EP1337476A1 - Verfahren zur trennung von gas, wasser und biomasse und dreiphasentrennsystem - Google Patents

Verfahren zur trennung von gas, wasser und biomasse und dreiphasentrennsystem

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EP1337476A1
EP1337476A1 EP01993587A EP01993587A EP1337476A1 EP 1337476 A1 EP1337476 A1 EP 1337476A1 EP 01993587 A EP01993587 A EP 01993587A EP 01993587 A EP01993587 A EP 01993587A EP 1337476 A1 EP1337476 A1 EP 1337476A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
phase separation
separation system
biogas
biomass
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01993587A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Brockmann
Angelika Kraft
Peter Datschewski
Ferdinand Klegraf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BROCKMANN, MARTIN
Original Assignee
VA Tech Wabag Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by VA Tech Wabag Deutschland GmbH filed Critical VA Tech Wabag Deutschland GmbH
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Publication of EP1337476A1 publication Critical patent/EP1337476A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C02F3/2846—Anaerobic digestion processes using upflow anaerobic sludge blanket [UASB] reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/18—Flow directing inserts
    • C12M27/20—Baffles; Ribs; Ribbons; Auger vanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/24—Recirculation of gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M33/00—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus
    • C12M33/22—Settling tanks; Sedimentation by gravity
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a method for separating gas, water and biomass in a sludge bed reactor according to the preamble of claim 1 and a three-phase separation system according to the preamble of claim 6.
  • organic wastewater constituents are cleaned by agglomerated and fluidizable microorganisms.
  • the agglomerates of the biomass form - in the non-fluidized state - a sludge bed in the bottom area of the reactor, into which the waste water to be treated is mixed.
  • a three-phase separation system is used to hold biomass in the process above the sludge bed and to treat treated wastewater and the biogas formed during fermentation separately from the process.
  • liquid namely the wastewater to be treated
  • solids namely the biomass present as agglomerated sludge and also particles introduced with the feed
  • gas namely the degradation product biogas, which is a mixture mainly of methane and carbon dioxide.
  • Anaerobic cleaning processes are advantageously carried out in sludge bed reactors, so-called UASB reactors (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).
  • the waste water is mixed in such a reactor in the bottom area of the sludge bed.
  • a UASB reactor is known for example from EP 244 029 B1 or EP 808 805 A1.
  • the invention also relates to this type of reactor.
  • the biomass is usually present in a sludge bed reactor in the form of a mixture which is composed of spherical or ellipsoidal agglomerates of microorganisms and also of fluffy fine sludge, the diameters of the agglomerates being around 1-5 mm.
  • Precipitation products contribute to the formation of the agglomerates.
  • the density of the agglomerates is greater than that of the water, which is why a sedimentation bed forms in the bottom area of the reactor.
  • the biogas produced when organic wastewater constituents are broken down forms bubbles that form in the Move the mud bed upwards.
  • the bubbles initially adhere to the agglomerates until they become detached from them due to shear stresses and / or a sufficient size.
  • the ascent rate of the bubbles is determined by their size, which are also determined by the pressure conditions in the bottom area of the reactor. Overall, the bubble ascent rate is so high that the biomass is fluidized and a floating bed can form. This floating bed has a relatively lower proportion of biomass than a sludge bed and thus occupies a larger volume than this.
  • a certain amount of biogas can be generated from the added cargo of organic waste water constituents.
  • a certain part of the sludge bed is fluidized by the rising gas bubbles and is present as a floating bed, with a portion of the agglomerates also being inflated by adhering gas bubbles.
  • Sludge bed reactors contain three-phase separation systems with which biogas, treated wastewater and biomass can be separated.
  • Three-phase separation systems can be designed differently depending on the weighting of the different tasks.
  • the biogas can either be contained in gas hoods or diverted to the reactor head through baffles. This ideally ensures that no gas bubbles and no gas-laden sludge get into the area of the gutters.
  • the essential task of all three-phase separation systems is to achieve the separation of the phases as completely as possible.
  • the difficulty with good three-phase separation is in particular to separate the agglomerates from the attached gas bubbles.
  • Specifically heavier agglomerates can be balanced by the adherence of specifically lighter agglomerates so that the agglomerate containing gas, which does not experience any upward or downward forces in the surrounding water, is carried freely floating by the currents in the water.
  • Such a gas-laden agglomerate can now flow with the flowing waste water around the gas-repellent baffles into the area of the drain channels and be discharged with the drain. This downforce cannot be specifically avoided by the previous separators.
  • the abrasion of biomass should be avoided because, on the one hand, active biomass drags off and, on the other hand, the subsequent treatment stages are unnecessarily burdened by the abrasive solids.
  • the gas separation can only take place with high efficiency if the average rotational speed of the roller reaches a certain minimum speed. Since the roller is driven by the ascent of the released biogas bubbles, there is a direct link to the current load and degradation situation. In principle, the current roller speed can then be assigned to three areas: 1. too slow with low biogas production, 2. in the correct area with biogas production in the design area, 3. too fast with too high biogas production. A roller speed that is too high can lead to excessive shear stresses on the agglomerates. Then not only the adhering gas is separated, sometimes the agglomerates themselves are affected in such a way that they partially or completely break. Overall, development can be initiated through shear stresses of this type are disadvantaged, the larger, spherical agglomerates and small-volume, flaky agglomerates preferred.
  • Wastewater is characterized by changes in composition over time.
  • the compositions are characterized by daily and weekly working hours, cleaning intervals and campaign operations. Even a medium-term load in the design area is characterized by hourly or daily under- or overloading.
  • the process technology known hitherto can only react inadequately to such fluctuations in load, which are subsequently characterized by fluctuations in gas production.
  • the recirculation can be increased in order to increase the inflow speed when the hydraulic load is low.
  • the rotation speed of the liquid roller can be influenced in a targeted manner using the method according to the invention, so that the rotation speed increases with low gas production and the rotation speed decreases with high gas production.
  • the liquid roller prevents a gas siphoning effect from forming over the stack of plates.
  • gas in particular biogas
  • gas bubble arranged to the side of the plate stack. There it rises and accelerates the liquid roller lying horizontally above it.
  • a flow wedge arranged on the underside of the lower plate acts as a stall edge and stabilizes the horizontal liquid roller in such a way that all plates are better used hydraulically.
  • the direction of rotation of the liquid roller is stabilized by the combination of gas introduction and flow separation edge and does not change even under different load conditions.
  • the desired effect can be achieved solely by means of plate stack and flow separation edge without introducing gas.
  • the introduced biogas either comes from the reactor head and is conveyed by a corresponding pump, it can come from separate containers or storage containers, e.g. Nitrogen can be used if sufficient biogas is not yet available.
  • formed biogas is collected under the gas hood in the lower part of the three-phase separation system. This can either be discharged directly into the reactor head, or it can be directed into the gas bubbler via the corresponding position of the valves. When the gas is bubbled in, the roller speed is accelerated in the manner described above.
  • the retention of the biomass is achieved under various load conditions.
  • a portion of the biogas formed is selectively drawn off or added at significant points in the separator.
  • the remaining biogas rises freely to the water surface outside the separator (s) and collects in the area of the reactor head.
  • FIG. 1 shows a side view of a three-phase separation system, in the following briefly separator.
  • Fig. 2 shows the separator from Fig. 1 with vertical internals above the plate stack.
  • FIG. 3 shows the separator from FIG. 2 with further flow directing devices above the plate stacks.
  • the separator is arranged in a closed reactor 1 and essentially consists of a gas hood 2, plate stacks 3, separator plates 4 and channels 5. Above the gas hood 2 there are two plate stacks 3 each consisting of three Plates 6, 7, 8 arranged so that the liquid rising next to the gas hood 2 hits the bottom plate 6, rises along it and is deflected at the upper edge thereof and flows downwards along the plates 6, 7, 8 and the gas hood 2 ,
  • the separator plates 4 are arranged such that their upper end protrudes above the water level 9 of the sludge bed reactor 1.
  • a flow wedge 10 is arranged on the lower plate 6 and works as a tear-off edge and thus brings about better hydraulic utilization of the plate stack 3.
  • the separator plates 4 arranged between the two plate stacks 3 form a flow-free, wedge-shaped separating space which is open at the bottom and into which the water enters from below.
  • the grooves 5 on the water surface are arranged so that the cleaned water collects and can be drained off.
  • a partition 20 can be provided in order to separate the flows in the separation space.
  • the biogas produced in the reactor 1 is partly collected in the gas hood 2, the water level 21 in the gas hood being adjusted in accordance with the amount of gas.
  • the biogas is withdrawn via line 12 and can either be passed via line 18, valve 16 and line 17 through outlet 11 into the reactor head, the amount of gas withdrawn being adjustable.
  • the biogas can be introduced specifically via line 18, valve 15, line 19 and finally line 13 (gas bubbling) to increase the speed of rotation of the liquid roller, the amount of gas supplied also being adjustable.
  • the liquid roller can be supplied with gas from another source via valve 14 and line 19.
  • At least one device 24 for discharging the generated biogas is provided in the reactor head. Except for the lines, the separator is made up of straight elements that extend normally to the drawing plane. Several lines 13 are arranged normal to the plane of the drawing, so that their gas outlets lie on straight lines and allow gas to be supplied in a line. The outlets of the line 13 are close to the reactor wall 1. According to the invention, one or more separators can be arranged on the water surface and parallel to it. The invention makes use of the fact that agglomerates and adhering gas bubbles can be separated from one another in a highly turbulent flow due to their difference in density and the different accelerating forces acting on them.
  • the highly turbulent zone and the sharp-edged deflection are achieved by the constructive arrangement of a stack of parallel plates and the tear-off edge on the lower plate, which must be traversed by the three-phase flow before it enters a calm outlet zone. It is essential that the stack of plates is only used for flow guidance, the flow through the stack is from top to bottom. A certain proportion of the emerging flow reaches the calmed down outlet zone. Part of the flow is led upwards again around the plate stack on a circular path and for the most part plunges back into the plate stack.
  • the plate stack has no function with regard to possible sedimentation.
  • the separator according to the invention is designed such that a roller is developed and stabilized next to or above the stack of plates.
  • the construction of the roller can be supported by further installations which are structurally assigned to the plate stack.
  • An installation of structural components not according to the invention can interfere with the formation of the rollers and under certain circumstances even prevent them.
  • Fig. 2 shows, starting from Fig. 1 above the plate stack 3, aligned with the upper edge of the outer or lower plate 6, a further vertically arranged flat plate 22, which has the function of stabilizing the core of the roller.
  • FIG. 3 shows, starting from FIG. 2, a further flow-directing device 23 above the plate stack 3, which is triangular in cross-section and has the function of supplying rising gas bubbles and outflowing water to the roller in the direction of its rotation.
  • the installation of further baffles and gas hoods, as described in EP 0 808 805 A1, can also support the method according to the invention in combination with the separator according to the invention.

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Abstract

Gezeigt wird ein Verfahren zur Trennung von Gas, Wasser und Biomasse in einem Schlammbettreaktor (1) zur anaeroben Reinigung von Abwasser durch Vergärung organischer Abwasserinhaltstoffe mittels einer fluidisierbaren, Agglomerate enthaltenden Biomasse, wobei über dem Schlammbett mittels Dreiphasentrennsystem einerseits Biomasse im System zurückgehalten, Biogas abgeleitet und behandeltes Abwasser separat aus dem Reaktor abgezogen wird und wobei zumindest eine Flüssigkeitswalze erzeugt wird, sowie ein entsprechendes Dreiphasentrennsystem. Die Drehgeschwindigkeit der Flüssigkeitswalze wird bei Bedarf gesteuert. Dadurch wird erreicht, dass bei unterschiedlichen Belastungen eine ausreichende Trennung von Biogas und Agglomeraten erfolgt und somit eine verbesserte Ablaufqualität erzielt wird.

Description

Verfahren zur Trennung von Gas. Wasser und Biomasse und Dreiphasentrennsystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Gas, Wasser und Biomasse in einem Schlammbettreaktor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Dreiphasentrennsystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 6. In der anaeroben Abwasserreinigung werden organische Abwasserinhaltsstoffe durch agglomerierte und fluidisierbare Mikroorganismen gereinigt. Die Agglomerate der Biomasse bilden - in nicht fluidisiertem Zustand - ein Schlammbett im Bodenbereich des Reaktors, in welches das zu behandelnde Abwasser eingemischt wird. Über dem Schlammbett wird mit einem Dreiphasentrennsystem einerseits Biomasse im Verfahren zurückgehalten und andererseits behandeltes Abwasser sowie das bei der Vergärung gebildete Biogas separat aus dem Verfahren abgezogen. In einem anaeroben Reinigungsverfahren werden die organischen Abwasserinhaltsstoffe durch Vergären abgebaut, soweit sie diesem Prozess zugänglich sind. Dabei wird Biogas gebildet, welches in seiner Menge und dem zeitlichen Anfall vorwiegend von der Konzentration und der Fracht der organischen Abwasserinhaltsstoffe abhängt. Im Reaktor liegen drei Phasen nebeneinander vor:
1. Flüssigkeit, nämlich das zu behandelnde Abwasser,
2. Feststoffe, nämlich die als agglomerierter Schlamm vorliegende Biomasse und auch mit dem Zulauf eingetragene Partikel und 3. Gas, nämlich das Abbauprodukt Biogas, welches ein Gemisch hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid ist.
Anaerobe Reinigungsverfahren werden günstigerweise in Schlammbettreaktoren, sogenannten UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), durchgeführt. Das Abwasser wird in einem solchen Reaktor im Bodenbereich des Schlammbettes eingemischt. Ein UASB Reaktor ist beispielsweise aus EP 244 029 B1 oder der EP 808 805 A1 bekannt. Die Erfindung bezieht sich auch auf diesen Reaktortyp. Die Biomasse liegt in einem Schlammbettreaktor in der Regel in Form eines Gemisches vor, welches sich aus sphärischen oder ellipsoiden Agglomeraten von Mikroorganismen und auch aus flockigem Feinschlamm zusammensetzt, wobei die Durchmesser der Agglomerate rund 1 - 5 mm betra- gen. Neben den Mikroorganismen können auch Fällungsprodukte zum Aufbau der Agglomerate beitragen.
Die Dichte der Agglomerate ist größer als die des Wassers, daher bildet sich durch die Sedimentation ein Schlammbett im Bodenbereich des Reaktors aus. Das beim Abbau der organischen Abwasserinhaltsstoffe produzierte Biogas bildet Blasen, die sich im Schlammbett nach oben bewegen. Die Blasen haften zunächst an den Agglomeraten an, bis sie sich durch Scherbeanspruchungen und/oder eine ausreichenden Größe von diesen lösen. Die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen ist durch ihre Größe bestimmt, die auch durch die Druckverhältnisse im Bodenbereich des Reaktors bestimmt werden. Ins- gesamt ist die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit so hoch, dass die Biomasse fluidisiert wird und sich ein Schwebebett ausbilden kann. Dieses Schwebebett weist einen relativ geringeren Anteil an Biomasse auf als ein Schlammbett und nimmt damit ein größeres Volumen ein als dieses.
Aus der zugegebenen Fracht an organischen Abwasserinhaltsstoffen kann eine be- stimmte Menge Biogas erzeugt werden. In Abhängigkeit von der Menge des Biogases wird ein bestimmter Teil des Schlammbettes durch die aufsteigenden Gasblasen fluidisiert und liegt als Schwebebett vor, wobei ein Anteil der Agglomerate zusätzlich durch anhaftende Gasbläschen auftreibt.
Schlammbettreaktoren enthalten Dreiphasentrennsysteme mit denen sich Biogas, behan- deltes Abwasser und Biomasse voneinander trennen lassen. Dreiphasentrennsysteme können je nach Gewichtung der unterschiedlichen Aufgaben konstruktiv verschieden ausgebildet sein. Das Biogas kann entweder in Gashauben gefasst oder durch Leitbleche zum Reaktorkopf hin abgeleitet werden. Dadurch wird idealerweise erreicht, dass keine Gasblasen und kein gasbehafteter Schlamm in den Bereich der Ablaufrinnen gelangt. Wesentliche Aufgabe aller Dreiphasentrennsysteme ist es, die Trennung der Phasen möglichst vollständig zu erreichen.
Die Schwierigkeit einer guten Dreiphasentrennung besteht insbesondere darin, die Agglomerate von den anhaftenden Gasblasen zu trennen. Spezifisch schwerere Agglomerate können durch die Anhaftung spezifisch leichterer Agglomerate gerade so austariert werden, dass das gasbehaftete Agglomerat, das im umgebenden Wasser kein Auf- oder Abtriebskräfte erfährt, quasi freischwebend vom den Strömungen im Wasser mitgetragen wird. Ein solches gasbehaftetes Agglomerat kann nun mit dem strömenden Abwasser um die gasabweisenden Leitbleche herum in den Bereich der Ablaufrinnen gelangen und mit dem Ablauf ausgetragen werden. Dieser Abtrieb kann durch die bisherigen Abscheider nicht gezielt vermieden werden. Der Abtrieb von Biomasse sollte vermieden werden, weil zum einen aktive Biomasse abtreibt und zum anderen durch die abtreibenden Feststoffe die nachfolgenden Behandlungsstufen in unnötiger Weise belastet werden.
Oftmals wurde versucht, die Strömungsgeschwindigkeit des ablaufenden Wassers weiter zu verringern, um auf diese Weise auch unter den beschriebenen ungünstigen Bedingun- gen einen Absetzvorgang herbeizuführen. Vielfach wurden Parallelplattensysteme eingesetzt, die eine sehr beruhigte Strömungsführung ermöglichen, aber auch hier stellte sich ein langfristiger Erfolg nicht ein.
Ein anderer Lösungsansatz, wie etwa in der EP 808 805 A1 , sieht vor, dass in der Strö- mung Walzenströmungen gebildet werden, sogenannte Flüssigkeitswalzen. Die Strömung erhält ihre Energie aus dem aufsteigenden Biogas. Die fluidisierende Wirkung des Biogases auf das Schlammbett ist wie oben beschrieben allseits bekannt. Dabei werden die Agglomerate vorwiegend durch das Wasser fluidisiert, welches seinerseits durch die aufsteigenden Gasbläschen beschleunigt wird. Jedoch hat sich die dort vorgesehene Ab- Scheidung der Feststoffe als nicht ausreichend herausgestellt. Das Dreiphasengemisch aus Wasser, Agglomeraten und Biogas bildet aufgrund der konstruktiven Ausbildung des Dreiphasentrennsystems in dem wasserführenden Teil des Reaktors mehr oder weniger stabile Walzenströmungen aus. Treibende Kraft einer Walzenströmung ist dabei im Wesentlichen das aufsteigende Biogas. Gemeinsames Kennzeichen dieser Walzen ist eine horizontal ausgerichtete Drehachse.
Es gibt jedoch verschiedene Belastungszustände eines Anaerobreaktors, in denen ein höherer Anteil der oben beschriebenen gasbehafteten Agglomerate gebildet werden. Das sind Zustände, in denen die Konzentration an organischen Abwasserinhaltsstoffen im Reaktor vergleichsweise gering ist. In der Folge ist die Produktion von Biogas verlang- samt oder findet in verringertem Umfang statt. Kleinere Gasbläschen sind die Folge, welche vermehrt an der Oberfläche der sie ausscheidenden Agglomerate haften bleiben und zu den oben beschriebenen Problemen führen.
Die Gasablösung kann aber nur dann mit hoher Effizienz erfolgen, wenn die mittlere Drehgeschwindigkeit der Walze eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit erreicht. Da der Antrieb der Walze durch den Aufstieg der freigesetzten Biogasblasen erfolgt, ist eine direkte Kopplung an die aktuelle Belastungs- und Abbausituation gegeben. Prinzipiell kann dann die aktuelle Walzengeschwindigkeit drei Bereichen zugeordnet werden: 1. zu langsam bei geringer Biogasproduktion, 2. im richtigen Bereich bei einer Biogasproduktion im Auslegungsbereich, 3. zu schnell bei zu hoher Biogasproduktion. Eine zu hohe Walzen- geschwindigkeit kann zu überhöhten Scherbeanspruchungen an den Agglomeraten führen. Dann wird nicht nur das anhaftende Gas abgetrennt, mitunter werden die Agglomerate selbst so in Mitleidenschaft gezogen, dass sie teilweise oder auch ganz zerbrechen. Insgesamt kann durch Scherbeanspruchungen dieser Art eine Entwicklung eingeleitet werden, die größere, sphärische Agglomerate benachteiligt und kleinvolumige, flockige Agglomerate bevorzugt.
Abwasser, insbesondere industrielles Abwasser, ist durch zeitliche Veränderungen in der Zusammensetzung gekennzeichnet. Im industriellen Bereich sind die Zusammensetzun- gen durch tägliche und wöchentliche Arbeitszeiten, Reinigungsintervalle und auch Kampagnenbetriebe geprägt. Auch eine mittelfristige Belastung im Auslegungsbereich ist durch stunden- oder tageweise Unter- bzw. Überlastungen geprägt.
Auf solche Belastungsschwankungen, die in der Folge durch Schwankungen in der Gasproduktion gekennzeichnet sind, kann die bisher bekannte Verfahrenstechnik nur un- zureichend reagieren. Beispielsweise kann die Rezirkulation erhöht werden, um bei geringer hydraulischer Belastung die Aufströmgeschwindigkeit zu erhöhen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren und ein entsprechendes Dreiphasentrennsystem zu schaffen, wo auch bei unterschiedlichen Belastungen eine ausreichende Trennung von Biogas und Agglomeraten erfolgt und somit eine verbesserte Ablaufqualität erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch ein Dreiphasentrennsystem nach Anspruch 6 gelöst.
Insbesondere in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Abscheider kann unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Drehgeschwindigkeit der Flüssigkeitswalze ge- zielt beeinflusst werden, sodass bei geringer Gasproduktion die Drehgeschwindigkeit erhöht sowie bei hoher Gasproduktion die Drehgeschwindigkeit erniedrigt wird. Durch die Flüssigkeitswalze wird verhindert, dass sich über dem Plattenstapel ein Gashebereffekt ausbildet.
Bei einer geringen Gasproduktion und zu geringer Drehgeschwindigkeit kann gemäß ei- ner Ausführungsvariante der Erfindung, Gas, insbesondere Biogas, in eine seitlich des Plattenstapels angeordnete Gaseinperlung geleitet werden. Dort steigt es auf und beschleunigt die waagerecht darüber liegende Flüssigkeitswalze.
Ein an der Unterseite der unteren Platte angeordneter Strömungskeil wirkt als Strömungsabrisskante und stabilisiert die waagerecht liegende Flüssigkeitswalze dahinge- hend, daß alle Platten hydraulisch besser genutzt werden.
Die Drehrichtung der Flüssigkeitswalze ist durch die Kombination von Gaseinbringung und Strömungsabrisskante stabilisiert und schlägt auch bei unterschiedlichen Belastungs- zuständen nicht um. Selbstverständlich kann bei konstanten Verhältnissen im Schlamm- bettreaktor auf eine Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Flüssigkeitswalze verzichtet werden, und daher allein mittels Plattenstapel und Strömungsabrisskante ohne Gaseinbringung der gewünschte Effekt erzielt werden.
Das eingeleitete Biogas stammt entweder aus dem Reaktorkopf und wird durch eine ent- sprechende Pumpe gefördert, es kann aus separaten Gebinden oder Lagerbehältern stammen, weiterhin kann z.B. Stickstoff verwendet werden, wenn noch nicht genügend Biogas zur Verfügung steht. Schließlich wird gebildetes Biogas unter der Gashaube im unteren Teil des Dreiphasentrennsystems aufgefangen. Dieses kann entweder direkt in den Reaktorkopf abgeleitet werden, oder über entsprechende Stellung der Ventile in die Gaseinperlung geleitet werden. Bei der Zuführung zur Gaseinperlung wird die Walzengeschwindigkeit in oben beschriebener Weise beschleunigt.
Wird das gebildete Biogas aber aus der Gashaube direkt in den Reaktorkopf abgeleitet, so steht insgesamt weniger Biogas zur Verfügung und der Flüssigkeitswalze wird Antriebsenergie entzogen, die Drehgeschwindigkeit verringert sich. Bei verringerter Drehge- schwindigkeit reduzieren sich die Scherbeanspruchungen und damit die Kräfte, die an den Agglomeraten wirken.
Mit dem erfindungsgemäßen Dreiphasentrennsystem wird der Rückhalt der Biomasse unter verschiedenen Belastungszuständen erreicht. Dazu wird beispielsweise an signifikanten Stellen des Abscheiders ein Teil des gebildeten Biogases gezielt abgezogen bzw. zugegeben. Das restliche Biogas steigt außerhalb des oder der Abscheider frei an die Wasseroberfläche auf und sammelt sich im Bereich des Reaktorkopfes. Weitere Ausführungen des Dreiphasentrennsystems können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Die Erfindung wird anhand der schematischen Figuren 1 bis 3 beispielhaft beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Dreiphasentrennsystems, im Folgenden kurz Abscheider.
Fig. 2 zeigt den Abscheider aus Fig. 1 mit senkrechten Einbauten über den Plattenstapeln.
Fig. 3 zeigt den Abscheider aus Fig. 2 mit weiteren Strömungslenkenden Einrichtungen über den Plattenstapeln.
Der Abscheider ist in einem geschlossenen Reaktor 1 angeordnet und besteht im Wesentlichen aus einer Gashaube 2, aus Plattenstapeln 3, aus Abscheiderplatten 4 und aus Rinnen 5. Über der Gashaube 2 sind zwei Plattenstapel 3 jeweils bestehend aus drei Platten 6, 7, 8 so angeordnet, dass die neben der Gashaube 2 aufsteigende Flüssigkeit auf die unterste Platte 6 trifft, entlang dieser aufsteigt und an deren Oberkante umgelenkt wird und entlang der Platten 6, 7, 8 bzw. der Gashaube 2 nach unten strömt. Die Abscheiderplatten 4 sind so angeordnet, dass deren oberes Ende über den Wasserspiegel 9 des Schlammbettreaktors 1 ragt.
An der unteren Platte 6 ist ein Strömungskeil 10 angeordnet, der als Abrisskante arbeitet und somit die bessere hydraulische Nutzung des Plattenstapels 3 bewirkt.
Die zwischen den beiden Plattenstapeln 3 angeordneten Abscheiderplatten 4 bilden einen unten offenen strömungsberuhigten keilförmigen Abscheideraum, in den das Wasser von unten eintritt. Die Rinnen 5 an der Wasseroberfläche sind so angeordnet, dass sich darin das gereinigte Wasser sammelt und abgeleitet werden kann. Um die Strömungen im Abscheideraum zu trennen, kann eine Trennwand 20 vorgesehen werden.
Das im Reaktor 1 entstehende Biogas wird zum Teil in der Gashaube 2 gesammelt, wobei sich der Wasserspiegel 21 in der Gashaube entsprechend der Gasmenge einstellt. Das Biogas wird über Leitung 12 abgezogen und kann entweder über Leitung 18, Ventil 16 und Leitung 17 durch Auslass 11 in den Reaktorkopf geleitet werden, wobei die abgezogene Gasmenge einstellbar ist. Andererseits kann über Leitung 18, Ventil 15, Leitung 19 und schließlich Leitung 13 (der Gaseinperlung) das Biogas gezielt zur Erhöhung der Drehgeschwindigkeit der Flüssigkeitswalze eingebracht werden, wobei die zugeführte Gasmenge ebenfalls einstellbar ist. Andererseits kann der Flüssigkeitswalze, falls nicht ausreichend Biogas zur Verfügung steht, über Ventil 14 und Leitung 19 Gas aus einer anderen Quelle zugeführt werden.
Im Reaktorkopf ist zumindest eine Einrichtung 24 zum Ableiten des erzeugten Biogases vorgesehen. Der Abscheider ist, bis auf die Leitungen, aus geraden Elementen aufgebaut, die sich normal zur Zeichenebene erstrecken. Es sind normal zur Zeichenebene mehrere Leitungen 13 angeordnet, sodass deren Gasauslässe auf Geraden liegen und eine linienförmige Beaufschlagung mit Gas ermöglichen. Die Auslässe der Leitung 13 liegen nahe an der Reaktorwand 1. Erfindungsgemäß können ein oder mehrere Abscheider an der Wasseroberfläche und parallel zu dieser angeordnet werden. Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass Agglomerate und anhaftende Gasbläschen in einer hochturbulenten Strömung aufgrund ihres Dichteunterschiedes und der daraus unterschiedlichen angreifenden Beschleunigungskräfte voneinander getrennt werden können.
Erfindungsgemäß werden die hochturbuienten Zone und die scharfkantige Umlenkung durch die konstruktive Anordnung eines Stapels paralleler Platten und der Abrisskante an der unteren Platte erreicht, der von der dreiphasigen Strömung durchquert werden muss, bevor sie in eine beruhigte Ablaufzone eintritt. Es ist wesentlich, dass der Plattenstapel nur zur Strömungsführung eingesetzt wird, die Strömung durch den Stapel erfolgt von oben nach unten. Ein bestimmter Anteil der austretenden Strömung gelangt in die beru- higte Ablaufzone. Ein Teil der Strömung wird um den Plattenstapel herum auf einer Kreisbahn wieder nach oben geführt und taucht zum Großteil wieder in den Plattenstapel ein. Der Plattenstapel hat keine Funktion in Bezug auf eine mögliche Sedimentation.
Der erfindungsgemäße Abscheider ist so konstruiert, dass sich neben bzw. über dem Plattenstapel herum eine Walze entwickelt und stabilisiert wird. Durch weitere Einbauten, die konstruktiv dem Plattenstapel zugeordnet sind, kann die Ausbildung der Walze unterstützt werden. Ein nicht erfindungsgemäßer Einbau konstruktiver Bauteile kann die Walzenbildung stören und unter Umständen sogar unterbinden.
Fig. 2 zeigt ausgehend von Fig. 1 oberhalb der Plattenstapel 3, fluchtend mit der Oberkante der äußeren bzw. unteren Platte 6, jeweils eine weitere senkrecht angeordnete ebene Platte 22, die die Funktion hat, den Kern der Walze zu stabilisieren.
Fig. 3 zeigt ausgehend von Fig. 2 oberhalb der Plattenstapel 3 eine weitere strömungs- lenkende Einrichtungen 23, die dreieckig im Querschnitt ist und die Funktion hat, aufsteigende Gasblasen und abströmendes Wasser der Walze in Richtung ihres Drehsinns zuzuführen. Auch der Einbau weiterer Leitbleche und Gashauben, wie in EP 0 808 805 A1 beschrieben, kann in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Abscheider das erfindungsgemäße Verfahren unterstützen.
In der Kombination erfindungsgemäßer Abscheider und erfindungsgemäßes Verfahren steht eine Technik zur Verfügung, die eine gezielte Regelung des sensitiven Vorganges der Dreiphasentrennung erlaubt. Die Anströmung des Abscheiders ist nicht mehr allein von der Belastungssituation im Reaktor und dem aktuellen Abbauverhalten abhängig. Mit dem Maßnahmen der Gaszuleitung und der Gasabführung können die zur Dreiphasen- trennung notwendigen Scherbeanspruchungen gezielt im optimalen Bereich eingestellt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Trennung von Gas, Wasser und Biomasse in einem Schlammbettreaktor (1) zur anaeroben Reinigung von Abwasser durch Vergärung organischer Ab- wasserinhaltstoffe mittels einer fluidisierbaren, Agglomerate enthaltenden Biomasse, wobei über dem Schlammbett mittels Dreiphasentrennsystem einerseits Biomasse im System zurückgehalten, Biogas abgeleitet und behandeltes Abwasser separat aus dem Reaktor abgezogen wird und wobei zumindest eine Flüssigkeitswalze erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit der Flüssigkeitswalze bei Bedarf gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit durch Gaseinleitung (13) in Strömungsrichtung der Flüssigkeitswalze erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit durch Einleiten von mit dem Dreiphasentrennsystem gesammeltem Bio- gas (13) erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit durch Abziehen von Biogas unterhalb der Flüssigkeitswalze verringert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung der Flüssigkeitswalze um einen Plattenstapel geführt wird und zur besseren hydraulischen Nutzung des Plattenstapels vom Plattenstapel abgelöst wird.
6. Dreiphasentrennsystem zur Trennung von Gas, Wasser und Biomasse in einem Schlammbettreaktor (1) zur anaeroben Reinigung von Abwasser durch Vergärung organischer Abwasserinhaltstoffe mittels einer fluidisierbaren, Agglomerate enthaltenden Biomasse, wobei zumindest eine Gashaube (2) zum Sammeln von Biogas, zumindest eine Einrichtung (5) zum Sammeln des ablaufenden Wassers und zumindest ein Plat- tenstapel (3) bestehend aus parallel in einem Abstand voneinander angeordneten und relativ zur Vertikalen geneigten geraden Platten (6, 7, 8) zur Erzeugung zumindest einer Flüssigkeitswalze vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (13) zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Flüssigkeitswalze vorgesehen ist.
7. Dreiphasentrennsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Plattenstapels (3), insbesondere seitlich des Plattenstapels, eine Einrichtung (13) zum geregelten Einbringen von Gas so angeordnet ist, dass Gas in Strömungsrichtung der Flüssigkeitswalze eingebracht werden kann.
8. Dreiphasentrennsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Höhe der Kante der untersten Platte (6) des Plattenstapels (3), parallel zu dieser, aber in einer Entfernung von der Kante, linienförmig Gas einbringbar ist.
9. Dreiphasentrennsystem nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitungseinrichtung (11, 12, 16, 17, 18) vorgesehen ist, mit welcher das in der unterhalb des Plattenstapels (3) angeordneten Gashaube (2) gesammelte Biogas regelbar aus der Gashaube abgezogen werden kann.
lO.Dreiphasentrennsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungseinrichtung (11, 12, 16, 17, 18) mit der Einrichtung (13) zum Einbringen von Gas verbunden ist.
11. Dreiphasentrennsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur besseren hydraulischen Nutzung des Plattenstapels (3) an der unteren Platte (6), insbesondere an deren oberem Ende, eine Strömungsabrisskante (10) vorgesehen ist.
12.Dreiphasentrennsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeich- net, dass symmetrisch bezüglich der vertikalen Symmetrieebene der Gashaube (2) oberhalb der Gashaube zwei Plattenstapel (3) angeordnet sind sowie neben der obersten Platte (8) jedes Plattenstapels eine ebene Abscheiderplatte (4) angeordnet ist, sodass über der Gashaube ein keilförmiger, nach unten offener Abscheideraum gebildet wird.
13.Dreiphasentrennsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur verbesserten Strömungsführung der Flüssigkeitswalze konstruktive Elemente (22, 23) seitlich neben und/oder über dem Plattenstapel (3) angeordnet sind.
14.Anordnung zur Trennung von Gas, Wasser und Biomasse in einem Schlammbettreaktor (1), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dreiphasentrennsysteme nach ei- nem der Ansprüche 6 bis 13 nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, angeordnet sind.
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