DK168684B1 - Fremgangsmåde til oxygenberigelse af en væske samt reaktor til brug ved fremgangsmåden - Google Patents

Description

i DK 168684 B1

Teknisk område

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til oxygenberigelse af en væske, såsom vand, hvor væsken gennem et indløb med en eller flere åbninger indføres ved en opretstående 5 reaktors top, oxygenholdig gas indføres i reaktoren ved dennes bund og oxygenberiget væske udtages fra bunden, samt en reaktor til brug ved fremgangsmåden.

Teknisk baggrund

Oxygenberigelse af væsker, navnlig vand, er af stor interesse 10 på forskellige tekniske områder. Et eksempel er anvendelse inden for dambrugserhvervet, hvor der stilles store krav til produktiviteten, herunder at sikre en høj foderudnyttelse under hele vækstsæsonen. Dette kan opnås ved at sikre en tilstrækkelig oxygenkoncentration i produktionsdammene, og erfa-15 ringen viser, at oxygenindholdet ved produktionsdammenes udløb skal holdes over 7 mg/1, hvilket i praksis kun kan gennemføres ved at tilføre oxygen, fortrinsvis rent oxygen.

De nye fodertyper, der anvendes inden for dambrug, muliggør noget nær optimale vækstbetingelser, en god kødkvalitet og 20 hensyntagen til miljøet. Der er imidlertid andre faktorer end foderet, der er væsentlige for produktionen.

En god vandkvalitet er en forudsætning for fiskenes trivsel og sundhedstilstand. Vandets oxygenindhold er en meget afgørende faktor for vandkvaliteten.

25 Fiskene forbruger oxygen til bevægelse og til at optage og omsætte næringsstofferne. Oxygenbehovet afhænger af vandtemperaturen, vandstrømmen, fiskestørrelsen og fodersammensætning. Ved maksimal fodring udgør behovet f .eks. 0,45 kg oxygen pr. kg foder. Forbruget er størst under og i de første timer 30 efter fodringen.

DK 168684 B1 2

Undersøgelser i forsøgsdambrug af oxygenkoncentrationens betydning ved opdræt af regnbueørreder har vist, at den optimale tilvækst og foderudnyttelse opnås, hvis oxygenkoncentrationen i produktionsdammenes udløb holdes over 7 mg/1. Under sådanne 5 betingelser bliver fiskene også mindre stressede, og der er mindre risiko for udbrud af sygdomme. En reduktion i oxygenkoncentrationen fra 7 mg/1 til 6 mg/1 medfører en stigning i foderforbruget på 19% og en yderligere reduktion til 5 mg/1 medfører en stigning i foderforbruget på 44%. Denne nedsatte 10 udnyttelse indebærer henholdsvis 19% og 50% nedsat tilvækst ved maksimal fodring og således nedsat produktion sammenlignet med situationen, hvor der er rigelige mængder oxygen til stede. Mange dambrugere er om sommeren nødt til at begrænse fodringen på grund af for lille vandføring eller i virkeligheden 15 mangel på oxygen.

Den oxygenmængde, der kan tilføres produktionsdammene, bestemmes af vandmængden og oxygenkoncentrationen i fødevandet. Dambrugeren har sjældent mulighed for at forøge vandmængden, men der er mulighed for inden for økonomisk acceptable rammer 20 at styre oxygenkoncentrationen og dermed oxygentilbudet til fiskene.

Hvis man ønsker at opretholde en oxygenkoncentration i produktionsdammenes udløb på over 7 mg/1 og dermed give fiskene optimale vækstbetingelser, er det nødvendigt at holde oxygen-25 koncentrationen i fødevandet på 10 - 14 mg/1 afhængigt af vandmængde, fiskestørrelse, besætning og fodersammensætning.

Dette kan i praksis kun gennemføres ved at tilføre oxygen-beriget gas, fortrinsvis rent oxygen, til fødevandet, da vand ved oxygenberigelse med atmosfærisk luft (piskere, propelbe-30 fugtere og lignende) i praksis ikke kan bringes over 8 mg/1.

Der findes flere reaktorer på markedet til oxygenberigelse af vand til dambrug, f .eks. HEDOX-T og HEDOX-TK, der begge er udformede som koniske reaktorer, der giver en nedadrettet vand DK 168684 B1 3 strøm med stor hastighed i reaktorens top, hvorved oxygenbobler låses inde i reaktoren. HEDOX-T og HEDOX-TK markedsføres af Hede Nielsen A/S, Horsens, Danmark.

HEDOX-T er udformet som en opad tilspidset kegle, som nedgra-5 ves i en brønd, vandet tilfødes foroven fra en fødekanal og strømmer ud forneden i brønden, hvis overløb fører til dambrugets bassiner. Rent oxygen indføres forneden gennem diffuso-rer. HEDOX-T kræver til vandgennemstrømningen en beskeden niveauforskel på 10-20 cm mellem det indstrømmende og det 10 udstrømmende vand og kan således fungere uden strømforbrug. Med denne reaktor kan der opnås en koncentrationsforøgelse på 3-4 mg/1. En sådan koncentrationsforøgelse er dog ikke altid tilstrækkelig. Desuden er installationsomkostningerne væsentlige, da det normalt er nødvendigt at grave en dyb og bred 15 brønd til reaktorens placering.

HEDOX-TK er forsynet med pumpe, således at den kegleformede reaktor kan placeres over jorden. HEDOX-TK anvendes normalt sammen med en trykforøgerpumpe, der leverer det nødvendige driftstryk på 10-20 mVS (98 - 196 kPa) til opløsning af til-20 ført oxygen. Gasformigt oxygen doseres fra et forsyningsanlæg til en diffusor på pumpens trykside, hvor der dannes oxygenbobler, som følger med vandet ind i reaktoren, hvor oxygenet opløses med en virkningsgrad på 80-95% af det tilførte oxygen. Den kegleformede reaktors dimensioner bestemmes ud fra vand-25 mængden, mens pumpetrykket er bestemmende for oxygenkoncentrationen i den behandlede delstrøm og dermed i fødekanalen, hvor koncentrationen let kan øges til 13-14 mg/1. Med denne reaktor kan der opnås en større forøgelse af oxygenkoncentrationen, da reaktoren arbejder under tryk, men normalt oxygenberiges kun 30 en delstrøm af den samlede vandmængde. Da reaktoren er forsynet med pumper er anlægget forholdsvis dyrt i anskaffelse, og driftsomkostningerne er forøget, da der kræves et elforbrug til pumperne. Et mere alvorligt problem ved elbaseret drift er imidlertid, at strømafbrydelser vil være katastrofale for 35 fiskenes liv.

DK 168684 B1 4

Fra DE offentliggørelsesskrift nr. 3210493 kendes en modstrømsreaktor til oxygenberigelse af vand, især til brug i dambrug, hvor reaktoren indeholder kugler som væskefilmfor-øgende materiale. Også denne kendte reaktor kræver imidlertid 5 anvendelse af pumper.

Der er således behov for en fremgangsmåde og en reaktor til oxygenberigelse af væsker, såsom vand, som kan sikre en effektiv oxygenberigelse, og som kan arbejde ved en beskeden trykforskel, således at der er mulighed for at arbejde uden pum-10 per, dersom der haves en passende niveauforskel.

Kort beskrivelse af opfindelsen

Dette opnås med en fremgangsmåde til oxygenberigelse af en væske, såsom vand, hvor væsken indføres ved en opretstående reaktors top gennem et indløb med en eller flere åbninger, 15 oxygenholdig gas indføres i reaktoren ved dennes bund og oxy-genberiget væske udtages ved bunden, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved at åbningens eller åbningernes størrelse er dimensioneret i forhold til væsken, således at væskehastigheden forhindrer eller væsentligt reducerer strømning af oxygen 20 i modsat retning, at overskydende oxygen og andre gasarter udtages gennem et gasudtag, der ligger i et niveau under indløbets åbninger, men over stedet for gasindførsel, idet væskestrømmen og oxygentilførslen er indstillet på en sådan måde, at der mellem indløbsåbningerne og gasudtaget dannes en gas-25 kammerzone, og at gaskammerzonen er helt eller delvis opfyldt med et vandfilmforøgende materiale.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen opnås en væsentligt forbedret oxygenoptagelse sammenlignet med det, der kan opnås med den ovenfor beskrevne HEDOX-T, der ligeledes kan arbejde 30 ved en beskeden trykforskel og således normalt ikke kræver brug af pumper til forøgelse af vandtrykket. Denne forbedrede effektivitet fremgår af, at det er muligt at hæve vandets indhold af opløst oxygen med 20-25 mg/1 ved en udnyttelsesgrad på DK 168684 B1 5 ca. 70-80% af den tilsatte oxygenmængde. Denne forbedrede effektivitet kan antageligvis tilskrives den fordelagtige kombination, hvor vandet udover at strømme i modstrøm med oxygenbobler på samme måde som ved den kendte reaktor, også passerer 5 en gaskammerzone, hvor vandet kan bringes til at risle med en stor kontaktflade til den omgivende oxygenrige atmosfære. Hvor kendte reaktorer i det væsentlige må betragtes som værende fuldstændigt vandfyldte ved drift, kan man med reaktoren og fremgangsmåden ifølge opfindelsen etablere en zone, hvor reak-10 toren nærmest fungerer som en konventionel absorptionskolonne. Denne funktion forbedres yderligere ved, at en zone af gaskammerzonen er opfyldt med et materiale, der virker vandfilmforøgende som følge af et stort overfladeareal, med andre ord et konventionelt fyldlegeme af den art, der er velkendt i konven-15 tionelle absorptionskolonner.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan med fordel gennemføres i en reaktor i form af en opretstående beholder med indløb for væsken ved reaktorens top, indgang for oxygenholdig gas ved reaktorens bund og udløb for oxygenberiget væske ved reakto-20 rens bund, hvilken reaktor er ejendommelig ved, at indløbet for væsken er udformet med en eller flere åbninger, der giver reduceret strømningstværsnit på 3-30% i forhold til reaktorens gennemstrømningstværsnit, at reaktoren er forsynet med et gasudtag, der ligger lavere end indløbet og højere end indgangen 25 for oxygenholdig gas, og at der i området mellem indløbet for væske og gasudtaget er en zone (26), der er helt eller delvis fyldt med vandfilmforøgende materiale.

Detaljeret beskrivelse af opfindelsen

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvender man sædvanlig-30 vis en reaktor, der er opbygget af et cylinderformet højt rør med vandindgang i top og udgang i bund. Højden vil typisk være mellem 1,5 og 4 m, f.eks. mellem 1,75 m og 3 m især omkring 2 m. Diameteren bestemmes af den ønskede vandmængde, der skal oxygenberiges. Typisk kan diameteren være 0,25 - 1 m. Til DK 168684 B1 6 driften kræves et beskedent overtryk på vandets indgangsside, f .eks. det der fremkommer ved en niveauforskel mellem vandtilgang og vandafgang. Sædvanligvis vil det være tilstrækkeligt med en niveauforskel på mindst ca. 25 cm mellem indløbet og 5 udløbet. Dette kan sædvanligvis etableres ved anvendelse af et stigbord. Dersom man i forbindelse med dambrug er nødt til at recirkulere vandet, kan man etablere et vandreservoir, hvori det ønskede vandspejl kan etableres ved anvendelse af pumper.

Et sådant reservoir kan have en tilstrækkelig kapacitet, såle-10 des at man kan sikre den nødvendige niveauforskel under kortvarigt strømsvigt og dermed undgå risiko for fiskedød.

Øverst i reaktoren er anbragt en hulplade, hvorigennem det tilførte vand strømmer. Hullernes areal tilpasses den aktuelle vandmængde, således at vandet opnår en tilstrækkelig høj ned-15 adrettet hastighed, hvorved man forhindrer det underliggende gasformige oxygen i at forlade reaktoren op gennem pladens huller. I praksis opnås dette sædvanligvis, dersom indløbets, dvs. hullernes, samlede strømningstværsnit er 2-40, fortrinsvis 3-30, særligt foretrukket 5-20%, af reaktorens strøm-20 ningstværsnit, dvs. den cylindriske reaktors indre tværsnit.

Højden mellem hulpladen og oxygenindgangen vil typisk være mellem 1 og 2 m, især omkring 1,5 m.

Under hulpladen er der som det vandfilmforøgende materiale sædvanligvis anbragt fyldlegemer af konventionel type for at 25 sikre et så stort kontaktfladeareal mellem vand og oxygen i gaskammerzonen som muligt. I fyldlegemezonen vil vandet risle nedad i en oxygenrig atmosfære. Fyldlegemernes overfladeareal vil typisk udgøre mindst 50 m2 pr. m3, fortrinsvis mindst 200 m2 pr. m3 og særligt foretrukket mindst 300 m2 pr. m3. Det vil 30 typisk til anvendelse i dambrug ligge omkring 400 m2 pr. m3.

Reaktoren er forsynet med et afgasningsrør, der kan justeres i højden. Da reaktoren ikke kan sikre en kvantitativ opløsning af alt det tilsatte oxygen, vil det være nødvendigt løbende at DK 168684 B1 7 aflufte en vis mængde oxygen sædvanligvis sammen med fortrængt nitrogen fra fødevandet, dersom der skal holdes et konstant gasvolumen i reaktoren.

Med fremgangsmåden og reaktoren ifølge opfindelsen har det 5 vist sig muligt at hæve vandets indhold af opløst oxygen med op til 20-25 mg oxygen pr. 1 ved en udnyttelsesgrad på ca. 80% af den tilsatte oxygenmængde. I forhold til den kendte reaktor HEDOX-T, kan reaktoren ifølge opfindelsen udformes med en beskeden højde og beskeden diameter, hvilket sikrer en let 10 montage. Det er således ikke som for HEDOX-T nødvendigt at udgrave en meget bred forholdsvis dyb brønd, der skal udstøbes eller på anden måde funderes ved nedsænkning af betonrør, hvilket ofte giver vanskeligheder på grund af den høje grundvandstand tæt ved vandløb, og således kræver besværlig oppump-15 ning af vand under montagearbejdet.

Dersom der skal behandles større vandmængder, kan man montere flere reaktorenheder parallelt i fødekanalen i forbindelse med et stigbord eller i forbindelse med eksisterende pumper i tilfælde, hvor der anvendes returpumpning.

20 Trykfaldet over reaktoren er beskeden og ligger sædvanligvis i området 0,01-0,15 bar (1 - 15 kPa).

Reaktoren ifølge opfindelsen illustreres nærmere i forbindelse med den på figuren viste udførelsesform for en reaktor beregnet til anvendelse i forbindelse med konventionelt dambrug.

25 Den på figuren viste reaktor omfatter en cylinderformet beholder 2. Beholderen har foroven en åbning 4 til indstrømning af fødevand fra et vandløb, vandreservoir eller lignende, hvis vandspejl er angivet med den punkterede linie 6. Under åbningen 4 er placeret en hulplade 8, der fungerer som indløbet til 30 den egentlige reaktor. Fra en ikke vist trykbeholder tilføres ren oxygen 10 gennem et rør 12 til en diffusor 14, som er placeret i beholderens nedre ende.

DK 168684 B1 8

Under diffusoren er et udløb 16, hvorigennem oxygenberiget vand udledes til det ønskede modtagerreservoir, hvis vandspejl er angivet med den punkterede linie 18. Ofte er reaktorens nedre ende nedgravet i fødevandløbets eller modtagerreservoi-5 rets bund 20 eller på et sted imellem disse.

I et niveau, der ligger under hulpladen 8 men over diffusoren 14, er placeret et gasudtag 22 tilsluttet et rør 24, som leder overskydende oxygen og fortrængt nitrogen og andre gasser fra fødevandet ud til atmosfæren. I området mellem hulpladen 8 og 10 gasudtaget 22 findes en zone 26 fyldt med vandfilmforøgende materiale, f.eks. i form af konventionelle fyldlegemer, som f.eks. riste, ringe, porøse materialer eller andre strukturer, såsom porøse væv, f.eks. af mineraler eller plast.

Hullerne i hulpladen er dimensioneret således, at der med en 15 given vandstrøm opnås en tilstrækkelig høj vandhastighed gennem hullerne, således at oxygenbobler, der fra diffusoren stiger opad, ikke kan passere hulpladen, men medrives af den kraftige nedadrettede vandstrøm. Herved dannes der i området under hulpladen en gaskammerzone. Gaskammerzonens nedre af-20 grænsning kan reguleres ved hjælp af gasudtagets 22 niveau.

Ved at regulere gaskammerzonens niveau kan udnyttelsesgraden af det tilførte oxygen og tilvæksten i oxygenindhold i vandet reguleres efter behov. Dersom der behøves en høj tilvækst af oxygen i vandet må oxygenkoncentrationen i gaskammer zonen være 25 så høj som mulig, og det er vigtigt, at der sikres en tilstrækkelig udluftning af fortrængt nitrogen. Dette kan kun lade sig gøre, dersom man samtidig udlufter en del oxygen, hvorved udnyttelsesgraden forringes.

Dersom der haves en tilstrækkelig niveauforskel mellem modta-30 gerreservoirets vandspejl 18 og fødevandets vandspejl 6, vil reaktoren kunne fungere uden brug af pumper.

I reaktoren dif funderer frie oxygenmolekyler ind i vandet, der DK 168684 B1 9 i fyldlegemezonen risler ned gennem en oxygenatmosfære for efterfølgende at blive gennemboblet i modstrøm med bobler af ren oxygen.

Gaskammerzonen opretholdes ved at sikre en passende balance 5 mellem de forskellige materialestrømme, som igen afhænger af: a) forholdet mellem indløbets strømningstværsnit, dvs. det samlede tværsnit for hulpladens 8 huller og reaktorens tværsnit t, b) niveauforskellen mellem vandspejlene for fødevand 6 og 10 modtagerreservoir 18, og c) tilført oxygenmængde.

Fremgangsmåden og reaktoren ifølge opfindelsen kan naturligvis også bruges til andre opgaver, hvor vand skal beriges med oxygen. Som eksempel kan nævnes oxygenering af spildevand 15 eller behandling af drikkevand. Man kan også anvende fremgangsmåden i forbindelse med restituering af søer og vandløb, der lider af oxygenmangel.

Eksempel Nærværende eksempel belyser oxygenberigelse af vand til dam-20 brug under anvendelse af en reaktor som vist på figuren. Den anvendte reaktor er fremstillet af glasfiber og har en diameter på 750 mm og en højde på 2000 mm, og afstanden mellem hulpladen og diffusoren er ca. 1500 mm.

Hulpladen er fremstillet af søvandsbestandig aluminium og 25 hullernes samlede tværsnitsareal er 15% af reaktorens indre tværsnitsareal. Som fyldmateriale anvendes en kombination af "Bionet" 200 og "Bionet" 300, hvilket giver et overfladeareal på ca. 400 m2 pr. m3. "Bionet" leveres af Exponet, Hjørring, Danmark, og består af et groft vævet acrylmateriale, der er

Claims (7)

1. Fremgangsmåde til oxygenberigelse af en væske, såsom vand, hvor væsken indføres ved en opretstående reaktors top gennem et indløb med en eller flere åbninger, oxygenholdig gas indføres i reaktoren ved dennes bund og oxygenberiget væske udtages ved dens bund, kendetegnet ved, at åbningens eller 20 åbningernes størrelse er dimensioneret i forhold til væsken, således at væskehastigheden forhindrer eller væsentligt reducerer strømning af oxygen i modsat retning, at overskydende oxygen og andre gasarter udtages gennem et gasudtag, der ligger i et niveau under indløbets åbninger, 25 men over stedet for gasindførsel, idet væskestrømmen og oxygentilførslen er indstillet på en sådan måde, at der mellem indløbsåbningerne og gasudtaget dannes en gaskammerzone, og at gaskammer zonen er helt eller delvis opfyldt med et vand-filmforøgende materiale.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den oxygenholdige gas er ren oxygen. DK 168684 B1

3. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at væsken er vand til anvendelse i dambrug.

4. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående 5 krav, kendetegnet ved, at opholdstiden for væsken i reaktoren er mindst 10 sekunder, fortrinsvis mindst 15 sekunder.

5. Reaktor til oxygenberigelse af en væske i form af en opretstående beholder (2) med indløb (8) for væsken ved reakto- 10 rens top, indgang (14) for oxygenholdig gas ved reaktorens bund og udløb (16) for oxygenberiget væske ved reaktorens bund, kendetegnet ved, at indløbet (8) for væsken er udformet med en eller flere åbninger, der giver et reduceret strømningstværsnit på 3-30% i forhold til reaktorens 15 strømningstværsnit (t), at reaktoren er forsynet med et gasudtag (22) , der ligger lavere end væskeindløbet og højere end indgangen (14) for oxygenholdig gas, og at der i området mellem indløbet for væske og gasudtaget er en zone (26), der er helt eller delvis fyldt med et vandfilmforøgende materiale.

6. Reaktor ifølge krav 5, kendetegnet ved, at gasudtaget (22) er indstilleligt i højden.

7. Reaktor ifølge krav 5, kendetegnet ved, at det vandf ilmf orøgende materiale har et overfladeareal på mindst 50 2 3 trr pr. trr . 25