DE3837785A1 - Verfahren zur selbsttaetigen reaktorumwaelzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit welchem vorzugswei­ se feststoffarme Substrate z. B. gelöste Substanzen, Fugate von Abwässern, Abwässer aus der Zuckerindustrie anaerob in Bioreaktoren mit Füllkörperschüttungen aufgearbeitet werden können.

Beim biologischen Abbau organischer Inhaltsstoffe in Abwäs­ sern bedient man sich in letzter Zeit verstärkt sogenannter Bioreaktoren mit Biomasseimmobilisierung. Die Immobilisierung erfolgt mit Hilfe von Füllkörperschüttungen, die der Ansiede­ lung von Mikroorganismen dienen, welche die vorhandenen orga­ nischen Inhaltsstoffe abbauen. Zum Einsatz gelangen dabei so­ wohl feste Füllkörperschüttungen als auch schwimmende Füll­ körper. Zur Verbesserung des Abbauvorganges, durch Vermeidung von Temperaturdifferenzen, gleichmäßige Verteilung der Mikro­ organismen usw. wird der Inhalt der Bioreaktoren umgewälzt. Dazu sind bereits zahlreiche Lösungen bekannt.

Zur Reaktorumwälzung werden bekannte Techniken, wie das Rüh­ ren, hydraulisches Umwälzen durch diverse Pumpen, Gaseinbla­ sung zur Verwirklichung des bekannten Mammutpumpenprinzips oder auch ein natürlicher Flüssigkeitsumlauf durch Wärme­ energiezufuhr angewendet.

Bei all den aufgeführten Möglichkeiten ist ein erheblicher apparativer und energetischer Aufwand für Pumpen und Verdich­ ter zur Durchführung der Umwälzprozesse notwendig. Auch beim DD-WP 2 26 550 ist eine unter Druck stehende Flüssigkeitsum­ wälzung mit entstehendem, verdichtetem Biogas offenbart. Im Reaktor ist eine 60-95% des Volumens einnehmende Füllkör­ perfestbettschüttung vorgesehen. Umwälzungen ohne Fremdener­ giezufuhr sind nicht bekannt.

Ziel der Erfindung ist die mikroorganismenschonende, fremd­ energielose Umwälzung unter anaeroben Bedingungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein anaerobes Ver­ fahren unter Verwendung einer Füllkörperschüttung zu ent­ wickeln. Mit dem Verfahren soll eine optimale, fremdenergie­ lose Reaktorumwälzung zur Sicherung notwendiger Stoff- und Energietransporte im Reaktionsraum des Reaktors ermöglicht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, in dem das zu behandelnde Substrat kontinuierlich mit entstehendem Bio­ gas angereichert aus einer mit einer Füllkörperschüttung ver­ sehenen Reaktorzone geringer Dichte in eine füllkörperfreie Reaktorzone hoher Fluiddichte geleitet wird.

In der Füllkörperzone steigt das mit Biogas angereicherte Substrat aufwärts und strömt bedingt durch den Fluiddichte­ unterschied zwischen beiden Zonen in die füllkörperfreie Zone und wird hier einer Abwärtsströmung unterworfen.

Beide Zonen sind im Reaktor vertikal nebeneinander angeord­ net und an beiden Seiten, also oben und unten miteinander kommunizierend verbunden.

Es sind Bauweisen, wie z. B. ein Schlaufenreaktor, oder sol­ che denkbar, wo die füllkörperfreie Zone zentrisch im Reaktor und die Füllkörperzone kreisringförmig darum angeordnet ist. Ebenso kann die Füllkörperzone zentrisch angeordnet sein. Beide Zonen sind mittels Netz oder siebähnlichen Gebilden voneinander räumlich getrennt. Die füllkörperfreie Zone hat gegenüber der Füllkörperzone einen etwa einhundertmal klei­ neren Raumbedarf. Sollte aber keinesfalls größer als ¹/₁₀ gestaltet werden.

Beim Abbau organischer Substanzen entsteht bekanntlich Methan, Kohlendioxid und kleine Mengen anderer Gase, die in Form kleiner Blasen im Substrat nach oben steigen. Da die Konzen­ tration der Mikroorganismen, welche an den Füllkörpern an­ wachsen, um ein Vielfaches höher als die von suspendierten Mikroorganismen ist (ebenso verhält sich die Gasproduktion) wird damit ein erheblicher Dichteunterschied zwischen beiden Reaktorzonen geschaffen. Der Dichteunterschied (Fluiddichte­ unterschied) beträgt je nach dem Unterschied der Gasproduk­ tion in beiden Zonen ca. 2%, sollte aber mindestens 1,5% betragen.

Gasärmeres Substrat in der füllkörperfreien Zone weist dem­ zufolge eine höhere Dichte als das gasreichere Substrat in der Füllkörperzone auf. Die Gasproduktion in der Füllkörper­ zone kann bei günstigen Bedingungen 10mal so hoch wie im her­ kömmlich ideal durchmischten Reaktor ohne Füllkörperschüttung sein. Der Substratumwälzprozeß ist auf Grund des eingestell­ ten Dichteunterschiedes so intensiv, daß auf Energiezufuhr von außen verzichtet werden kann.

Die Richtung der entstehenden Strömung ist gleichgerichtet mit dem Gasblasenaufstieg an der Füllkörperschüttung entspre­ chend der vertikalen Strömung nach dem bekannten "Mammutprin­ zip". In der Füllkörperzone strömt also das Substrat-Biogas­ blasen-Gemisch mit einer die Biorasenschicht schonenden Ge­ schwindigkeit nach oben, entgast an der Fluidoberfläche und strömt in der füllkörperfreien Zone mit um ein Vielfaches höherer Geschwindigkeit nahezu gasfrei abwärts. Das Verfahren läuft kontinuierlich ab.

Besonders vorteilhaft läßt sich das Verfahren gestalten, wenn als künstliche Bewuchsflächen schwimmende Füllkörper, deren Aufbau und Wirkungsweise bereits in einem Vorschlag offenbart wurden, verwendet werden.

Die Füllkörper vorzugsweise aus Polyolefin hergestellt, haben eine Kugelstruktur, die aus einer Vielzahl abwechselnd ange­ ordneter axial miteinander verbundener paralleler Stege und Zwischenräume besteht. Die Zwischenräume sind breiter als die Stege, so daß bei Bewuchs mit Mikroorganismen eine ausreichend große Substratdurchströmöffnung verbleibt.

Durch die konstruktive Gestaltung werden Sackgassen im Füll­ körper vermieden und der Druckverlust in der Füllkörperschüt­ tung weisen nachteilig hohe Druckverluste auf.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß eine vollständige Reaktorumwälzung ohne jegliche Fremd­ energiezufuhr möglich ist.

Außerdem werden dadurch Schwimmschlammschichten und Sedimen­ tationen verhindert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung eines Umwälzreaktors ohne Fremdenergiezufuhr.

Zulaufendes Substrat mit einer Belastung b _R = 4-15 kg BSB₅/ m³ _R · d aus einer Anlage der Stärkeproduktion stammend, soll anaerob gereinigt werden.

Dazu wird es einem Bioreaktor 1 zugeführt.

Der Reaktor 1 ist in Form eines senkrecht stehenden Zylinders gestaltet. Der Reaktor weist eine Höhe von 10 m auf. Er be­ steht aus zwei vertikalen Zonen 2 und 3. Die Zone 2 steht mit der Zone 3 an beiden Seiten kommunizierend in Verbindung. Beide Zonen (2, 3) sind durch ein Siebblech 4 voneinander ge­ trennt. Die Zone 2, auch Füllkörpersäule genannt, hat ein Volumen von 125 m³ und einen Durchmesser von 4 m. In ihr be­ finden sich schwimmende, kugelförmige Füllkörper 5 aus Poly­ olefin. Jeder Füllkörper 5 hat einen Durchmesser von 0,1 m. An den Füllkörpern 5 siedeln sich die anaeroben Mikroorganis­ men an. Bei Erreichung einer stationären Biomassekonzentra­ tion auf den Füllkörpern 5 erzielt man eine Gasproduktivität von 10 m³ _Biogas /m³ _R d. Die Fluidgeschwindigkeit in der Zone 2 beträgt 0,05 m/s (Leerrohrgeschwindigkeit).

Die Zone 3, auch Rücklaufrohr genannt, umfaßt dagegen nur ein Volumen von 1,25 m³ und weist einen Durchmesser von 0,4 m auf. In dieser Zone 3, also der füllkörperfreien Zone, beträgt die Gasproduktivität etwa 1 m³ _Biogas /m³ _R d.

Dadurch entsteht ein Dichteunterschied von ca. 2%, welcher den Fluidumlauf zwischen den Zonen 2 und 3 bewirkt. Die Fluid­ geschwindigkeit in Zone 3 beträgt 5 m/s. Zwischen beiden Zonen herrscht ein Druckunterschied von 145 mm WS.

Mit dem erfindungsgemäßen Umwälzverfahren können 2300 m³ Sub­ strat bzw. Fluid pro Stunde umgewälzt werden, ohne daß dazu Fremdenergie notwendig ist. Die eingesparte Energiemenge be­ trägt 541 MWh pro Jahr.

Claims (2)

1. Verfahren zur selbsttätigen Reaktorumwälzung in Reaktoren mit Füllkörperschüttung zur anaeroben Behandlung von Sub­ strat, insbesondere feststoffarmem Abwasser, gekennzeichnet dadurch, daß kontinuierlich das Substrat mit entstehendem Biogas angereichert, zunächst in Aufwärtsströmung aus einer vertikalen, mit Füllkörpern (5) beaufschlagten Zone (2) ge­ ringer Fluiddichte in eine vertikale füllkörperfreie Zone (3) hoher Dichte geleitet und in dieser Zone (3) einer Ab­ wärtsströmung unterworfen wird, wobei der Dichteunterschied zwischen beiden, beidseitig kommunizierenden Zonen (2, 3) ca. 2% beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Füllkörperzone (2) schwimmfähige Füllkörper (5) ver­ wendet werden.