälterwand begrenzt wird. Auf dieser ist oben mittig ein Gasaustrittsstutzen
25 befestigt.
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Die Gestaltung der Vorrichtung gewährleistet eine gute Trennung in
Klar- und eingedickter Phase und ermöglicht dabei eine hohe Biogasausbeute.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt: Durch die Eintrittsöffnung
3 tritt das aufzubereitende Abwasser in den Reaktionsraum 2. Das Abwasser muß im
Feststoffanteil dabei so begrenzt sein, daß eine pumpfähige Konsistenz entsteht.
Feste Bestandteile über 10 mm Teilchengröße sollten vor dem Eintritt in die Vorrichtung
abgetrennt werden.
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Im Reaktionsraum 2 wird die beladene Flüssigkeit durch die Pumpe 4
und der angeschlossenen Düse 5 homogenisiert.
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Ist der Reaktionsraum 2 vollständig gefüllt, steht er unter dem hydrostatischen
Druck der gesamten Flüssigkeitssäule.
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Entsprechend der durch die Eintrittsöffnung zugeführten beladenen
Flüssigkeit und der dabei entstehenden Faulgasmenge wird ein Flüssigkeitsgasgemisch
durch die Stutzenlöcher 8 in den Reaktionsraum 6 gedrückt.
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Das entstehende Faulgas übt dabei eine Pumpenwirkung auf diese beladene
Flüssigkeit durch seine Aufwärtsbewegung aus, um die Strömung des Flüssigkeitsgasgemisches
zu unterstützen.
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Im Rekationsraum 6 findet eine weitere Homogenisierung des Flüssigkeitsgasgemisches
statt, welche durch die Pumpe 10 und die angeschlossene Düse 11 bewirkt wird.
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Etwa die gleiche Flüssigkeitsmenge wie durch die Eintrittsöffnung
3 zugegeben tritt durch die Durchtrittsöffnungen 16 vom Reaktionsraum 6 in die Trennkammer
12.
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In der Trennkammer erfolgt bei Querschnittsbelastungen von ca. 1 m3/m2h
eine Trennung des Flüssigkeitsgasgemisches in Klar- und eingedickte Phase, in Flotationsschaum
und Gas. Dabei wird eine Biomassekonzentration in der Trennkammer erreicht, die
größer als die des Reaktionsraumes 6 ist.
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Flotierte Biomasse steigt als Flotationsschaum gemeinsam mit entstehendem
Methangas durch die Gasleiteinrichtungen 13 nach oben, wobei das Gas in den Gassammelraum
24 tritt und von da aus über den Gasaustrittsstutzen 25 abgelassen wird. Flotationsschaum
tritt über die obere Begrenzung über den Oberlauf 15 in den Reaktionsraum 6 zurück.
Diese Rückführung kann durch einen Flüssigkeitsstrahl unterstützt werden.
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Feststoffarme bzw. feststofffreie Flüssigkeit wird aus der Trennkammer
über eine Rohrleitung 22 in den Standbehälter 23 geleitet.
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Der eingedickte Schlamm fällt auf Grund des Schwerkraftprinzips in
den unteren Teil der Trennkammer, dem Sammelraum 19 zurück und wird zum einen kontinuierlich
oder diskontinuierlich über eine Abzugsleitung 20 nach außen abgezogen. Dabei wird
die Abzugsmenge durch die Menge an Oberschußschlamm und durch den Anteil nichtabbaubarer
Feststoffe bestimmt.
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Zum anderen strömt eingedickter Feststoff aus dem Sammelraum 19 durch
die Durchtrittsöffnungen 16 in den Reaktionsraum 6 zurück.
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In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung mit veränderter
Trennkammeranordnung dargestellt.
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Sie ist vorzugsweise für schlecht sedimentierende Schlämme und kurze
Abbauzelten anwendbar.
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Diese Ausführungsform unterscheidet sich zur Fig. 1 durch die Anordnung
und Ausgestaltung der Trennkammer in Abhängigkeit vom Reaktionsraum 6 der Methangärung.
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Die Gestaltung der Trennkammer 12 hängt von bestimmten Kennziffern
ab, die sich nach folgender Formel ermitteln lassen: w . t Kennziffer = WT ho Dabei
bedeuten: wT die maximal mögliche Aufstromgeschwindigkeit in der Trennkammer die
mittlere Verweilzeit im Methangärungsraum ho die Bauhöhe des Reaktionsraumes der
Methangärung Ist die Kennziffer kleiner 1, verwendet man vorzugsweise ringförmige
Trenkammern, wie in Fig. 2 dargestellt.
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Ist das Verhältnis größer 5, werden vorzugsweise zentrisch angeordnete,
kreisförmige Trennkammer, wie in Fig. 1 dargestellt, verwendet.
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Liegt der Wert der Kennziffer im Bereich 1 ... 5, so können segmentförmig
angeordnete Trennkammern verwendet werden.
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Die den Reaktionsraum und die Trennkammer voneinander trennende Wand
stellt dabei eine Kreissehne dar.
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Die Vorrichtung entsprechend Fig. 2 beinhaltet zwei Reaktionsräume
in einem zylindrisch stehenden Behälter 1.
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Der Reaktionsraum 2 für die saure Gärung befindet sich unter dem Reaktionsraum
6 für die Methangärung.
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Beide Räume sind durch einen Zwischenboden 7 voneinander getrennt
Zum Durchtritt des Flüssigkeitsgasgemisches aus dem Reaktionsraum 2 in den Reaktionsraum
6 befindet sich zentrisch ein Stutzenloch 8, welches mit einem Leitblech 9 in Form
eines Stutzens versehen ist.
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Im Reaktionsraum 2 befindet sich zwecks Homogenisierung des Flüssigkeitsgasgemisches
eine Pumpe 4 mit angeschlossener Düse 5 Der Inhalt des Reaktionsraumes 6 wird homogenisiert,
wozu die Pumpe 10 mit der Düse 11 vorhanden sind.
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Zur Trennung von Klar- und eingedickter Phase, Flotationsschaum und
Gas ist eine Trennkammer 12 vorhanden.
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Diese ist zur Gewährleistung einer ausreichenden Querschnittsfläche
der Trennkammer 12 in ringförmiger Bauweise annähernd rotationssymmetrisch am tragenden
Mantel des Behälters 1 befestigt.
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Im Inneren der Trennkammer sind Gasleiteinrichtungen 13 einfach oder
mehrfach übereinander angeordnet.
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Die den Reaktionsraum 6 und die Trennkammer 12 voneinander trennende
Wand 17 besitzt mehrere Durchtrittsöffnungen 16.
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Sie sind vorzugsweise in gleicher Höhe zueinander angeordnet. Diese
Durchtrittsöffnungen sind mit strombrecherartigen Leitblechen 18 versehen, die radial
nach außen gerichtet sind und sich damit im Inneren der Trennkammer 12 befinden.
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Ein Sammelraum 19 für eingedickten Schlamm befindet sich unter den
Durchtrittsöffnungen.
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Eingedickter Schlamm kann über eine Abzugsleitung 20 abgezogen werden.
Feststoffarme bzw. feststofffreie
Flüssigkeit wird in einen außerhalb
des Behälters 1 angeordneten Standbehälter 23 über eine Rohrleitung 22 eingeleitet.
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Zur Ableitung von Schwimmschlamm ist eine Abzugseinrichtung 21 in
Form von zwei sich gegenüberstehenden vertikalen Wänden vorhanden, die einen Teil
der ringförmigen Trennkammer abtrennen. Durch diametral angeordnete Düsen wird der
Schwimmschlammabzug unterstützt.
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Die Trennkammer 12 und der Reaktionsraum 6 besitzen gleiche Flüssigkeitsniveaus.
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über dem Flüssigkeitsspiegel liegt ein gemeinsamer Gassammelraum 24.
Das gesamte Gas wird aus dem Gassammelraum über einen Gasaustrittsstutzen abgeleitet.
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Mit beiden Ausführungsformen können alle anaeroben abbaubaren Schlämme
und Abwässer aufbereitet werden, wobei die abbaubare organische Trockensubstanz
vorzugsweise 3 größer 5000 - 8000 g/m3 betragen soll.
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Hierzu zählen vor allem die Abprodukte der Intensivtierzucht, aber
auch überschußschlamm aus aeroben Abwasserbehandlungsanlagen.
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Die Verweilzeit der Flüssigkeit liegt je nach dem Temperaturregime
und der Art der Inhaltsstoffe bei 1 bis 6 Tagen.
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