DE4118927C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festbettreaktor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß der mikrobiell erfolgte Stoffumsatz in biologischen Prozessen effizienter ist, wenn die dabei mitwirkenden Mikroorganismen nicht frei umherschwimmen, sondern auf Trägermaterialien fixiert sind und dort Kolonien bilden können. Weiter sind eine Reihe verschiedenartiger Trägermaterialien bekannt, wie z. B. poröses Sinterglas, hochporöse Stoffe wie Diathomerde oder Lavagestein, Kunstschaumstoff und gesintertes, poröses Thermoplast. Diese Trägerstoffe können je nach ihren Eigenschaften mit regelmäßigen und unregelmäßigen Formen sowohl im Festbettverfahren, als auch im Fließbett verwendet werden.

Es hat sich jedoch als nachteilig erwiesen, daß bei der Verwendung solcher Trägermaterialien im Festbett, z. B. in der Form von unregelmäßig geschütteten Rohrabschnitten, der bei jedem mikrobiellen Stoffumsatz entstehende Bioschlamm allmählich kleine Zwischenräume auffüllt, dadurch die Durchströmung erschwert und auch für einen Stoffumsatz nicht zur Verfügung steht. Nachteilig ist bei geschütteten Trägerelementen außerdem die uneinheitliche Durchströmung, die durch die Möglichkeit des Entmischens von größeren und kleineren Elementen noch weiter verschlechtert werden kann.

Aus der US-PS 44 88 960 ist ein Festbettreaktor bekannt, der aus einer Vielzahl gebündelter, vorzugsweise rechteckiger Rohre besteht, die ständig teilweise mit Abwasser gefüllt sind. Nachteilig erscheint hier, daß Verstopfungen der Rohre durch Bioschlamm auftreten, die durch erhöhten Flüssigkeitsdruck weggespült werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Festbettreaktor zu schaffen, bei dem der entstehende Bioschlamm keine Verstopfungen hervorruft und in möglichst großem Umfang für einen Stoffumsatz zur Verfügung steht und bei dem das Trägermaterial so angeordnet ist, daß eine gleichmäßige Umströmung einer möglichst großen Fläche des Trägermaterials ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.

Besondere Ausführungen und Fortbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen umfaßt.

Erfindungsgemäß werden in den Festbettreaktor flache, gebogene, gerade oder rohrförmige Trägerelemente derart eingesetzt, daß die Strömungsrichtung der zu reinigenden Flüssigkeit parallel zu den großen Flächen der Trägerelemente liegt.

Solche Trägerelemente können z. B. Platten oder Rohre aus einem porösen Sinterkunststoff sein, in denen vorteilhafterweise gröbere, sehr feinporige Körner aus Aktivkohle oder Liapor, zum Teil zur Oberfläche hin offen, eingeschlossen sind. Die Platten oder Rohre können ebene Elemente, oder aber auch profilierte, z. B. wellig oder trapezförmig, Körper sein.

In einer Ausführung der Erfindung werden mehrere Platten parallel zueinander angeordnet und füllen den gesamten Reaktorquerschnitt aus. Die Größe des Abstands der Platten zueinander soll einerseits möglichst gering sein, um eine möglichst große Austauschfläche im Reaktor unterbringen zu können. Andererseits darf er einen Mindestwert nicht unterschreiten, um die Gefahr von Verstopfungen zu vermeiden. Die Optimierung der Mindestspaltenbreite hängt von der Mycelbildung der jeweils verwendeten Mikroorganismen ab und ist experimentell zu ermitteln. Die Art der Mikroorganismen wird vom Schadstoffinhalt des zu reinigenden Substrates bestimmt. Die Optimierung der Mindestspaltenbreite schließt weiterhin ein, daß die Spaltenbreite über den Querschnitt hin gesehen überall gleich groß ist, da anderenfalls der Strömungswiderstand in den Spalten unterschiedlich groß wäre, was eine ungleichmäßige Durchströmung des Reaktorquerschnitts und damit einen ungleichmäßigen Stoffumsatz zur Folge hätte.

In einer anderen Ausführung der Erfindung sind die Platten ringförmig angeordnet, wobei die so gebildeten Ringe einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen und koaxial in gleichen Abständen ineinander angeordnet sind.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die Trägerelemente Rohre unterschiedlichen Durchmessers, die konzentrisch ineinander angeordnet sind.

Die Anordnung der Spalte in Form koaxialer Ringe oder Rohre oder paralleler Platten ist erfindungsgemäß gleichermaßen möglich. Entscheidend für die Optimierung ist die dabei zur Verfügung stehende äußere Plattenaustauschfläche, der die für die Gesamtwirksamkeit des Stoffaustauschs wirksame Porenoberfläche direkt proportional ist. Beispielsweise ist bei einem Reaktor von 1,2 m Innendurchmesser, einer Plattenstärke von 18 mm, einer Spaltenbreite a = 15 mm, wie es für Brauereiabwässer günstig ist, und einer Plattenhöhe von 0,3 m die äußere Austauschfläche bei konzentrischen Ringen 20 m², bei parallelen, geraden Platten 19 m², sofern die effektive Oberfläche der Platten infolge Strukturierung 2,7fach größer als diejenige einer planen Platte gleicher Abmessungen ist.

Betrachtet man die für den biologisch anaeroben Abbau notwendige Durchströmgeschwindigkeit, bzw. Verweilzeit des Substrates, so kommt man einerseits auf sehr lange Zeiten im Verhältnis zur Reaktorhöhe und andererseits auf sehr kleine Strömungsgeschwindigkeiten. So ergibt sich für das vorstehende Beispiel eine Geschwindigkeit in der Größenordnung v = 10^-3 m/s. Die hierbei berechnete Reynoldzahl ergibt ca. 1,0, was eindeutig auf eine rein laminare Strömungsform hinweist.

Das Kennzeichen der laminaren Strömungsform ist das Fehlen der makroskopischen Austauschvorgänge im Fluid quer zur Strömungsrichtung, was wiederum bedeutet, daß der Stoffumsatz durch die Mikroorganismen nur in unmittelbarer Trägerelementen, d. h. Plattenoberfläche stattfindet, wo die Flüssigkeit mit den Mikroorganismen in Berührung kommt. Eine wirtschaftliche Reaktorbauweise macht es daher notwendig, die Flüssigkeit möglichst oft zu vermischen, um sukzessiv alle Schadstoffanteile mit den Mikroorganismen in Berührung zu bringen.

Erfindungsgemäß wird hierfür vorgeschlagen, in Strömungsrichtung gesehen mehrere Trägerpakete aus jeweils mehreren Trägerelementen, d. h. Platten, hintereinander anzuordnen, wobei die Platten von zwei aufeinanderfolgenden Trägerpaketen vorteilhafterweise zueinander so angeordnet sind, daß jeweils eine Platte über einem Spalt, bzw. umgekehrt, steht.

Eine ähnliche Wirkung wird dadurch erzielt, daß bei Trägerpaketen aus geraden, parallelen Platten, die Pakete jeweils um einen Winkel von z. B. 30° zueinander zu versetzen.

Als günstig hat sich erwiesen, die Höhe der Trägerpakete möglichst klein zu halten, wobei zum Beispiel das Verhältnis Reaktordurchmesser zur Höhe der Trägerpakete 4 : 1 betragen kann.

Zur Verlängerung der Verweilzeit, bzw. zur Verringerung der Reaktorbauhöhe ist es vorteilhaft, den Reaktor in Schlaufenanordnung auszuführen, d. h. ein mehrfaches Durchströmen der Trägerpakete durch Umpumpen zu ermöglichen. Hinter den einzelnen Schlaufenstufen wird jeweils die Flüssigkeit abgesaugt und dem Schlaufenanfang wieder zugeführt. Dabei kommen die abgezogene Flüssigkeit der vorhergehenden Stufe, bzw. die neu zugeführte Flüssigkeit, und die wieder zugeführte Flüssigkeit der nachfolgenden Stufe miteinander in Berührung und vermischen sich. Diese Vermischung wird besonders intensiv, wenn in Strömungsrichtung gesehen der Abzug der vorhergehenden Stufe hinter der Zufuhr der folgenden Stufe liegt und die Austrittsrichtung der Flüssigkeit nach unten, d. h. entgegen der Hauptströmungsrichtung erfolgt.

Ein weiterer Vorteil der mehrfachen Schlaufenanordnung ist in einer Verbesserung der Regelfähigkeit, bzw. der Gleichmäßigkeit des pH-Wertes im Reaktor zu sehen. Es kann vorkommen, daß an einer Stelle des Reaktors der pH-Sollwert von der zulässigen Bandbreite (z. B. +/-0,5) abweicht und zum Ausgleich eine Säure-, bzw. Laugenzudosierung nötig macht. Bei nur einer einzigen Regelstrecke wird das System umso träger, je größer bei gegebener Durchströmgeschwindigkeit das Reaktorvolumen ist. Große Schwankungen um den Sollwert und lange Regelzeiten sind unvermeidlich. Die Unterteilung des Reaktorvolumens in mehrere kleine Teilbereiche, d. h. Stufen mit aufeinanderfolgenden Trägerpaketen, mit eigener Umpumpmöglichkeit, macht eine schnelle Regelung möglich, die zudem noch an dem Teilbereich ansetzen kann, an dem die Abweichung erkannt wird. Hierzu erhält jeder Teilbereich eine eigene pH-Meßstelle. Eine Kaskadenschaltung der Regelkreise kann mit dem gleichen Ziel einer schnelleren Ausregelung der Störung erfolgen.

Von entscheidender Bedeutung für eine wirtschaftliche Reaktorbetriebsweise ist eine gleichmäßige Verteilung der schadstoffbeladenen Flüssigkeit auf den Reaktorquerschnitt, um eine optimale Abbaurate des Schadstoffs zu erzielen. Die Verteilung wird umso gleichmäßiger, je mehr Eintrittsöffnungen regelmäßig über den Reaktorquerschnitt verteilt sind. Es ist vorteilhaft, diese Anordnung dem Reaktorquerschnitt anzupassen, d. h. bei kreisrunden Reaktorquerschnitten die Zahl der Eintrittsöffnungen möglichst gleichmäßig auf konzentrischen Kreisen anzuordnen. Auch die Vermischung wird intensiver, je mehr Eintrittsöffnungen vorhanden sind und wenn dadurch eine kleinere Austrittsgeschwindigkeit relativ eine größere Flüssigkeitsmenge mit sich zu einem Freistrahl reißt, als eine größere Austrittsgeschwindigkeit. Da darüber hinaus nahezu alle Freistrahlen turbulent sind, wird die angestrebte Vermischung und gleichmäßige Verteilung weiter begünstigt. Der Strahlenverbreitung im Freistrahl strömungsmechanisch verwandt ist die senkrechte Anströmung einer Prallplatte oder die Umströmung rotationssymmetrischer Profile, wobei beides im erfindungsgemäßen Reaktor angewandt werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Trägerpaket;

Fig. 2 einen Schnitt zu Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Festbettreaktors;

Fig. 4 eine Anordnung zur Flüssigkeitszuführung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsaustritts mit Prallplatte;

Fig. 6 eine profilierte Platte als Trägerelement.

Das erfindungsgemäße Trägerpaket gemäß Fig. 1 und Fig. 2 besteht aus rohrförmigen Trägerelementen 1 unterschiedlichen Durchmessers, die konzentrisch ineinander angeordnet sind. Die Trägerelemente 1 sind auf Verbindungsstegen 3 zweier ringförmiger Scheiben 2a, 2b befestigt und werden zwischen diesen Scheiben 2a, 2b gespannt. An ihren Enden sind die Trägerelemente in Fassungen 4a, 4b gehalten, die auf den Verbindungsstegen aufgeschraubt, aufgeklebt oder aufgeschweißt sind. Die ringförmigen Scheiben 2a, 2b werden mit Gewindestangen 5a und Schrauben 5b lösbar miteinander verbunden. In den Verbindungsstegen 3 sind in der Mitte des Trägerpakets Gewindebohrungen 6 angebracht, in die Gewindestangen 7 zum Einbringen der Trägerpakete in den Reaktor eingeschraubt werden können. Um die Trägerpakete an der Innenwand des Reaktors zu befestigen, werden dort Pratzen oder Klötze jeweils auf gleicher Höhe angeordnet, auf denen die untere ringförmige Scheibe 2b aufliegt. Um die Trägerpakete an Pratzen bzw. Klotzreihen vorbeiführen zu können, wenn mehrere Trägerpakete in dem Reaktor angebracht werden sollen, sind die ringförmigen Scheiben 2a, 2b mit übereinanderliegenden Aussparungen 8 versehen, die so bemessen sind, daß sie über die Pratzen, bzw. Klötze passen. Ist die vorgesehene Reihe von Pratzen bzw. Klötzen erreicht, genügt eine kleine Drehung, um das Trägerpaket aufliegen zu lassen. Durch ihr Eigengewicht und die geringe Strömung ist es normalerweise nicht nötig, die Trägerpakete weiter zu befestigen, jedoch können sie im Bedarfsfall auf den Pratzen, bzw. Klötzen z. B. festgeschraubt werden.

Der Festbettreaktor gemäß Fig. 3 besteht aus mehreren, in einem Reaktorgehäuse 9 in einem Abstand zueinander angeordneten und zwischen Reaktoreinlauf 12 und -auslauf 13 angeordneten Trägerpaketen 10, wie sie zu Fig. 1 und 2 näher beschrieben sind, die auf an der Innenwand des Reaktors befestigten Pratzen 11 aufliegen. Jeder Stufe, d. h. nach jedem Trägerpaket 10, ist eine Pumpvorrichtung 14 zugeordnet, die einen Teil der Flüssigkeit absaugt, die aus einem Trägerpaket 10 austritt und diesen Teil der Flüssigkeit dem Reaktor unterhalb dieses Trägerpakets 10 wieder zuführt. Die so gebildeten Schlaufen können sowohl eines, oder auch mehrere Trägerpakete 10 einschließen. Im Bereich des Reaktoreinlaufs 12, in den auch Flüssigkeit aus weiter oben befindlichen Stufen wieder zurückgeführt wird, sind zur besseren Vermischung der verschiedenen Ströme Prallplatten 15 angeordnet. In dieser schematischen Darstellung sind die Trägerelemente 1 und die Spalten zwischen diesen übereinander angeordnet. Wie weiter oben ausgeführt, ist es jedoch vorteilhaft, hier einen Versatz vorzusehen.

Fig. 4 zeigt eine Flüssigkeitszuführung, die mit einer der in Fig. 3 erwähnten Pumpvorrichtungen verbunden sein kann. Diese Flüssigkeitszuführung besteht aus einem Einleitungsrohr 20, das mit einer Ringleitung 21 verbunden ist, von der aus nach innen gerichtete Abzweigleitungen 22, 22′ unterschiedlicher Länge ausgehen. Die Abzweigleitungen 22, 22′ weisen an ihren Enden gabelförmig verzweigte Rohrabschnitte 23, 23′ auf, an deren Enden wiederum Eintrittsöffnungen 24 für die Flüssigkeit angeordnet sind. Die Abzweigleitungen 22, 22′ und die Rohrabschnitte 23, 23′ sind dabei so angeordnet, daß die Eintrittsöffnungen 24 auf zwei oder mehr vorgestellten konzentrischen Kreisen liegen. An jeder Öffnung 24 soll vorteilhafterweise gleichviel Wasser austreten. Statt über eine Ringleitung 21 können die einzelnen Abzweigleitungen auch jeweils direkt mit Pumpvorrichtungen verbunden sein.

Die Eintrittsöffnungen 24 weisen, wie in Fig. 5 skizziert, nach unten, wobei in einem Abstand von z. B. 10 mm von ihnen eine Prallplatte senkrecht angeströmt wird. Hierdurch, durch die Umströmung der Rohrprofile der Abzweigleitungen 22, 22′ und der Rohrabschnitte 23, 23′ und durch die Vorgänge der Strahlausbreitung, verbreitert sich der aufsteigende Strahl in Richtung auf das nächstliegende Trägerpaket. Die Strahlen, die nebeneinander sich verbreiternd aufsteigen, sollen sich bei Erreichen des Trägerpakets wenigstens berühren oder überlagern.

Fig. 6 zeigt schließlich einen Abschnitt eines profilierten Trägerelements 30, welches an den Enden in Führungen 31 eingesetzt oder eingegossen ist. Zur Vergrößerung der Oberfläche weist das Trägerelement trapezartige Strukturen 32 auf.

Claims (13)

1. Festbettreaktor mit mindestens zwei Stufen zur biologischen Behandlung von Abwässern, wobei der Reaktor ein Behälter ist, der ein fest darin angeordnetes Trägermaterial für Mikroorganismen enthält, wobei dieses Trägermaterial von der zu reinigenden Flüssigkeit umströmt wird, und wobei das Trägermaterial aus flachen, geraden, gebogenen oder rohrförmigen Trägerelementen besteht und daß die Strömungsrichtung parallel zu den großen Flächen der Trägerelemente (1) liegt.
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Trägerelemente (1) ein Trägerpaket (10) bilden,
und daß in den mindestens zwei aufeinanderfolgenden, verbundenen Stufen jeweils Trägerpakete (10) angeordnet sind,
und daß der Durchflußströmung, bestimmbar zwischen Reaktorein- und -auslauf (12, 13) durch schlaufenartige Zwischenabsaugungen und Wiederzufuhr zwischen den einzelnen Trägerpaketen (10) ein- und/oder mehrfach hintereinander eine weitere Strömungskomponente überlagert wird, die eine frei wählbare Geschwindigkeit und Verweildauer im Reaktor in den Zwischenräumen zwischen den Trägerelementen (1) ermöglicht.

2. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente (1) ringförmig angeordnet sind, wobei die Ringe unterschiedlichen Durchmesser aufweisen und koaxial ineinander angeordnet sind.

3. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente (1) rohrförmig ausgeführt sind, einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen und konzentrisch ineinander angeordnet sind.

4. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerpakete (10) derart übereinander angeordnet sind, daß sich jeweils Platten über Spalten oder umgekehrt befinden.

5. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerpakete (10) aus parallel zueinander angeordneten Platten bestehen, und
daß jedes Trägerpaket (10) zu dem nächsten um einen Winkel versetzt ist.

6. Festbettreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz der Trägerpakete (10) zueinander jeweils 30° beträgt.

7. Festbettraktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der schlaufenartigen Absaugung die Absaugeöffnungen der nachfolgenden Stufe in Strömungsrichtung gesehen hinter den Eintrittsöffnungen der vorhergehenden Stufe liegen.

8. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stufe eine pH-Meßstelle zugeordnet ist.

9. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt zu verteilende Flüssigkeitsmenge durch regelmäßig über den Reaktorquerschnitt verteilte und nach unten, d. h. entgegengesetzt zur Hauptströmungsrichtung gerichtete Eintrittsöffnungen (24) geführt wird.

10. Festbettreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß den Eintrittsöffnungen (24) Prallplatten (15) vorgesetzt sind.

11. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente (10) an zwei Einspannenden gefaßt und diese Fassungen (4a, 4b) jeweils mit ringförmigen Scheiben (2a, 2b) verbunden sind, die wiederum mittels Gewindestangen (5a) zu einem Trägerpaket (10) verschraubt sind.

12. Festbettreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerpakete (10) jeweils mittels einer in der Achse der Trägerpakete (10) einschraubbaren Gewindestange (7) in den Reaktor eingesetzt sind.

13. Festbettreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente (1) aus einem Material bestehen, das in die Fassungen (4a, 4b) eingegossen ist.