DE3686107T2

DE3686107T2 - Bioumwandlungsreaktor.

Info

Publication number: DE3686107T2
Application number: DE8686304054T
Authority: DE
Inventors: Andre Bachmann; Perry L Mccarty
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1985-07-31
Filing date: 1986-05-28
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2006-05-29
Also published as: CA1294070C; AU589898B2; AU4443585A; EP0213691B1; JPS6232876A; DE3686107D1; EP0213691A3; JPH0730B2; EP0213691A2

Description

Die Erfindung betrifft die anaerobe Fermentierung von organischen Materialien, und insbesondere einen Bioumwandlungsreaktor zur Verwendung bei der anaeroben Fermentierung organischer Materialien.
Die Mikrobiologische Umwandlung von organischen Stoffen in Methangas wird für eine große Möglichkeit gehalten, um einen bedeutenden Anteil des derzeitigen Bedarfs an Naturgas in den Vereinigten Staaten zu befriedigen. Die mit diesem Verfahren zusammenhängende Technologie ist bis zu dem Punkt fortgeschritten, an dem sie kommerzialisiert werden kann und in manchen Fällen eine hinsichtlich der Kosten wettbewerbsfähige Energie erzeugen kann. Die Fermentierung zu Methan hat den Vorteil, daß sie ein hochqualitatives reines Produktgas erzeugt, das leicht durch bestehende Gasverteilungsnetze gefördert werden kann. Zusätzlich können organische Materialien, die für eine direkte Verbrennung zu nah sind, zu Methan fermentiert werden. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß der Nährwert der Biomasse nicht durch eine Methanfermentierung zerstört wird und dem Land zurückgeführt werden kann.
Die anaerobe Fermentation ist außerdem für die Behandlung von vielen organische Stoffe enthaltenden Industrieabwässern attraktiver geworden, da sie eher Energie erzeugt als verbraucht, was ein Problem bei den üblicherweise verwendeten aeroben Prozessen für die Behandlung von Abwässern darstellt. Das Interesse für die anaerobe Fermentierung von Industrieabwässern ist sehr groß, es stand jedoch kein zuverlässiges Verfahren zur Verfügung, das bei kurzen Verweilzeiten wirksam arbeitet.
Bei einem typischen anaeroben Fermentierungsverfahren fließt ein Flüssigkeitsstrom, der zu behandelndes organisches Material enthält, in einen Reaktor, der mit Biomasse oder Mikroorganismen geimpft ist. Bei dem Verfahren kann das organische Material vor der anaeroben Fermentierung des sich ergebenden löslichen und aus Partikeln bestehenden Materials in dem Reaktor vorbehandelt werden, was jedoch nicht sein muß. Für verdünntere Ströme aus organischem Material (weniger als 2% organische Stoffe) muß der Fermentierungsreaktor ein Festkontakttyp sein, bei dem die Verweilzeit der Mikroorganismen im Reaktor viel größer ist als die des Flüssigkeitsstroms oder des Abflusses in dem System. Eines der Probleme bei den bekannten Reaktorkonstruktionen besteht darin, daß es schwer ist, eine lange Verweilzeit der Mikroorganismen in dem Reaktor aufrecht zu erhalten, entweder weil sie nicht in dem Reaktor gehalten werden können, oder, wenn sie gehalten werden können, die sich ergebenden hohen Konzentrationen dazu neigen, den Reaktor zu verstopfen.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Systeme entwickelt. Das einfachste und billigste System weist eine Aufwärts-Stromeinheit ohne Medien oder Mischen in dem Reaktor auf, jedoch mit einem Trenntrichter an der Oberseite, damit Gas aus der Flüssigkeit und aus den biologischen Feststoffen innerhalb des Reaktors abgetrennt werden kann.
Diese Auslegung ist in einem Artikel von Lettinga et al. "Anaerobic Treatment of Methanolic Wastes", Water Research, Vol. 13, Seiten 725 bis 737, 1979, beschrieben. Dieses System hängt von der Fähigkeit der bakteriellen Festkörper zum Ausflocken und zum Verbleiben des größten Teils in der unteren Zone des Reaktors abhängig. Die Vermischung der eintretenden Abfallstoffe und der bakteriellen Feststoffe wird in erster Linie durch die Turbulenz unterstützt, die von den auf steigenden Gasblasen erzeugt wird. Dieses Verfahren wird anaerobes Aufwärtsstrom-Schlammdeckenverfahren genannt. Das System ist relativ billig. Seine Zuverlässigkeit ist jedoch aufgrund der bei der Einstellung der bakteriellen Festkörper auftretenden Schwierigkeiten veränderbar. Obwohl der Reaktor mit einer Verweilzeit von weniger als einem Tag betrieben wurde, bestehen Probleme durch das durch das Gas verursachte Aufsteigen der bakteriellen Festkörper und durch das Zusetzen der Auslaßöffnungen.
Ein zweites System ist der anaerobe Filter, der in einem Artikel von Young und McCarty "The Anaerobic Filter For Waste Treatment", Journal Water Pollution Control Federation, Vol. 41, Seiten 160 bis 173, Mai 1969, beschrieben ist. Dies kann ein Aufwärtsstrom- oder Abwärtsstrom-System sein, bei dem ein festes Medium wie Fels dazu verwendet wird, die Bakterien innerhalb des Systems zu halten. Das System kann mit einer Verweilzeit von einem Tag oder weniger betrieben werden und ist sehr zuverlässig. Die Medien, die Felsen, beanspruchen jedoch viel Platz, was den Reaktor sehr groß macht. Es könnten andere Medien, wie Kunststoffe, verwendet werden um dieses Problem zu verringern. Sie sind jedoch im allgemeinen teuer. Der Reaktor kann schließlich auch zugesetzt werden, obwohl einige Lösungen für dieses Problem beansprucht wurden.
Ein anderes System ist der Wirbelbett-Reaktor, der in einem Artikel von Switzenbaum und Jewell "Anaerobic Attached-Film Expanded-Bed Reactor Treatment", Journal Water Pollution Control Federation, Vol. 52, Seiten 1953 bis 1965, Juli 1980, beschrieben ist. Dieser Reaktor ist ein Aufwärts-Strom-System, das feine Aluminiumoxid-Partikel oder andere Medien enthält, an denen die Mikroorganismen haften und wachsen können. Es wird ein Kreislauf angewendet, um eine ausreichende Strömung zur Fluidisierung oder Ausdehnung der Medien zu erreichen.
Bei diesem System ist der Kontakt zwischen dem Strom aus organischem Material und den Bakterien optimiert und die Verweilzeiten können bedeutend verringert werden. Dieses System ist jedoch besonders bei geringeren Abmessungen schwieriger zuverlässig zu betreiben als andere Systeme. Es gibt außerdem einige Fragen über den Energiebedarf, für die hohe Umwälzgeschwindigkeit, die für die Medienexpansion erforderlich ist.
Ein weiteres System ist der drehende biologische Kontaktor. Hier bewegt sich das organische Material oder der Abfall horizontal um eine Reihe von langsam drehenden Plastikscheiben. Die Mikroorganismen sind an den Oberflächen der Plastikscheiben befestigt. Dieses Systems hat ein freies Volumen von ungefähr 70%. Dieses System scheint ein guter Kompromiß zwischen dem Wirbelbett-Reaktor und dem Filtersystemen zu sein. Die Ausstattung ist jedoch teuer und wegen der drehenden Scheiben ziemlich kompliziert. Dieses System ist in einem Artikel von Tait and Friedman "Anaerobic Rotating Biological Contactor for Carbonaceous Waste Waters", Journal Water Pollution Control Federation, Vol. 52, Seiten 2257 bis 2269, 1980, beschrieben.
Die CH-A-253 466 zeigt ein Verfahren für die fortlaufende Kultivierung von Mikroorganismen, bei dem in einer Ausführungsform ein Fermentierungsbehälter verwendet wird, in dem senkrechte Teilwände angeordnet sind, die so angebracht sind, daß sie Aufwärtsström- und Abwärtsströmkammern bilden, in denen die Höhe der Flüssigkeit in Richtung der Auslaßleitung abnimmt.
Die EP-A-0 145 792 zeigt ein Verfahren für die anaerobe Zersetzung von organischem Abfall, der die Form einer Suspension hat. Bei dem Verfahren wird ein Reaktor verwendet, der in eine Reihe von Aufwärtsström- und Abwärtsströmkammern unterschiedlicher Größe aufgeteilt ist. Ein wesentliches Erfordernis des Reaktors ist es, daß die erste Kammer eine Abwärtsströmkammer, die wesentlich größer als die darauf folgende Aufwärtsströmkammer, ist.
Die EP-A-0 013 538 zeigt einen Reaktor, der für die Gewinnung von Methangas aus organischem Schlamm verwendet wird. Der Reaktor enthält Leitwände, um das Innere in eine Reihe von Aufwärtsström- und Abwärtsströmkammern zu teilen, und weist eine zylindrische Form auf.
Die Erfindung ist ein Durchlauf-Bioumwandlungsreaktor, der einige der Vorteile der vorgenannten Reaktoren aufweist, ohne daß er ihre Nachteile hat. Das System verwendet eine Reihe von Leitwänden, wobei der das organische Material enthaltende Flüssigkeitsstrom unter und über die Leitwände strömt, wenn er von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung des Reaktors fließt. Die Bakterien oder Mikroorganismen neigen dazu, innerhalb des Reaktors hochzusteigen und zu fallen, sie bewegen sich jedoch mit geringer Geschwindigkeit horizontal. Der Reaktor ist konstruktiv einfach, zuverlässig und dient dazu, die Mikroorganismen innerhalb des Reaktors zu halten, so daß Verweilzeiten für die Behandlung von einem Tag oder weniger möglich sind.
Es wird nun ein verbesserter Bioumwandlungsreaktor für die anaerobe Fermentierung von organischem Material geschaffen, der konstruktiv einfach und zuverlässig ist und der die Mikroorganismen innerhalb des Reaktors hält, so daß Verweilzeiten des organischen Materials für die Behandlung von einem Tag oder weniger möglich sind.
Die Erfindung schafft einen Bioumwandlungsreaktor für die anaerobe Fermentierung von in einem Flüssigkeitsstrom enthaltenem organischem Material mit einem Mantel, der obere, untere und Seitenwände aufweist, welche ein vorbestimmtes Volumen einschließen; mit einer Einlaßöffnung im Mantel, durch die der Flüssigkeitsstrom in den Mantel eintritt; mit einer Auslaßöffnung in dem Mantel, durch die der Flüssigkeitsstrom aus dem Mantel austritt; mit einer Vielzahl von Leitwänden, die sich innerhalb des Mantels befinden und im Abstand voneinander angeordnet und so positioniert sind, daß ihre Seiten mit den Seitenwänden des Mantels verbunden sind, wobei mindestens eine der Leitwände an ihrem unteren Rand so mit der unteren Wand des Mantels verbunden ist, daß sie sich von dieser im wesentlichen vertikal nach oben erstreckt, und der untere Rand der anderen Leitwände so im Abstand von der unteren Wand angeordnet ist, daß sie einen Strömungskanal für den Durchgang des Flüssigkeitsstroms durch ihn hindurch bildet, wobei die Leitwände den Mantel in Aufwärtsstrom- und Abwärtsstromkammern teilen; mit einer Aufwärtsstromkammer für den Durchgang des Flüssigkeitsstroms durch sie hindurch in Fluidverbindung mit einer Seite des Strömungskanals; mit einer Abwärtsströmkammer für den Durchgang des Flüssigkeitsstroms durch sie hindurch in Fluidverbindung mit der anderen Seite des Strömungskanals, der sich dadurch auszeichnet, daß das Volumen der Abwärtsstromkammer geringer ist als das der Aufwärtsstromkammer, wobei im Einsatz der Flüssigkeitsstrom nach unten durch die Abwärtsstromkammer und dann durch den Strömungskanal fließt, um durch die Aufwärtsstromkammer nach oben zu fließen, wobei die Leitwände den Fluß von Mikroorganismen durch den Mantel so unterbinden, daß die Mikroorganismen darin verbleiben, wenn der Flüssigkeitsstrom durch sie hindurchfließt.
Der erfindungsgemäße Bioumwandlungsreaktor wird nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert, in denen
Fig. 1 eine schematische Darstellung ist, die einen Bioumwandlungsreaktor zeigt, der der Erfindung entspricht, mit der Ausnahme, daß die Aufwärtsstromund Abwärtsstromkammern ungefähr gleiche Volumina haben;
Fig. 2 eine schematische Darstellung ist, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bioumwandlungsreaktors zeigt;
Fig. 3 eine schematische Darstellung ist, die einen Bioumwandlungsreaktor zeigt, der der Erfindung entspricht, mit der Ausnahme, daß die Aufwärtsstrom und Abwärtsstromkammern ungefähr gleiche Volumina haben;
Fig. 4 schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bioumwandlungsreaktors zeigt, wobei der Reaktor eine zylindrische Form hat. Die Fig. 4A und 4B entsprechen der Erfindung mit der Ausnahme, daß die Aufwärtsstrom- und Abwärtsstromkammern ungefähr gleiche Volumina haben.
Fig. 5 eine schematische Darstellung ist, die noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bioumwandlungsreaktors zeigt; und
Fig. 6 und 7 schematische Darstellungen sind, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigen.
Der erfindungsgemäße Bioumwandlungsreaktor wurde zur anaeroben Fermentierung organischen Materials entwickelt. Der Reaktor kann beispielsweise für die anaerobe Fermentierung organische Stoffe enthaltender Ströme aus der Verarbeitung von Landwirtschaftsrückständen, beispielsweise Maisstroh, Weizenstroh und Reisstroh, für die Erzeugung von Methangas eingesetzt werden. Der Reaktor kann außerdem bei der anaeroben Behandlung von Industrieabwässern verwendet werden. Bei einem typischen anaeroben Behandlungsverfahren kann das organische Material vor der anaeroben Fermentierung des sich ergebenden löslichen und aus Partikeln bestehenden Stoffes vorbehandelt werden oder nicht vorbehandelt werden. Für die Behandlung relativ verdünnter organischer Abwässer (weniger als 2% organisches Material) muß die Verweilzeit der Mikroorganismen im Reaktor viel größer sein als die des Flüssigkeitsstroms, in dem das organische Material enthalten ist. Der erfindungsgemäße Bioumwandlungsreaktor ist für die Verwendung bei der anaeroben Behandlung von sehr verdünnten bis zu organischen Strömen mittlerer Stärke geeignet.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bauteile in den verschiedenen Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, wird die Aufmerksamkeit zuerst auf Fig. 1 gerichtet.
Der Bioumwandlungsreaktor 10 (Fig. 1) weist einen rechteckigen Mantel 12 auf, der obere, untere und Seitenwände 14, 16, 18 bzw. 20 hat, die ein vorherbestimmtes Volumen 22 abgrenzen. Der Reaktor 10 hat eine Einlaßöffnung 24 und eine Auslaßöffnung 26. Der Flüssigkeitsstrom, in dem das organische Material enthalten ist, tritt durch die Einlaßöffnung 24 in das Innere des Mantels 12 oder des vorherbestimmten Volumens 22 ein. Der Abfluß tritt aus dem Reaktor durch die Auslaßöffnung 26 aus. Die Strömungsrichtung des Stroms durch den Reaktor ist durch die Pfeile "A" und "B" gezeigt. Eine Rückführung des Abflußstroms kann zum Mischen mit dem Zuflußstrom und zum Verdünnen des Zuflußstroms verwendet werden oder nicht. Eine Gasöffnung 28 in dem Mantel 12 kann außerdem vorgesehen sein. Methan oder andere durch die anaerobe Fermentierung des organischen Materials innerhalb des Mantels 12 erzeugte Gase können aus ihm durch die Gasöffnung 28 ausströmen.
Mehrere Leitwände 30 und 32 sind innerhalb des vorherbestimmten Volumens 22 über die Länge des Mantels 12 angeordnet. Die Leitwände 30 und 32 sind rechteckig und an jeder ihrer Seiten an den Seitenwänden 18 und 20 des Mantels 12 befestigt. Die Leitwände erstrecken sich deshalb quer über den Querschnitt des Mantels. Die Leitwände 32 sind an ihren unteren Rändern 32a an der unteren Wand 16 des Mantels im wesentlichen senkrecht zu dieser befestigt. Die unteren Ränder 30a der Leitwände 30 sind im Abstand zur unteren Wand 16 angeordnet, um dazwischen Strömungskanäle 34 zu bilden. Die Leitwände 30 und 32 sind im wesentlichen parallel zueinander. Falls der Mantel 12 eine andere als eine rechteckige Form hat, beispielsweise eine quadratische oder zylindrischeß sind die Leitwände 30 und 32 entsprechend ausgebildet.
Die Leitwände 30 und 32 teilen das Innere des Mantels 12 in mehrere Abwärtsstrom- und Aufwärtsstromkammern 36 bzw. 38 auf. Die Abwärtsstrom- und Aufwärtsstromkammern haben einen im wesentlichen gleichgroßen Querschnitt. Die Abwärtsstromkammern 36 stehen auf der der Einlaßöffnung 24 am nächsten gelegenen Seite der Kanäle mit den Strömungskanälen 34 in Fluidverbindung. Die Aufwärtsstromkammern 38 stehen mit der Seite der Strömungskanäle 34 in Verbindung, die der Auslaßöffnung 26 am nächsten ist. Der Pegel des Flüssigkeitsstroms innerhalb des Mantels 12 ist durch die Linie "C" gezeigt. Die oberen Ränder 30b der Leitwände 30 erstrecken sich über diesen Pegel. Der Aufbau des Bioumwandlungsreaktors 10 erlaubt ein großes Flüssigkeitsvolumen in den Kammern 36 und 38 relativ zu dem vorherbestimmten Volumen 22, wodurch eine wirksame Volumenausnutzung des Reaktors gegeben ist. Die großen offenen Räume, die die Kammern 36 und 38 haben, und die Fluidkanäle 34 zwischen den Kammern verhindern im wesentlichen ein Zersetzen des Reaktors durch Mitkoorganismen oder Biomasse.
Der Bioumwandlungsreaktor 10 kann außerdem mehrere Probenöffnungen 42 aufweisen, die im Abstand in Intervallen entlang der Länge des Reaktors angeordnet sind. Die Probenöffnungen erleichtern eine Entnahme von Proben des Flüssigkeitsstroms in dem Reaktor und ermöglichen ein Abtragen von Festkörpern, falls der Reaktor verstopft.
Der Reaktor 10 wird, wie es allgemein bekannt ist, mit Mikroorganismen geimpft, die mit dem organischen Material im Flüssigkeitsstrom reagieren, der durch den Reaktor strömt, um dieses Material anaerob zu fermentieren. Die Strömung durch den Reaktor findet entlang des Strömungsweges statt, der durch die vertikalen Leitwände 30 und 32 geschaffen wird. Die Leitwände zwingen den Flüssigkeitsstrom dazu, unter und über sie zu strömen, wenn er von der Einlaß- zu der Auslaßöffnung läuft. Der in den Reaktor 10 eintretende Flüssigkeitsstrom strömt insbesondere nach unten durch die Abwärtsstromkammer 36, um den unteren Rand 30a der Leitwand 30, d. h. durch den Strömungskanal 34, und dann nach oben durch die Aufwärtsstromkammer 38. Aus der Aufwärtsstromkammer 38 strömt der Flüssigkeitsstrom um den oberen Rand 32b der Leitwand 32, um wieder nach unten durch die nächste jeweilige Abwärtsstromkammer 36 zu strömen. Das Strömungsmuster wird wiederholt, wenn der Flüssigkeitsstrom von der Einlaßöffnung 24 zur Auslaßöffnung 26 fließt (siehe die unbezeichneten, U-förmigen Pfeile). Die Leitwände stellen ein Hindernis für die Mikroorganismen oder Bakterien in dem Reaktor dar, das ihre Strömung durch den Reaktor verhindert. Die Mikroorganismen neigen daher dazu, innerhalb des Reaktors hochzusteigen und zu fallen, sich jedoch nur mit sehr geringer Geschwindigkeit horizontal zu bewegen. Hierdurch werden die Mikroorganismen innerhalb des Reaktors gehalten, wenn der Flüssigkeitsstrom hindurchfließt, so daß Verweilzeiten für die Behandlung von einigen Tagen oder weniger möglich sind.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bioumwandlungsreaktors 10' ist in Fig. 2 gezeigt. Der Bioumwandlungsreaktor 10' ist dem Reaktor 10 ähnlich. Er unterscheidet sich in der Ausbildung der Leitwände 30 und der relativen Größe der Aufwärtsstrom- und Abwärtsstromkammern. In dem Reaktor 10' haben die Abwärtsstromkammern 36' einen geringeren Querschnitt und daher ein geringeres Volumen als die Aufwärtsstromkammern 381. Es wurde herausgefunden, daß sich die meisten Mikroorganismen in dem Reaktor in den Aufwärtsstromkammern sammeln. Deshalb wurden die Abwärtsstromkammern verengt und die Aufwärtsstromkammern erweitert, um eine Vermischung des organischen Materials und der Mikroorganismen zu fördern und dadurch den Wirkungsgrad des Reaktors zu steigern. Zusätzlich wurden die unteren Ränder 30a der Leitwände 30 in Richtung der Aufwärtsstromkammern 38' und dadurch von der Strömungsrichtung durch den Reaktor weg geneigt. Dies wurde getan, um ein größeres Strömungsvolumen zur Mitte einer Aufwärtsstromkammer 36 zu leiten, damit die Vermischung der Mikroorganismen und des organischen Materials weiter verbessert wird. Die Anzahl der Probenöffnungen in dem Reaktor 10' wurde außerdem erhöht, indem eine zweite Reihe von Öffnungen 44 hinzugefügt wurde, um eine Probenentnahme zu erleichtern und um Feststoffe abzutragen, falls ein Zusetzen auftritt.
Fig. 3 zeigt einen Bioumwandlungsreaktor 10'', der den Reaktoren 10 und 10' ähnlich ist. Die relativen Lagen der Aufwärtsstrom- und Abwärtsstromkammern und der Einlaß- und Auslaßöffnungen sind jedoch verändert. Insbesondere sind die Leitwände 30'' und 32'' innerhalb des Reaktors neu positioniert, daß sich eine Aufwärtsstromkammer 36'' angrenzend an die Einlaßöffnung 24' befindet, die an eine Stelle in der Nähe der unteren Wand des Reaktors verlegt ist. Die Auslaßöffnung 26' wurde auf ähnliche Weise abgesenkt, und eine Abwärtsstromkammer 38'' angrenzend an die Auslaßöffnung 26' angeordnet. Eine andere Ausführungsform könnte eine Abwärtsstromkammer aufweisen, die sowohl an die Einlaßöffnung (siehe Fig. 1) als auch an die Auslaßöffnung (siehe Fig. 3) angrenzt. Die Leitwände könnten außerdem so angeordnet werden, daß die Aufwärtsstromkammern angrenzend an die Einlaß- und Auslaßöffnung angeordnet sind. Die Ausführungsform von Fig. 2 kann auf gleiche Weise modifiziert werden.
Der in Fig. 4 gezeigte Bioumwandlungsreaktor 100 ist eine weitere Ausführungsform. Die Fig. 4a und 4b entsprechen der Erfindung mit der Ausnahme, daß die Aufwärtsstrom- und Abwärtsstromkammern annähernd das gleiche Volumen haben. Der Reaktor 100 ist zylindrisch, wobei die untere Wand 160 seines Mantels 120 die Basis des Reaktors bildet. Der Reaktor hat eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung 240 bzw. 260. Die Strömungsrichtung ist durch die Pfeile "AA", "BB" und die nicht bezeichneten Pfeile innerhalb des vorher bestimmten Volumens 220 gezeigt, das durch die obere, untere und die Umgebungswand 140, 160 bzw. 180 des Mantels 120 abgegrenzt wird. Eine Gasöffnung 280 und Probenöffnungen 420 sind außerdem vorgesehen.
Mehrere vertikale Leitwände 300 und 320 sind innerhalb des vorherbestimmten Volumens 220 des zylindrischen Mantels 100 so angeordnet, daß sie sich radial von dessen Mittelachse aus erstrecken. Die Leitwände sind rechteckig und mit einer ihrer Seiten mit dem Inneren der Umfangswand 180 verbunden. Die Leitwände sind vertikal und somit parallel zur Mittelachse des Mantels. Die Leitwände 320 sind mit ihren unteren Rändern 320a mit der unteren Wand 160 des Mantels verbunden. Die unteren Ränder 300a der Leitwände 300 sind im Abstand zur unteren Wand 160 angeordnet, um dazwischen einen Strömungskanäle 340 zu bilden.
Die Leitwände 300 und 320 teilen den Innenraum des Mantels 120 in mehrere Abwärtsstrom- und Aufwärtsstromkammern 360 bzw. 380, die wie Tortenstücke geformt sind (siehe Fig. 4a und 4b). Die Erfindung bestimmt, daß das Volumen der Abwärtsstromkammer geringer ist als das der Aufwärtsstromkammer. Die unteren Ränder 300a können, wie in Fig. 4 gezeigt, gerade oder, wie in Fig. 2 in Richtung der Aufwärtsstromkammer, geneigt sein.
Der Pegel des Stroms in dem Reaktor ist durch die Linie "CC" dargestellt. Die oberen Ränder 300b der Leitwände 300 können sich, wie gezeigt, über diesen Pegel hinaus erstrecken. Der Strom durch den Reaktor erfolgt entlang des Strömungsweges, der durch die Leitwände 300 und 320 geschaffen wird. Die Leitwände zwingen die Flüssigkeit dazu, unter und über sie zu strömen, wenn sie von der Einlaß- zur Auslaßöffnung fließt. Der durch die Einlaßöffnung 240 in den Reaktor 100 eintretende Flüssigkeitsstrom strömt nach unten durch die Abwärtsstromkammer 360, um den unteren Rand 300a der Leitwand 300, d. h., durch den Strömungskanal 340, und dann nach oben durch die Aufwärtsstromkammer 380. Von der Aufwärtsstromkammer 380 strömt der Flüssigkeitsstrom um den oberen Rand 320b der Leitwand 320, um dann wieder nach unten durch die nächste Abwärtsstromkammer zu strömen. Das Strömungsmuster wird wiederholt, wenn der Flüssigkeitsstrom um den zylindrischen Mantel aus der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung strömt. Eine Wand 390 blockiert die Fluidverbindung zwischen den Kammern, die an die Einlaß- und Auslaßöffnung angrenzen, so daß der Strom aus der Auslaßöffnung austritt. Die Leitwände stellen ein Hindernis für die Mikroorganismen dar, die ihre Strömung durch den Reaktor verhindern. Die Anordnung der Leitwände und der Einlaß- und Auslaßöffnung kann außerdem, wie in Verbindung mit dem Bioumwandlungsreaktor von Fig. 3 erörtert, modifiziert werden.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Diese Ausführungsform ist dem in Fig. 2 gezeigten Reaktor ähnlich. Der Reaktor 10''' enthält Medien 400, beispielsweise Steine oder Plastikformkörper, wie Kugeln oder Sattelkörper, oder es sind andere offene poröse Formen in den unteren Abschnitten der Kammer angeordnet, die eine größere Dichte als Wasser haben. Diese Medien haben im Durchschnitt ein Außenmaß von 2,5 bis 10 cm (1 bis 4 inches). Der Zweck liegt teilweise darin, eine bessere Verteilung der Flüssigkeit zu erreichen, so daß sie gleichmäßiger nach oben durch die Aufwärtsstromkammern 38''' strömt. Dadurch wird eine bessere Behandlung und weniger Kurzschließen erreicht. Zusätzlich ist" es weniger wahrscheinlich, daß die Bakterien innerhalb der Kammer aus dem System ausströmen können, besonders wenn verdünnte lösliche Abwässer mit organischem Inhalt behandelt werden, die mit einem chemischen Sauerstoffbedarf von 200 bis 4.000 mg/l gemessen werden. Bei Abwasser dieser Verdünnung neigen die Strömungsgeschwindigkeiten dazu, relativ schnell zu sein, so daß die Bakterien eine größere Tendenz haben, aus dem System befördert zu werden. Die Medien verhindern, daß dies eintritt. Diese Modifizierung vereint einige der Vorteile eines anaeroben Filtersystems, ohne daß der Nachteil hoher Kosten und einer größeren Zusetzungsmöglichkeit besteht, der sich dann ergibt, wenn der ganze Reaktor solche Medien enthält.
Eine weitere Ausführungsform ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Der Reaktor 420 dieser Ausführungsform enthält Einrichtungen für eine Wiedereinführung des Abflusses zur Mischung mit dem Zufluß. Dies ist wünschenswert, um die Möglichkeit von Zuständen mit geringem pH-Wert in den ersten Kammern zu verringern und um eine bessere Verteilung der Bakterienarten in dem Reaktor zu bewirken, insbesondere bei stärker konzentrierten Abwässern.
Das Wiedereinführungssystem kann eine geeignete Leitung 422 für eine Wiedereinführung des Abflusses aus der Auslaßöffnung 426 in die Einlaßöffnung 424 aufweisen, wo er an der ersten Abwärtsstromkammer 436 in den Reaktor eintritt. Es sind Pumpen 423 und 425 vorgesehen, um die Umwälzung und die Einführung des Abflusses zu steuern.
Die letzte Aufwärtsstromkammer 438 des Reaktors 420 enthält geeignete Medien 427, wie ein Filmmaterial aus Kunststoff, so daß diese Kammer als Klärkammer wirkt, um die Bakterien innerhalb des Systems zu halten. Der Abfluß des Reaktors wird aus der Mitte der letzten Kammer mittels der erläuterten Rohrleitung genommen.
Es ist außerdem eine Gasrückführungsleitung 440 enthalten. Die Gasrückführung ermöglicht es, suspendierte Feststoffe zu lösen, um ein Zusetzen des Füllmaterials zu verhindern.
Jede Kammer weist ein System auf, das eine Festkörpersammlung und -abführung ermöglicht. Eine Rohrleitung 470 auf dem Boden jeder Kammer stellt ein solches System dar. Die zugeordneten Ventileinheiten und Pumpen für dieses System sind nicht gezeigt.
Jede Aufwärtsstromkammer 438 weist außerdem einen falschen Boden 450 (siehe Fig. 7) auf, der eine Reihe von Öffnungen 452 aufweist, durch den das Fluid aus der Abwärtsstromkammer in die Aufwärtsstromkammer eintritt. Der falsche Boden schafft eine verbesserte Verteilung der Flüssigkeit, wenn sie in die Aufwärtsstromkammer eintritt, wodurch ein gleichmäßigerer Aufwärtsstrom der Flüssigkeit geschaffen wird. Wie gezeigt, sind die unteren Ränder 430a der Leitwände 430 in Richtung der Aufwärtsstromkammern geneigt.
Überströmkanten 454 können auch in den Aufwärtsstromkammern enthalten sein. Solche Kanten helfen dabei, die Biomasse innerhalb der Aufwärtsstromkammern zu halten, indem sie eine gleichmäßigere Flüssigkeitsströmung unterstützen.
Wie es am besten in Fig. 6 gezeigt ist, können die Kammern des Reaktors 420 weiterhin eine nach unten abgestufte Ausbildung haben, bei der der Überstrompegel 456 in der ersten Aufwärtsstromkammer der höchste ist und der Überströmpegel 458 in der letzten Kammer der tiefste ist. Die Überströmpegel zwischen angrenzenden Aufwärtsstromkammern können sich in der Höhe um ungefähr 3 bis 5 cm unterscheiden. So kann der Überstrompegel 456 ungefähr 3 bis 5 cm höher sein als der Überstrompegel 457.
Obwohl gewisse spezielle Ausführungsformen der Erfindung hier näher beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht nur auf solche Ausführungsformen, sondern nur durch die beigefügten Ansprüche zu beschränken.

Claims

1. Bioumwandlungsreaktor für die anaerobe Fermentierung von in einem Flüssigkeitsstrom enthaltenem organischen Material

- mit einem Mantel, der obere, untere und Seitenwände aufweist, welche ein vorbestimmtes Volumen einschließen;

- mit einer Einlaßöffnung in dem Mantel, durch die der Flüssigkeitsstrom in den Mantel eintritt;

- mit einer Auslaßöffnung in dem Mantel, durch die der Flüssigkeitsstrom aus dem Mantel austritt;

- mit einer Vielzahl von Leitwänden, die sich innerhalb des Mantels befinden und im Abstand voneinander angeordnet und so positioniert sind, daß ihre Seiten mit den Seitenwänden des Mantels verbunden sind, wobei mindestens eine der Leitwände an ihrem unteren Rand so mit der unteren Wand des Mantels verbunden ist, daß sie sich von dieser im wesentlichen vertikal nach oben erstreckt, und der untere Rand der anderen der Leitwände so im Abstand von der unteren Wand angeordnet ist, daß sie einen Strömungskanal für den Durchgang des Flüssigkeitsstroms durch ihn hindurch begrenzt, wobei die Leitwände den Mantel in Aufwärtsstrom- und Abwärtsstromkammern teilen;

- mit einer Aufwärtsstromkammer für den Durchgang des Flüssigkeitsstroms durch sie hindurch in Fluidverbindung mit einer Seite des Strömungskanals;

- mit einer Abwärtsstromkammer für den Durchgang des Flüssigkeitsstroms durch sie hindurch in Fluidverbindung mit der anderen Seite des Strömungskanals, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Abwärtsstromkammer kleiner als das der Aufwärtsstromkammer ist, wobei im Einsatz der Flüssigkeitsstrom nach unten durch die Abwärtsstromkammer und dann durch den Strömungskanal fließt, um durch die Aufwärtsstromkammer nach oben zu fließen, wobei die Leitwände den Fluß von Mikroorganismen durch den Mantel so unterbinden, daß die Mikroorganismen in ihr zurückbleiben, wenn der Flüssigkeitsstrom durch sie hindurch fließt.

2. Bioumwandlungsreaktor nach Anspruch 1, bei welchem die Leitwände entlang der Länge des Mantels im wesentlichen parallel angeordnet sind.

3. Bioumwandlungsreaktor nach Anspruch 1, bei welchem der Mantel zylindrisch ist und die Leitwände so angeordnet sind, daß sie sich von der Mittelachse des Mantels radial ausbreiten und jede äußere Seite von ihnen mit der Umfangswand des Mantels verbunden ist

4. Bioumwandlungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der untere Rand der anderen der Leitwände von der Abwärtsstromkammer weg geneigt ist.

5. Bioumwandlungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der untere Rand der der Einlaßöffnung am nächsten gelegenen Leitwand mit der unteren Wand des Mantels verbunden ist.

6. Bioumwandlungsreaktor nach Anspruch 5, bei welchem der unter Rand der der Auslaßöffnung am nächsten gelegenen Leitwand mit der unteren Wand des Mantels verbunden ist.

7. Bioumwandlungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die der Auslaßöffnung am nächsten gelegene Aufwärtsstromkammer Medien enthält, so daß die Abwärtsstromkammer als Klärkammer wirkt.

8. Bioumwandlungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ferner zur Erzielung eines gleichförmigeren Durchgangs des Flüssigkeitsstroms durch das vorherbestimmte Volumen Medien aufweist, die sich auf dem Boden des Mantels zwischen den Leitwänden befinden.

9. Bioumwandlungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ferner eine Einrichtung zum Rückführen des den Mantel verlassenden Flüssigkeitsstroms aufweist, so daß er mit dem in den Mantel eintretenden Flüssigkeitsstrom vermischt werden kann.

10. Bioumwandlungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ferner eine Gasrückführleitung zum Rückführen von Gas von der Auslaßöffnung zurück in den Mantel aufweist.

11. Bioumwandlungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ferner eine Einrichtung zum Sammeln und Ausscheiden von Feststoffen in dem Mantel aufweist.

12. Bioumwandlungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Aufwärtsstromkammer eine Einrichtung zur Bereitstellung einer erhöhten Durchgangsverteilung des in sie eintretenden Flüssigkeitsstroms hat.

13. Bioumwandlungsreaktor nach Anspruch 12, bei welchem die Einrichtung zur erhöhten Verteilung am Boden der Aufwärtsstromkammer einen Doppelboden aufweist, wobei der Doppelboden eine Reihe von in ihm ausgebildeten Öffnungen aufweist.

14. Bioumwandlungsreaktor nach Anspruch 12, bei welchem die Einrichtung zur erhöhten Verteilung eine sich an dem Boden der Aufwärtsstromkammer befindende Trennwand aufweist, wobei die Trennwand mit einer Anzahl von Fluidkanälen versehen ist.

15. Bioumwandlungsreaktor nach Anspruch 14, bei welchem sich auf der Oberseite der Aufwärtsstromkammer ein Überlaufrand befindet.

16. Bioumwandlungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Überlaufniveaus in aufeinanderfolgenden Aufwärtsstromkammern sich in der Höhe unterscheiden.

17. Bioumwandlungsreaktor nach Anspruch 16, bei welchem das Überlaufniveau der Aufwärtsstromkammern von der Einlaßöffnung weg an Höhe abnimmt.

18. Bioumwandlungsreaktor nach Anspruch 17, bei welchem die Überlaufniveaus der Aufwärtsstromkammern eine abwärts gestufe Anordnung haben.

19. Bioumwandlungsreaktor nach Anspruch 18, bei welchem die jeweiligen Überlaufniveaus von angrenzenden Aufwärtsstromkammern an Höhe abnehmen, wobei das höchste Überlaufniveau der Einlaßöffnung am nächsten liegt.

20. Bioumwandlungsreaktor nach Anspruch 19, bei welchem die Abnahme an Höhe zwischen benachbarten Aufwärtsstromkammern zwischen etwa 2 und 5 Zentimetern liegt.

21. Bioumwandlungsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Gasöffnung aufweist, durch die durch die anaerobe Fermentierung von organischem Material in dem Mantel erzeugte Gase hindurchgehen können.