DE4130492A1 - Bioreaktor insbesondere zur abwasserbehandlung - Google Patents
Bioreaktor insbesondere zur abwasserbehandlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor, insbesondere zur
Abwasserbehandlung, dessen Reaktorraum mit einem mit
Mikroben besiedelten Mikrobenkulturträgerstoff teilweise
gefüllt ist, dem bodenseitig ein zu behandelnder
Flüssigkeits-Zulaufstrom zugeführt wird, sowie bodenseitig
durch einen Düsenstock ein Druckgas blasenförmig zugeführt
wird, und dessen Reaktorraum einen Flüssigkeitsaustritt zur
kontinuierlichen Abführung des behandelten
Flüssigkeitsstromes aufweist.
Es ist aus DE OS 26 27 231 bekannt, eine Flüssigkeit, die
mit gelösten oder suspendierten Feststoffen belastet ist, in
einer Reaktionskammer mit Luft oder Sauerstoff in Blasenform
zu durchmischen, so daß die Ballaststoffe oxydiert und
abgebaut werden.
Es ist weiterhin aus DE 36 00 484 A1 bekannt, in einem
teilweise mit einer zu behandelnden Flüssigkeit gefüllten
Reaktionsraum ein Filterbett anzuordnen, in das bodenseitig
feinporige Gasdüsen hineinragen, durch die ein Reaktionsgas
zugeführt wird. Die Gasblasen steigen im Gegenstrom zu der
Flüssigkeit durch das Filterbett; wegen ihrer Größe haben
sie jedoch nur eine geringe biologische Wirksamkeit, und es
liegt eine von oben nach unten zunehmende und somit die
Wirksamkeit der Raktion einschränkende
Gaslösungskonzentration vor.
Es ist weiterhin aus DE 35 01 175 C2 bekannt, in einem unter
einem erhöhten Mischdruck stehenden Lösungsreaktor eine
abgesättigte Flüssigkeit mit einem Reaktionsgas, z. B.
Sauerstoff oder Luft, zu erzeugen und diese Lösung als
übersättigte Lösung in einen unter einem niedrigeren Druck
stehenden biologischen Reaktor als das Reaktionsmedium
einzuleiten. Hierbei entsteht eine extrem feine
emulsionsartige Gasverteilung in der Reaktionszone, die
insbes. die biologische Verwertbarkeit durch Mikrolebewesen
erhöht. Es besteht jedoch im Bioreaktor ein hohes
Konzentrationsgefälle des Reaktionsmittels, wodurch dessen
Wirksamkeit räumlich beschränkt ist, und die sehr feinen
Gasblasen, die bei der Entspannung der übersättigten Lösung
entstehen, vermögenur leichte Schwebstoffe zu flotieren und
aufzulockern.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen mit auf einem Trägerstoff
angesiedelten Mikrobenkulturen arbeitenden Reaktor zu
offenbaren, der einen weitgehend homogenen, hochgradigen
Versorgungszustand des gesamten Reaktorraumes mit dem
Reaktionsmittel erbringt.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß der Reaktorraum
bodenseitig eine Zuführung aufweist durch die laufend ein
mit einem Reaktionsgas übersättigtes Reaktionsmedium in
diesen eingeleitet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Durch die Trennung der Funktionen nämlich der Transport- und
Durchmischungsfunktion mittels grober Gasblasen von der
Oxydations- und Ernährungsfunktion mittels der Mikroblasen
der übersättigten Lösung wird bei geringem Raumbedarf und
geringem Energieaufwand eine hohe Reaktorleistung und eine
weitgehende Ausnutzung des Reaktionsgases erreicht.
Der Boden des Reaktors ist zu einem Ringdüsenstock hin
verjüngt ausgestaltet, indem innerhalb desselben ein
stehender Innenkegel und um ihn ein nach oben geöffneter
Hohlkegel angeordnet sind. Die Neigungswinkel der beiden
Kegel sind so gehalten, daß die Gasblasenströmung seitlich
divergierend im Zusammenwirken mit dem körnigen Feststoff,
der als Kulturenträger dient, den gesamten Reaktionsbereich
auflockernd aufsteigend durchsetzt. Eine Stromrückführung
erfolgt im Innenbereich des Reaktors in einen Fallrohr, das
obenseitig konisch erweitert in einen Ringspalt mit einem
auf der Spitze stehenden kegelförmigen Einsatz endet, in das
die nach oben entgaste Reaktorflüssigkeit eintritt und dann
rezirkuliert. Das innere Fallrohr endet oberhalb des unteren
Innenkegels, aus dessen Spitzenbereich die übersättigte
Gaslösung austritt, die durch den Fallstrom mitgerissen wird
und sich dann am Kegel seitlich verteilt, wonach sie, durch
den aufsteigenden Gasblasenstrom angetrieben, mit den
Kulturträgermaterial intensiv vermischt wird und dadurch
während des Aufsteigens von der Kultur aufgenommen wird. Die
Gasausscheidung aus der übersättigten Lösung findet zum
großen Teil unmittelbar an den Feststoffoberflächen statt,
wo die Kultur angesiedelt ist, so daß eine intensive
Umsetzung des Gases erfolgt. Falls kein Kulturträgerstoff
eingesetzt ist, findet die Gasausscheidung und Gasaufnahme
unmittelbar an den organischen Schwebstoffen statt.
Der obere kegelförmige Einsatz weist an seinem unteren Ende
eine Austrittsöffnung auf, durch die die biologisch
gereinigte Flüssigkeit nach oben abgezogen wird. Über der
Austrittsöffnung ist zweckmäßig ein trichterförmiger
Restgasabzug angeordnet, so daß die abgezogene Flüssigkeit
weitgehend blasenfrei anfällt. Auch restliche Schwebstoffe
und Kulturträgerkörner trennen sich von der abfließenden
Flüsigkeit in der Übergangszone des in den Ringspalt
eingezogenen Fallstromes und in einer Sedimentationszone
oberhalb der Austrittsöffnung, so daß der austretende
Abflußstrom einen hohen Reinheitsgrad aufweist.
Die Dosierung des Luftblasenstromes wird abhängig von dem
Erreichen einer vollständigen Auflockerung des Kulturbettes
vorgenommen. Der Zustrom von neuer zu reinigender
Flüssigkeit bestimmt sich aus der spezifischen
Schadstofflast und der jeweiligen Reaktorleistung sowie dem
geforderten Reinheitsgrad der Abflußflüssigkeit. Zur
Bestimmung der Steuergrößen dienen bekannte Meßmittel, die
in der Zu- und Abflußleitung angeordnet sind. Die Dosierung
der Reaktionslösung bestimmt sich aus der Reaktorleistung
und aus dem jeweils geforderten Sättigungsgrad der
Abflußflüssigkeit mit den Reaktionsgas, der ebenfalls in
bekannter Weise laufend gemessen wird.
Bei der Regelung des Zuflusses und der Dosierung der
Reaktionslösung ist zu berücksichtigen, daß der
Sättigungsgrad mit Reaktionsgas im Ausfluß sich nach einer
Dosierungsänderung bereits nach einem Reaktordurchlauf
merklich verändert, jedoch der Reinigungsgrad bei einen
geänderten Zulauf oder einer geänderten Schmutzlast sich im
wesentlichen erst nach mehreren Umläufen, nämlich der
mittleren Verweilzeit der Flüssigkeit im Reaktor, merklich
verändert und stabilisiert. Aus diesem Grund sind
PID-Regelungcharakteristiken mit entsprechenden
Zeitkonstanten zweckmäßig vorzusehen, wobei die Dosierung
der Reaktionslösung in einem inneren Regelkreis und die des
Zuflusses der Rohflüssigkeit in einem äußeren Regelkreis
bestimmt werden.
Vorteilhaft ist auch je ein Temperatursensor im
Reaktionsraum und im Zulauf vorgesehen, deren
Differenzsignal ein Maß für die Reaktoraktivität ergibt,
abhänig von der in Verbindung mit der Umgebungstemperatur
die Bemessung des Zulaufstromes und die Dosierung des
Reaktionsmediums vorgegeben wird.
Die Vorgabe des Reinigungsgrades hat einen entscheidenden
Einfluß auf die notwendige Verweilzeit der zugeführten
Flüssigkeit im Reaktionsbereich, wobei die spezifischen
Abbaukinetiken der einzelnen Stoffe durch die jeweils
zugehörigen Mikroorganismen und die Umgebungsbedingungen,
das Lebensmilieu, wesentliche Einflußfaktoren sind.
Bei einer Schadstoffbeseitigung aus belastetem Abwasser ist
entscheidend für eine hohe Reaktionsleistung, daß ein hohes
Sauerstoffangebot vorliegt. Aus diesem Grund wird als
Reaktionslösung eine mit technischem Sauerstoff übersättigte
Lösung zugeführt, der durch die erfindungsgemäße
Vorrichtungsausgestaltung weitgehend ausnutzbar ist. Für die
Umwälzbewegung durch die aufsteigenden Blasen ist es
ausreichend und kostenungünstiger Druckluft statt reinen
Sauerstoff zuzuführen, deren Sauerstoffanteil einen weiteren
Beitrag zur Mikrobenbeatmung geben kann. Bei der
biologischen Umsetzung im Reaktor entstehen je nach der
Reaktionsart Kohlenoxid, Methan und Stickstoffabgase, die
blasenförmig aufsteigend ebenfalls zur Umwälzung des
Reaktorinhalts beitragen.
Der Zustrom der Rohflüssigkeit ist vorteilhaft in einem
Vormischer mit der Druckluft zusammengeführt, so daß ein
Flüssigkeits-Luftgemisch durch den Ringdüsenstock von unten
in den Reaktionsraum einströmt, so daß auch die Strömung des
Zulaufstromes den Umlauf im Reaktor antreibt und
andererseits die Luftblasenverteilung den Zulaufstrom sofort
aufteilt.
Außer zur Abwasserreinigung läßt sich der Reaktor auch für
andere biologische oder chemische Prozesse verwenden, wobei
entsprechende Einsatzstoffe, Flüssigkeiten und Gase
zuzuführen sind. Der Reaktor läßt sich mit einen Deckel
verschließen, wobei das anfallende Reaktionsgas aus dem
oberen Raum abgezogen werden kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Fig. 1 dargestellt.
Fig. 1 zeigt ein Anlagenschema mit einem senkrechten Schnitt
durch den Reaktionsraum.
Fig. 1 zeigt eine Zusammenstellung der Gesamtvorrichtung.
Der vertikal stehende zylindrische Reaktor (A) ist axial
geschnitten dargestellt. Diesem vorgeschaltet ist ein
Druckluftzustrommischer (B) sowie eine
Gassättigungsvorrichtung (C). Der Reaktor (A) ist
bodenseitig verjüngt, wozu er einen Mittelkonus (K) und
einen trichterförmigen Randbereich (T) aufweist. Zwischen
diesen ist unten ein Ringdüsenstock (3) angeordnet, der von
dem Zustrommischer (B) gespeist ist. Der Innenraum des
Mittelkonus (K) ist an die Gassättigungsvorrichtung (C) über
ein Reduzierventil (R) angeschlossen. Im Spitzenbereich des
Mittelkonus (K) sind Zuführungsöffnungen (4) eingebracht,
durch die die durch die Druckreduzierung mit dem
Reaktionsgas übersättigte Lösung in den Reaktionsraum (6)
eintritt.
Mittig im Reaktor (A) befindet sich ein Fallrohr (8), das
oberhalb des Mittelkonus (K) endet und obenendig einen
Einlauftrichter (E) trägt, in dem ein Innenkonus (I)
hineinragt, so daß ein Ringspalt (10) dort besteht. Der
Innenkonus (I) weist an seiner Spitze eine Austrittsöffnung
(11) auf, durch die behandelte Flüssigkeit zu einen
Austrittsstutzen (12) nach oben abgeleitet wird. Über der
Austrittsöffnung (11) befindet sich ein Gasabzug (13), der
in ein Sammelrohr (9) angschlossen ist. In den Austrittsraum
(7) vor dem Austrittsstutzen (12) sedimentieren verbliebene
entgaste Feststoffe und sinken zurück in den Fallstrom im
Fallrohr (8).
Der Reaktionsraum (6) ist mit einem Gemisch aus einen
Kulturträgerstoff, z. B. Sand, der mit Mikroben besiedelt
ist, und der biologisch zu behandelnden Flüssigkeit, z. B.
organisch belastetem Abwasser, sowie Gasblasen gefüllt. Die
Gasblasen steigen aus dem Düsenstock (3) kommend, sich
verteilend und das Reaktionsgemisch auflockernd sowie nach
oben fördernd auf. Weitere aufsteigende Gasblasen entstehen
aus dem bei der Reaktion gebildeten Abgasen.
Der Zustrom (Z) der zu behandelnden Flüssigkeit wird in dem
Zustrommischer (B) in bekannter Weise mit einem unter Druck
stehenden Gas (1), z. B. Druckluft, das am Druckgasanschluß
einem Düsenstock (D) zugeführt wird, intensiv vermischt und
teilweise gesättigt. Dieses Flüssigkeits-Gasgemisch wird
über eine Zuleitung (2) dem Rindüsenstock (3) zugeführt.
Der Gassättigungsvorrichtung (C) bekannter Bauweise wird
eine Flüssigkeit (F) und ein Gas (G) eingangsseitig unter
Druck zugeführt, so daß ausgangsseitig vor den
Reduzierventil (R) eine unter Druck stehende, mit dem
Reaktionsgas (G), z. B. Sauerstoff, gesättigte Lösung (L)
ansteht, die hinter dem Reduzierventil (R) als mit dem
Reaktionsgas übersättiges Reaktionsmittel (Ü) in den Reaktor
eintritt.
Die Regelung des Betriebes des Reaktors erfolgt über eine
Steuervorrichtung (ST). Diese erhält die Betriebs- und
Grenzwerte über eine Eingabetastatur (35) und die laufenden
Temperatur- und Belastungsstoffwerte von einem
Zulauftemperatursensor (30) und mindestens einen Zulauf-
Ballaststoffsensor (31) sowie einem Abflußtemperatursensor
(32), einem Abfluß-Ballaststoffsensor (33) und einen
Abfluß-Reaktionsmittelsättigungs-Sensor (34). Aus deren
Eingangsgrößen werden jeweils die optimalen Dosiervorgaben
ermittel, die die Steuervorrichtung (ST) an die
Dosierventile (21, 22) der Druckluftzufuhr und des Zustromes
(Z) sowie an das Reduzierventil (R) ausgibt.
Die zylindrische und konzentrische Konstruktion läßt sich
fachmännisch auf eine andere Querschnittsform und eine
asymmetrische Anordnung abwandeln.
Claims (12)
1. Bioreaktor, insbesondere zur Abwasserbehandlung, dessen
Reaktorraum (6) mit einem mit Mikroben besiedelten
Mikrobenkulturträgerstoff teilweise gefüllt ist, dem
bodenseitig ein zu behandelnder Flüssigkeits-Zulaufstrom (Z)
zugeführt wird, sowie bodenseitig durch einen Düsenstock (3)
ein Druckgas (1) blasenförmig zugeführt wird, und dessen
Reaktorraum (6) einen Flüssigkeitsaustritt (12) zur
kontinuierlichen Abführung des behandelten
Flüssigkeitsstromes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reaktorraum (6) bodenseitig eine Zuführung (4) aufweist,
durch die laufend ein mit einem Reaktionsgas (G)
übersättigtes Reaktionsmedium (Ü) in diesen eingeleitet
wird.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reaktorraum (6) im Bereich der Zuführung (4) des
Reaktionsmediums erhaben, und im Bereich des Düsenstocks (3)
abgesenkt ist.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Reaktorraum (6) ein Fallrohr (8) angeordnet ist,
das unten nahe der Zuführung (4) des Reaktionsmediums (Ü)
und abseits des Düsenstocks (3) endet und oben in einem
Einlauftrichter (E) endet, in dem ein Einsatz (I), einen
Einlaufspalt (10) belassend angeordnet ist, an dem sich
untenseitig eine Austrittsöffnung (11) befindet, die mit dem
Flüssigkeitsaustritt (12) verbunden ist.
4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Flüssigkeitsaustritt (12) aus dem Reaktor oberhalb der
Austrittsöffnung (11) des Einsatzes (I) angeordnet ist und
über der Austrittsöffnung (11) ein Gassammeltrichter (13)
mit einer Abgasleitung (9) angeordnet ist.
5. Reaktor nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Reaktorraum (6) zylindrisch,
senkrecht stehend ist, das Fallrohr (8) koachsial darin
angeordnet ist und der Düsenstock (3) ringförmig ist.
6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reaktorboden innerhalb des Ringdüsenstockes (3) als
Konus (K) ausgebildet ist, in dessen Spitzenbereich die
Zuführung (4) eingebracht ist, und der Reaktorboden
außerhalb des Ringdüsenstocks (3) als ein diesen umgebender
Trichter (T) ausgebildet ist.
7. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitszulaufstrom (Z) in einem
Druckgasmischer (B) mit dem Druckgas (1) vermischt und die
so entstandene Mischung dem Düsenstock (3) zugeführt wird.
8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Reaktionsgas (G) unter einem Überdruck in einer
Gassättigungsvorrichtung (C) in einer Flüssigkeit (F) bis zu
deren Sättigung gelöst wird und die entstandene Lösung (L)
über ein Reduzierventil (R) als das übersättigte
Reaktionsmedium (Ü) der Zuführung (4) zugeleitet wird.
9. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Zulaufstrom (Z) und in dem
Flüssigkeitsaustritt (12) jeweils mindestens ein
Belastungsstoffsensor (31, 33) und ggf. je ein
Temperatursensor (30, 32) und austrittsseitig ein
Reaktionsmittel-Sättigungssensor (34) angeordnet sind, deren
Signale einer Steuervorrichtung (ST) zugeführt sind, die
ausgangsseitig abhängig von deren Sensorsignalen und
Betriebsvorgabedaten das Reduzierveneil (R), ein
Zulaufdosierventil (21) und ein Druckgasdosierventil (20)
einen optimalen Betrieb regelnd steuert.
10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuervorrichtung (ST) das Reduzierventil (R) in einer
inneren Regelschleife unter Berücksichtigung einer
Durchlaufzeit der Flüssigkeit durch den Reaktorraum (6)
abhängig von dem Signal des Sättigungssensors (34) und
Temperaturmeßsignalen der Temperatursensoren (30, 32)
bedarfsgerecht beaufschlagt und in einer äußeren
Regelschleife unter Berücksichtigung der mitteleren
Verweilzeit der Flüssigkeit in dem Reaktorraum (6) abhängig
von den Signalen der Belastungsstoffsensoren (31, 33)
bedarfsgerecht das Zulaufdosierventil (21) beaufschlagt und
weiterhin das Druckgasdosierventil (20) einer der
Betriebsvorgaben gemäß derart beaufschlagt, daß der
Mikrobenkulturträgerstoff in dem gesamten Reaktorraum (6)
durch Gasblasen aufgelockert ist.
11. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Regelkreise eine PID-
Charakteristik aufweisen.
12. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Druckgas (1) Druckluft ist, das
Reaktionsgas (G) technischer Sauerstoff ist, der Zustrom (Z)
schadstoffbelastetes Wasser ist und der Kulturträgerstoff
Sand ist.
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