DE4233847A1 - Verfahren zur Anreicherung von wässrigen Medien mit Gas und Reaktor zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung von wäßrigen Medien mit Gas, insbesondere mit Sauerstoff, wobei das Gas aus einem gaspermeablen Membranschlauch in das wäßrige Medium hineindiffundiert, und einen Reaktor zur Durchführung des Verfahrens.

In Kläranlagen wird das Abwasser häufig in Druckrohrleitungen über begrenzte Distanzen bei fehlendem Gefälle oder gar steigendem Gelände zwangsweise gefördert. Es wird dazu in einem Pumpensumpf gesammelt und diskontinuierlich abgepumpt. Da die Förderstrecke relativ lang ist, kommt es insbesondere bei einem geringen oder mittleren Abwasserzufluß zu langen Aufenthalts­ zeiten des Abwassers in den Druckrohrleitungen unter anaeroben Bedingungen. Dabei fault das Abwasser, wodurch es zu Geruchsbe­ lästigung durch entstehendes H₂S und starke Korrosion im nach­ folgenden Kanalisationsbereich kommt. Diese Probleme treten in gleicher Weise sowohl bei der kommunalen als auch der indu­ striellen Abwasserreinigung (z. B. in Lackierbetrieben) sowie bei der Behandlung von Deponiesickerwasser auf.

Um die beschriebenen unerwünschten Effekte zu vermeiden bzw. zu verringern, ist es notwendig, dem Abwasser in den Rohrleitungen zusätzlichen Sauerstoff zuzuführen. Dies erfolgt derzeit durch Einperlen von Luft oder reinem Sauerstoff in die Druckrohr­ leitung oder durch Druckentwässerung. Aufgrund der langen Stillstandzeiten der Pumpen ist aber eine Begasung durch Ein­ perlen von Sauerstoff oder Luft nicht oder nur mit sehr schlechtem Wirkungsgrad durchführbar. Die Installation einer Druckentwässerung würde eine Neuverlegung einer Druckrohrlei­ tung mit niedrigem Querschnitt erforderlich machen, was mit hohen Investitionskosten verbunden wäre. Bei den bekannten Sauerstoffeintragsverfahren mit direkter Begasung kann außerdem als Folge der direkten Belüftung eine starke Schaumbildung auftreten. Die Strippung leicht flüchtiger gelöster Stoffe kann zu einer ungewollten Problemverlagerung aus dem Abwasser in die anfallende Abluft führen. Da bei der Begasung mit Luft große Gasmengen eingesetzt werden müssen (80% Stickstoffanteil), müssen die erheblichen Mengen an Abluft abgesaugt und gefiltert werden. Bei der Begasung mit Reinsauerstoff fallen zwar ge­ ringere Abgasmengen an und es kann auch ein höherer Sauerstoff­ eintrag erzielt werden, jedoch entstehen wegen der schlechten Ausnutzung des eingesetzten Sauerstoffs hohe Betriebskosten.

Schließlich ist die Injektion von Dispergierung von Luft oder Sauerstoff in Rohrleitungen von den Strömungsverhältnissen in den Rohrleitungen abhängig. Gaspolster führen zu einer starken Beeinträchtigung der Strömung. Für Fest- und Fließbettreaktoren sind die Schwierigkeiten der Gasverteilung und der Blasen­ agglomeration, die zu einem verminderten Sauerstoffeintrag und einer ungewollten Vermischung führen, bekannt. Der Sauerstoff­ eintrag über porenfreie Membranen mit diffusivem Stofftransport vermeidet diese Probleme.

So ist aus der DE-C 31 22 186 bereits eine Silikonkautschuk- Membran bekannt, über welche Sauerstoff in das zu klärende Abwasser eingebracht werden kann.

Die DE-A 40 38 514 beschreibt ein Verfahren zur Anreicherung von Wasser mit Gas, bei dem das Wasser senkrecht nach unten strömt und dem Wasser hierbei Gas zugeführt wird, wobei das Wasser durch ein Schwebebett sich frei bewegender Partikel geleitet wird, die von den eingetragenen Gasblasen durchsetzt sind. Durch den intensiven Kontakt mit den Partikeln wird die Aufenthaltszeit der Blasen im Reaktor stark erhöht und die Stoffaustauschgeschwindigkeit entsprechend gesteigert. Zudem werden durch die intensiven Partikelbewegungen im Einlauf­ bereich die Gasblasen zerteilt und deren Wiedervereinigung verhindert. Der Gaseintrag muß dabei nicht ausschließlich durch Eindüsung erfolgen, sondern kann auch zusätzlich oder allein über gasdurchlässige Schlauch- oder Rohrmembranen aus Silikon­ kautschuk erfolgen. Nachteil dieses Verfahrens ist u. a., daß der Sauerstoff ungeregelt und unkontrolliert in das Abwasser gelangt. Da der Sauerstoffeintrag jedoch abhängig von Umwelt­ einflüssen (bspw. der Sonneneinstrahlung) ist, ist eine gleich­ mäßige Sauerstoffanreicherung nicht gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie einen Reaktor zur Durchführung des Ver­ fahrens zu schaffen, mit welchen ein definierter Sauerstoff­ eintrag ermöglicht und ein einfaches und kostengünstiges Ver­ fahren zur Reinigung belasteter Abwässer zur Verfügung gestellt wird.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß das wäßrige Medium einem geschlossenen Kreislauf zugeführt wird, in welchen auch das Gas, insbesondere Sauer­ stoff eingebracht wird, daß das wäßrige Medium in dem ge­ schlossenen Kreislauf solange gehalten wird, bis insbesondere ein gewünschter Sauerstoffgehalt erreicht ist, und daß das wäßrige Medium dann aus dem geschlossenen Kreislauf abgeführt wird. Durch den geschlossenen Regelkreislauf läßt sich in dem Wasser oder dgl. ein gewünschter Sauerstoffgehalt ohne Be­ einträchtigung durch äußere Einflüsse erreichen. Außerdem werden Geruchsbelästigungen der Umgebung vermieden, so daß kürzere Anbindungsstrecken an zu entsorgende Gemeinden und Unternehmen und eine bessere Ausnutzung des Baugrundes er­ möglicht werden.

Um einen möglichst effektiven Sauerstoffübergang in das Wasser zu erreichen, ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorge­ sehen, daß das Wasser mittels einer Pumpe in dem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird die gewünschte Sauerstoffanreicherung des Wassers durch die Länge der Kreis­ laufstrecke und das Verhältnis von Membranschlauchvolumen und Kreislaufvolumen festgelegt. Damit liegt das Abwasservolumen ebenfalls fest und der Sauerstoffeintrag kann entsprechend der Höhe der Belastungswerte genau ermittelt werden.

Zweckmäßigerweise wird die gewünschte Sauerstoffanreicherung des Wassers durch die Umwälzgeschwindigkeit des Wassers festge­ legt. Anhand der physikalisch/chemisch bedingten Permeabili­ tätsrate von Sauerstoff in Wasser und dem tatsächlichen Sätti­ gungsgrad des Schmutzwassers kann die optimale Umwälzgeschwin­ digkeit des Wassers ermittelt und über die Umwälzpumpe einge­ stellt werden.

Der gewünschte Sauerstoffgehalt des Wassers wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in Abhängigkeit von den Belastungswerten des Wassers, dem Regelvolumen und der Regel­ geschwindigkeit durch die Sauerstoffeintragsrate und die Ver­ weildauer des Schmutzwassers in dem Kreislauf festgelegt. Dabei wird die Wasserqualität in dem Umwälzkreislauf zweckmäßiger­ weise durch Meßeinrichtungen regelmäßig überwacht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das mit Sauerstoff angereicherte Wasser durch zuzuführendes, unge­ klärtes Wasser aus dem Umwälzkreislauf herausgedrückt. Die Vermischungseffekte zwischen dem ungeklärten und dem bereits mit Sauerstoff angereicherten Wasser sind hierbei vernach­ lässigbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt mit einem Reaktor durchführbar, welcher ein Rohr mit einer Zufuhrleitung und einer Auslaßleitung, einen in dem Rohr angeordneten Membran­ schlauch, in den Sauerstoff über eine Sauerstoffzufuhrleitung einbringbar ist, und eine Umwälzpumpe aufweist.

Um das Wasser in dem Kreislauf umwälzen zu können, sind die Zufuhrleitung und die Auslaßleitung des Rohres zweckmäßiger­ weise durch Ventile verschließbar.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors wird der Membranschlauch durch ein Stützkorsett mittig in dem Rohr gehalten. Dadurch wird ein gleichmäßiger Sauer­ stoffeintrag über den gesamten Schlauchumfang ermöglicht und gleichzeitig der Schlauch zuverlässig in dem Rohr gehalten.

Soll eine große Menge an Abwasser mit Sauerstoff angereichert werden, so ist in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorge­ sehen, daß in modulartiger Bauweise mehrere Rohre nebeneinander angeordnet sind. Abhängig von der zu klärenden Abwassermenge kann der Reaktor somit beliebig vergrößert bzw. verkleinert werden und platzsparend den Bedürfnissen angepaßt werden.

Das Wasser wird in einem geschlossenen Rohrkreislauf gehalten, so daß keinerlei Geruchsbelästigungen für die Umgebung auf­ treten. Aufgrund der modularen Bauweise kann der Fließbett- Reaktor in mobilen Einheiten (z. B. in einem Container) trans­ portiert und installiert werden.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbe­ ziehung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reaktors und

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Der in der Zeichnung dargestellte Fließbett-Reaktor 1 , nach­ folgend kurz "Reaktor" genannt, besteht im wesentlichen aus einem wasserdichten Rohr 2, in welches durch eine Zufuhrleitung 3 Wasser, insbesondere zu klärendes Abwasser, eingespeist wird, das über eine Auslaßleitung 4 wieder abgeführt wird. Die Zu­ fuhrleitung 3 und die Auslaßleitung 4 sind über Ventile 5 und 6 verschließbar.

In dem Rohr 2 ist ein Membranschlauch 7, bspw. aus Silikon­ kautschuk, angeordnet, der über ein Stützkorsett 8 (vgl. Fig. 2) mittig in dem Rohr 2 gehalten wird. Der Membranschlauch 7 kann mit einem Metallgeflecht armiert sein, um dem breiartigen Silikon einen ausreichenden Halt zu gewähren; er kann aber auch mit einer Kunststoffarmierung, wie sie in der DE 36 08 668 beschrieben ist, ausgestattet sein. Es können aber auch be­ liebige andere geeignete Membranschläuche verwendet werden.

Dem Membranschlauch 7 wird über eine Sauerstoffzufuhrleitung 9 Sauerstoff zugeführt, welcher durch die Poren des Membran­ schlauchs 7 in das Wasser hineindiffundiert.

In dem Rohr 2 ist eine Pumpe 10 angeordnet, mit welcher das Wasser in dem Rohr 2 umgewälzt wird. Außerdem können dem Reaktor 1 (nicht dargestellte) Meßeinrichtungen zugeordnet sein, mit welchen die Wasserqualität überwacht werden kann.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Reaktors 1 beschrieben:

Durch die Zufuhrleitung 3 wird Abwasser bspw. aus einer Druck­ rohrleitung in das Rohr 2 des Reaktors 1 eingespeist, bis das Rohr 2 vollständig mit Abwasser gefüllt ist. Nun wird das Ventil 5 geschlossen und das Wasser wird mittels der Pumpe 10 in dem Rohrsystem umgewälzt.

Der dem Membranschlauch 7 über die Sauerstoffzufuhrleitung 9 zugeführte Sauerstoff diffundiert daher durch die Silikon­ kautschuk-Membran in das Wasser. Da die Länge der Kreislauf­ strecke und das Volumen des mit Sauerstoff anzureichernden Wassers festliegt, können die Regelparameter Umwälzgeschwindig­ keit des Wassers, Sauerstoffzufuhrrate und Verweildauer des Wassers in dem Rohr 2 derart ermittelt und eingestellt werden, daß ein gewünschter Sauerstoffgehalt des Wassers zuverlässig erreichbar ist. Zusätzlich können in dem Reaktor 1 Meßein­ richtungen vorgesehen sein, um die Wasserqualität während des Prozesses zu überwachen.

Ist der gewünschte Sauerstoffgehalt erreicht, so wird das Ventil 6 geöffnet und das mit Sauerstoff angereicherte Wasser aus dem Rohr 2 abgelassen und durch neues ungeklärtes Abwasser ersetzt. Auf einfache Weise kann dies dadurch geschehen, daß sowohl das Ventil 5, als auch das Ventil 6 geöffnet werden und somit das im Rohr 2 befindliche aufbereitete Wasser durch das über die Zufuhrleitung 3 eingespeiste Schmutzwasser aus dem Rohr 2 herausgedrückt wird. Die Vermischungseffekte zwischen dem mit Sauerstoff angereicherten und dem ungeklärten Wasser sind dabei vernachlässigbar.

Um eine größere Abwassermenge mit Sauerstoff anzureichern, können mehrere Rohre 2 modulartig nebeneinander angeordnet werden. Dabei kann ein Anbausystem, ähnlich wie bei Heizkörper­ rippen, entstehen.

Mit dem Reaktor 1 läßt sich der Sauerstoffeintrag in das Ab­ wasser genau regeln, wobei durch eine optimale Einstellung der o.g. Regelparameter eine sehr hohe Effizienz erreichen läßt. Durch den geschlossen Kreislauf in dem Rohr 2 werden Geruchsbe­ lästigungen der Umwelt verhindert, so daß der Reaktor 1 auch nahe an zu entsorgenden Gemeinden und Unternehmen installiert werden kann. Durch den modularen Aufbau des Reaktors 1 kann dieser leicht transportiert und daher flexibel eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

 1 Reaktor
 2 Rohr
 3 Zufuhrleitung
 4 Auslaßleitung
 5 Ventil
 6 Ventil
 7 Membranschlauch
 8 Stützkorsett
 9 Sauerstoffzufuhrleitung
10 Pumpe

Claims (12)

1. Verfahren zur Anreicherung von wäßrigen Medien mit Gas, insbesondere mit Sauerstoff, wobei das Gas aus einem gasper­ meablen Membranschlauch in das wäßrige Medium hineindif­ fundiert, dadurch gekennzeichnet, daß das wäßrige Medium einem geschlossenen Kreislauf zugeführt wird, in welchen auch das Gas, insbesondere der Sauerstoff eingebracht wird, daß das wäßrige Medium in dem geschlossenen Kreislauf solange gehalten wird, bis insbesondere ein gewünschter Sauerstoffgehalt er­ reicht ist, und daß das wäßrige Medium dann aus dem geschlos­ senen Kreislauf abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das wäßrige Medium mittels einer Pumpe in dem geschlossenen Kreis­ lauf umgewälzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Sauerstoffanreicherung des wäßrigen Mediums durch die Länge der Kreislaufstrecke festgelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Sauerstoffanreicherung des wäßrigen Mediums durch das Verhältnis von Membranschlauchvolumen und Kreislauf­ volumen festgelegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gewünschte Sauerstoffanreicherung des wäßrigen Mediums durch die Umwälzgeschwindigkeit des wäßrigen Mediums festgelegt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gewünschte Sauerstoffanreicherung des wäßrigen Mediums durch die Sauerstoffeintragrate festgelegt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gewünschte Sauerstoffanreicherung des wäßrigen Mediums durch die Verweildauer des wäßrigen Mediums in dem Kreislauf festgelegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das mit Sauerstoff angereicherte wäßrige Medium durch zuzuführendes, ungeklärtes wäßriges Medium aus dem Umwälzkreislauf herausgedrückt wird.

9. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein einen geschlossenen Kreislauf bildendes Rohr (2) mit einer Zufuhrleitung (3) und einer Auslaßleitung (4) , einen in dem Rohr (2) angeordneten Membranschlauch (7), in den Sauerstoff über eine Sauerstoff­ zufuhrleitung (9) einbringbar ist, und eine Pumpe (10).

10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (3) und die Auslaßleitung (4) durch Ventile (5, 6) verschließbar sind.

11. Reaktor nach Anspruch 9 oder 1 0, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranschlauch (7) durch ein Stützkorsett (8) mittig in dem Rohr (2) gehalten wird.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Rohre (2) modulartig nebeneinander angeordnet sind.