DE3703560A1 - Verfahren und einrichtung zum begasen und flotieren von fliessfaehigen biomassesuspensionen - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Begasung und Flotation von Flüssigkeiten in einem turm- oder schachtartigen Vertikalreaktor.

Sie ist insbesondere geeignet zur Behandlung von Abwasser nach dem Belebtschlammprinzip, wobei eine hohe Sauerstoffausnutzung erreicht werden soll und für die Kläranlage nur wenig Fläche zur Verfügung steht.

Die Erfindung ist auch für andere physikalische, chemische und biologische Umsetzungsprozesse geeignet, bei denen Gase zugeführt werden müssen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung

Zur Begasung von Flüssigkeiten sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt.

Bei der Druckbegasung wird das Gas in einer bestimmten Tiefe in die Flüssigkeit eingedrückt und steigt in der Regel mit der Zirkulationsströmung der Flüssigkeit zur Oberfläche. Bei der Oberflächenbegasung kommen zum Beispiel Belüftungskreisel zum Einsatz. Beiden Begasungsverfahren ist als Nachteil gemeinsam:

• - Kurze Aufenthaltszeit der Gasbläschen in der Flüssigkeit, dadurch Lösung und damit auch Ausnutzbarkeit nur eines geringen Teiles des Gases (z. B. beim o. g. Belebtschlammprinzip ca. 5 bis 10% des eingetragenen Sauerstoffes).
• - Hoher Energieeinsatz (z. B. beim o. g. Belebtschlammprinzip für 1 kg eingetragenen Sauerstoff 0,4 bis 2 kW h).
• - Großer Flächenbedarf für den nur wenige Meter tiefen Reaktor.
• - Aufgrund der geringen Tiefe der Becken gelangt das Gas nur durch Diffusion in die Flocke.

Bekanntlich ist weiterhin ein Tauchstrahlbelüftungsverfahren (z. B. nach DD-PS 56 763), bei dem eine in einem Behälter befindliche Flüssigkeit durch einen oder mehrere Strahlbelüfter, z. B. Schachtüberfälle oder Druckstrahler, von oben begast wird. Dabei fördert eine Umwälzpumpe Flüssigkeit aus dem unteren Teil des Behälters in die über dem Behälter angeordneten Strahlbelüfter. Der sich nach unten verjüngende Kopf des Strahlbelüfters bildet an seinem Ende eine Ringdüse, durch die Umwälzflüssigkeit strömt und dabei über eine in der Düsenebene befindliche zentrale Lufteintrittsöffnung Umgebungsluft einsaugt und mitreißt. Nach Durchströmen eines Freifall-Mischrohrs tritt das Flüssigkeit- Gas-Gemisch als stark turbulenter Freistrahl, in dem die Luft fein dispergiert vorliegt, in die Behälterflüssigkeit ein, in der sich ein Teil der Luft löst. Der nicht gelöste Luftanteil gelangt im Aufstrom an die Behälteroberfläche zurück und wird dort abgeleitet. Auch mit diesem Verfahren wird nur ein Sauerstoffausnutzungsgrad der Luft bis etwa 20% erreicht.

Bekannt ist ferner ein Tiefschachtbelüftungsverfahren (z. B. nach DD-PS 1 13 208), bei dem im oberen Teil eines tief in die Erde ragenden Schachtes eine zu begasende Flüssigkeit zugeführt und in die Flüssigkeit unterhalb einer bestimmten Wassersäule Luft eingetragen wird. Die lufthaltige Flüsigkeit strömt in einem senkrechten Kanal abwärts und wird an der Schachtsohle umgelenkt in einen zweiten senkrechten Kanal zu einer oben liegenden Austrittsstelle.

Der Lufteintrag erfolgt mittels Verdichter oder Gebläse. Dabei ist nachteilig, daß zur Gewährleistung der Zirkulation bestimmte Werte hinsichtlich des Volumenstromes und des Gaseintrages nicht unterschritten werden dürfen, und somit die Variabilität dieses Begasungsverfahrens in bestimmte Grenzen eingeengt ist. Es kann der Fall eintreten, daß für die Aufrechterhaltung der Zirkulation, wie bei den o. g. anderen Begasungsverfahren, eine bedeutend größere Menge Gas eingetragen wird, als von der Flüssigkeit und/oder ihren Inhaltsstoffen für die geforderten Umsetzungsprozesse benötigt wird. Weiterhin bewirkt mangelnde Turbulenz am Gaseintritt eine verzögerte Gasverteilung.

Beim Tiefschachtreaktor mit gesonderter Umwälzeinrichtung ist nachteilig, daß mehrere Maschinenaggregate benötigt werden, die den Wartungs- und Instandhaltungsaufwand und die Kompliziertheit der Anlage erhöhen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, gegenüber den bekannten Lösungen eine wesentliche Energie- und Materialeinsparung bei minimaler Flächenbeanspruchung zu erreichen. Die Umweltbelastung bei der Verfahrensführung, insbesondere im Hinblick auf Lärmbelästigung, soll möglichst gering gehalten werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei der Tiefschachtbelüftung durch sofortige Gasverteilung hohe Gaseintragswerte mit geringem Energieaufwand und im Reaktor hohe Biomassekonzentrationen mit gesteigerter spezifischer Stoffwechselaktivität zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die fließfähige Biomassesuspension in einem schachtartigen Vertikalreaktor behandelt wird. Dabei wird die benötigte Luft durch eine Ringspaltbegasungsvorrichtung in den Sinkvolumenstrom des Fallschenkels eingetragen und es werden Scherkräfte erzwungen, die eine Dispersion der Luft bewirken. Anschließend erfolgt eine Beruhigung. Die Luftblasen werden so zerkleinert, daß in Kombination mit dem ansteigenden Druck die Luftblasen in das Wasser eingepreßt und damit beschleunigt in Lösung gebracht werden. Zur Aufkonzentrierung der Biomasse wird ein mittels Flotation angereicherter Teilstrom des Belebtschlammgemisches einer Umwälzpumpe zugeführt und mit Hilfe dieser wird die Flüssigkeit nach erneuter Begasung wieder in den Fallschenkel eingeleitet. Mit Hilfe einer besonderen Konstruktion, einen sogenannten Schwanenhals, wird nach Austritt aus dem Steigschenkel ein Teilstrom mit verminderter Biomassekonzentration nachfolgenden Prozeßstufen zugeleitet.

Ein Teil der zerkleinerten Luftblasen wird bei den erhöhten Druckbedingungen im Reaktor in die Belebtschlammflocke hineingepreßt, so daß der mit Sauerstoff versorgte Anteil der Organismen der Belebtschlammflocke erhöht wird.

Durch den Wechsel des Umgebungsdruckes werden die Organismen einem stoffwechselsteigernden Streßzustand ausgesetzt. Mittels einer Schachtkopfaufweitung am oberen Ende des Tiefschachtes wird der Sauerstoffgehalt aus dem sauerstoffübersättigten Tiefenwasser maximal für die Stoffwechselprozesse der im Schachtkopf befindlichen Biomasse genutzt. Zur Durchführung des Verfahrens wurde eine erfindungsgemäße Einrichtung entwickelt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus einem turm- oder schachtartigen Vertikalreaktor bekannter Art, einem sogenannten Tiefschacht, der in Fall- und Steigschenkel untergliedert ist, einer Begasungsvorrichtung sowie einem Entgasungsbehälter und einer Umwälzpumpe.

Die Begasungsvorrichtung besteht aus einer Ringspaltdüse und einem Gaszuführungsrohr, welches vertikal verschiebbar in die Ringspaltdüse einmündet. Unter dem Ringspalt befindet sich ein zylindrischer Turbulenz- und Dispergierraum, an den sich ein als Diffusor ausgebildeter Beruhigungs- und Homogenisierungsraum anschließt. Der Fallschenkel des Tiefschachtes ist direkt mit dem Diffusor der Begasungsvorrichtung verbunden. Am oberen Ende des Tiefschachtes führt vom Steigschenkel eine Verbindungsleitung zu Nachfolgeeinrichtungen und/oder einen an sich bekannten Entgasungsbehälter, dem eine Umwälzpumpe nachgeschaltet ist, deren Druckseite mit der Ringspaltdüse verbunden ist. Es wird also der Ringspalt mit der zu begasenden Flüssigkeit über die Druckleitung der Umwälzpumpe beaufschlagt. Dabei wird Gas durch die Gaszuführungsleitung angesaugt und das Gas-Flüssigkeitsgemisch dispers in die Zone des geringsten Druckes initiert. Der Turbulenz- und Dispergierraum ist in seiner Länge so bemessen, daß die Gasaufnahme und -dispergierung bei Eintritt in den Fallschenkel abgeschlossen ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert werden:

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch die Begasungsvorrichtung

Fig. 2 zeigt schematisch das Umlaufsystem.

Die Belüftung der Biomassesuspension erfolgt in der Weise, daß mittels der Umwälzpumpe 8 kontinuierlich Flüssigkeit umgewälzt wird, die als Treibmittel für die Luftmitnahme durch die Begasungsvorrichtung dient. Die Biomassesuspension tritt über die Druckleitung 9 in die kegelige Ringspaltdüse 1 ein. Über ein Gaszuführungsrohr 10 wird Umgebungsluft eingesaugt. In der Ringspaltdüse 1 sind mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Strahlaufreißer angebracht. Der in der Begasungsvorrichtung zunächst vorhandene Vordruck wird in der Ringdüsenebene in Strömungsenergie umgewandelt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit durch die freie Ringdüsenfläche und den Flüssigkeitsdurchsatz bestimmt wird. Die in der Düse 1 erzielte Strömungsgeschwindigkeit ist für die Luftmitnahmeleistung der Begasungseinrichtung maßgeblich. Die vorhandene Strömungsenergie der Flüssigkeit dient zur Deckung des Gesamtenergiebedarfs auf dem weiteren Strömungsweg hinter der Ringspaltdüse 1. Dieser Energiebedarf setzt sich aus der notwendigen Druckenergie für die Überwindung des Tiefschacht-Druckverlustes sowie der aufzubringenden Verdichtungs-, Misch- und Dispergierarbeit zusammen.

In der Ringdüsenebene erfolgt das Mitreißen der über das Gaszuführungsrohr 10 zugeführten Umgebungsluft. An die Ringdüsenebene schließt sich das Dispergierrohr 2 an, in dem die Dispergierung der Luft in der Flüssigkeit einsetzt. Das Dispergierrohr 2 ist über einen Diffusor 3 mit dem Fallschenkel 4 verbunden. Nach Umlenkung an der Schachtsohle strömt die lufthaltige Flüssigkeit im Steigschenkel 5 an die Oberfläche zurück.

Auf dem Strömungsweg durch den Tiefschacht löst sich ein Teil der dispergiert vorliegenden Luft in der Flüssigkeit, wobei der gelöste Sauerstoffanteil von den in der Flüssigkeit vorhandenen Mikroorganismen verwertet wird.

Die aus dem Steigschenkel 5 austretende Biomassesuspension fließt durch die Leitung 11 in den Entgasungsbehälter 7 und wird von dort mittels Umwälzpumpe 8 wieder dem Kreislauf zugeführt.

Der Abstand a zwischen der Ringdüsenebene und dem Austrittsspiegel des Tiefschachts ist ein Maß für den unmittelbar hinter der Ringdüse 1 herrschenden Gegendruck. Dieser Abstand ist so gewählt, daß er der geforderten Luftmitnahmeleistung in Verbindung mit der gegebenen Pumpenförderleistung gerecht wird.

Der untere Teil des Gaszuführungsrohres 10 kann durch bekannte mechanische Mittel, z. B. eine Schraubenspindel, vertikal verschiebbar gestaltet werden.

Durch diese Verschiebung wird eine Veränderung des von der Flüssigkeit eingenommenen Strömungsquerschnittes in der Ringdüsenebene erreicht. Damit ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit an dieser Stelle und die von ihr abhängige Luftmitnahmeleistung. Diese Regulierbarkeit ermöglicht eine Anpassung an die jeweiligen Betriebsbedingungen während des Betreibens der Einrichtung.

• Aufstellung der Bezugszeichne  I Dispergierraum
  II Homogenisierungsraum
   1 Ringspaltdüse
   2 Dispergierrohr
   3 Diffusor
   4 Fallschenkel
   5 Steigschenkel
   6 Kopf des Tiefschachtes
   7 Entgasungsbehälter
   8 Umwälzpumpe
   9 Druckleitung
  10 Gaszuführungsrohr
  11 Leitung zum Entgasungsbehälter

Claims (5)

1. Verfahren zum Begasen und Flotieren von fließfähigen Biomassesuspensionen, bei der die flüssige Phase in einem schachtartigen Vertikalreaktor behandelt wird, wobei sie in einem Fallschenkel nach unten und in einem Steigschenkel nach oben geführt werden, gekennzeichnet dadurch, daß die benötigte Luft durch eine selbstansaugende Belüftungsvorrichtung, radial in den Sinkvolumenstrom des Fallschenkels eingetragen wird, Scherkräfte erzwungen, die Luftblasen in das Wasser eingepreßt und beschleunigt in Lösung gebracht werden, ein Teil der zerkleinerten Luftblasen bei den erhöhten Druckbedingungen im Reaktor in die Belebtschlammflocke hineingepreßt und mittels einer Schachtkopfaufweitung der Sauerstoffgehalt aus dem sauerstoffübersättigten Tiefenwasser maximal für die Stoffwechselprozesse der im Schachtkopf befindlichen Biomasse genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß zur Aufkonzentierung der Biomasse ein mittels Flotation angereicherter Teilstrom des Belebtschlammgemisches einer Umwälzpumpe zugeführt wird und mit Hilfe dieser die Flüssigkeit nach erneuter Begasung wieder in den Fallschenkel eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß mittels einer Schwanenhalskonstruktion ein Teilstrom mit verminderter Biomassekonzentration nach Austritt aus dem Steigschenkel nachfolgenden Prozeßstufen zugeleitet wird.

4. Einrichtung zum Begasen und Flotieren von fließfähigen Biomassesuspensionen bestehend aus einem turm- oder schachtartigen Vertikalreaktor, einer Begasungsvorrichtung, einem Entgasungsbehälter und einer Umwälzpumpe, gekennzeichnet dadurch, daß die Begasungsvorrichtung aus einer Ringspaltdüse (1) besteht, in die ein Gaszuführungsrohr (10) mündet, unter der Ringspaltdüse (1) ein zylindrisches Rohr (2) angeordnet ist, welches einen Turbulenz- und Dispergierraum (I) darstellt, an dem sich ein Diffusor (3) anschließt, der einen Homogenisierungsraum (II) darstellt und vom Kopf (6) des Tiefschachtes, vom Steigschenkel (5), eine Leitung (11) zu einem an sich bekannten Begasungsbehälter (7) führt, dem eine Umwälzpumpe (8) nachgeschaltet ist, deren Druckleitung (9) mit der Ringspaltdüse (1) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 gekennzeichnet dadurch, daß das Gaszuführungsrohr (10) höhenverstellbar ist.