NO148027B - Tankreaktor til behandling av vaesker, saerlig til flokkulering ved kjemisk felling av spillvann eller raavann - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en tankreaktor av den i krav l's innledning angitte type til behandling av væsker, særlig til flokkulering ved kjemisk felling av spillvann eller råvann. Reaktoren kan dog også tenkes å finne anvendelse f.eks. ved biologisk rensning etter aktivslam-metoden eller i det hele tatt som reaktor innenfor kjemiteknikken. Oppfinnelsen skal i det etterfølgende beskrives under henvisning til behandling av spillvann, men finner analog anvendelse på andre væskebehandlin-ger.

Kjemisk felling av spillvann utføres som kjent ved å tilsette et passende fellingsmiddel til spillvannet. Herved inn-trer en rekke prosesser og utféllinger - avhengig av typen av fellingsmiddel - hvorved en del av stoffene i spillvannet overfø-res til en slik form at de kan fraskilles mekanisk, f.eks. ved en sedimentering. I den kjemiske fellingsoperasjon inngår derfor vanligvis også en flokkuleringsprosess, hvorved de primært ut-feldte (koagulerte) partikler agglomereres til større partikkel-aggregater med relativ løs struktur, som bedre kan fraskilles mekanisk .

Den kjemiske felling og den tilhørende flokkulering utføres oftest i flokkulatorer. Disse er apparater (beholdere), hvori partiklene bringes i kontakt med hverandre under frembrin-gelse av hastighetsforskjeller ved passende bevegelse av væsken, som kan bibringes ad hydraulisk eller mekanisk vei. Vanlig be-nyttet er langsomtgående padle-røreverk med loddrett eller vann-rett aksel eller innebyggede ledeplater, som tvinger væsken opp eller ned. Som regel foretrekkes mekaniske røreverk, fordi man da vil ha best kontroll med flokkuleringsprosessen.

Reaksjonsforløpet for flokkuleringsprosessen og andre prosesser i tilknytning til denne, såsom utfelling, krystalli-sering og inaktivering, indiserer anvendelsen av en reaktor av "plug-flow"-typen, og noen av reaksjonene krever ofte en relativ lang tid.

Som følge herav utformes innretninger til flokkulering som oftest slik at det oppnås en større eller mindre grad av "plug-flow" gjennom .anlegget, slik at den hydrauliske kortslutning motvirkes. En vanlig utforming består i å benytte 2-4 tanker i serie, hver forsynt med et padlerøreverk med vertikal aksel. En annen måte kan være å lede spillvannet gjennom et langstrakt trau forsynt med ledeplater, slik at vannet påtvinges en sikk-sakk bevegelse.

Da flokkuleringen som nevnt oppnås ved at partiklene bringes i kontakt med hverandre ved en passende bevegelse av væsken, spiller de hastighetsforskjeller (hastighetsgradienter) som skapes i væsken, en avgjørende rolle for flokkuleringens forløp. Ved flokkuleringen opptrer to fenomener, nemlig en flokk-oppbygning og en samtidig dermed forløpende flokk-nedbryt-ning (erosjon). Flokkstørrelsen avhenger derfor av hastighetsgradienten (flokkuleringsintensiteten). Jo større den er, jo hurtigere flokkoppbygning, men desto mindre flokker. Det tilstre-bes derfor vanligvis å foreta flokkuleringen under avtagende hastighetsgradient, hvilket i et .system med 2-4 seriekoblede flok-kuleringstanker kan gjøres ved å kjøre røreverkene med avtagende omdreiningshastighet (periferihastigaet). Veiledende angis i lit-teraturen at periferihastigheten' i første beholder bør være 0,4-0,6 m/sek. og i siste 0,1-0,3 m/sek.. De ovennevnte flokkulerings-bassenger med innebyggede ledeplater er i denne henseende velegnet på grunn av de små muligheter man har for kontroll av flokkulering sint ensiteten.

De i det foregående omtalte flokkulatorer kan betrak-tes som tankreaktorer med fullstendig eller tilnærmelsesvis fullstendig oppblanding (såkalte CSTR- eller CMF-reaktorer), og på grunn av oppblandingen i tankreaktoren vil en del av den tilførte vannmengde kortslutte fra tilløp til utløp av tanken og således oppholde seg i tanken i kortere tid enn gjennomsnittet, hvilket er særlig uhensiktsmessig for reaksjonsforløpet.

Denne såkalte hydrauliske kortslutning kan eksperimen-telt undersøkes ved hjelp av sporstoffer, idet en bestemt mengde sporstoff momentant tilsettes i tilløpet til tanken, hvoretter konsentrasjonen av sporstoff i utløpet måles som funksjon av tiden.

Slike undersøkelser er'eksempelvis beskrevet av

T.R. Camp: Flocculation and flocculation basins, Transactions American Society of Civil Engineers, vol. 120:1, p. 1-16, 1955, hvor det er oppstilt teoretiske og eksperimentelle kurver for sammenhengen mellom utløpskonsentrasjon og tid. Det er her anført at kortslutningseffekten kan motvirkes i stigende grad ved et stigende antall reaktorer i serie, og ved de hittil anvendte anlegg har man nettopp som nevnt betjent seg av den plass og om-kostningskrevende løsning på kortslutningsproblemet.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er derfor å angi en tankreaktor til behandling av væsker, herunder flokkulering ved kjemisk felling av spillvann, som ikke er beheftet med ovennevnte ulemper, og det har overraskende vist seg at man ved anvendelse av bare en tankreaktor kan unngå eller kraftig ned-sette muligheten for hydraulisk kortslutning, ved å utforme reaktoren som anført i krav l's kjennetegnende del.

Innretninger som ved en umiddelbar betraktning kan minne om den omtalte, er beskrevet i britisk patentskrift 8575^5 og tysk patentskrift 27^816. Det førstnevnte skrift omhandler en framgangsmåte og en innretning til adskillelse av ikke-blandbare væsker av forskjellig massetetthet, særlig' til anvendelse i forbindelse med separasjon av oljeaktige eller tjæreholdige væsker fra vandige medier ved prosesser til karbonisering eller forgas-sing av kull eller olje.

Innretningen består av en sirkulær tank med to konsentriske skillevegger og en roterende skumavstryker, idet det videre finnes radielle skillevegger.

Denne innretning er ikke anvendbar til flokkulering, hvilket er en av de foretrukne anvendelser for tankreaktoren ifølge oppfinnelsen. Innretningen kan nærmest karakteriseres som en slags sentrifugalseparator til adskillelse av væsker med forskjellig massetetthet.

Væskestrømningen i den nevnte separator er ensidig bestemt av at det tilføres væske til en ytre kanal, og strømret-ningen skifter på grunn av de radielle skillevegger fra kanal til kanal. Det er klart at en slik strømningsmåte i høy grad vil motvirke hydraulisk kortslutning, og prinsippet er altså velkjent, konferer de ovennevnte lignende konstruksjoner, hvor en beholder med ledeplater påtvinger vannet en sikk-sakk-bevegelse. Det er her anført at slike apparater er mindre velegnet som flokkulatorer (reaktorer), fordi omrøringsintensiteten bare vanskelig kan reguleres.

Den i det nevnte patentskrift viste "skimming device" har ikke noen egentlig funksjon som omrører for væsken, mén tje-ner bare som en anordning til fjernelse av skum fra overflaten.

Et røreverk i vanlig forstand kan ganske enkelt ikke anbringes i tanken, fordi det vil kollidere med de radielle skillevegger.

I klar motsetning hertil er væskestrømningen i reaktoren ifølge oppfinnelsen bestemt av en vekselvirkning mellom om-røringsorganene, de innebyggede konsentriske skillevegger og åpningene i' disse, og som følge herav skifter væskestrømmen ikke retning. En av grunnideene i den omhandlede reaktor er nettopp at der i motsetning til den kjente innretning ikke finnes radielle skillevegger som kan hindre den fri bevegelse av røreverket. Tilstedeværelsen av omrøringsorganer er en nødvendig forutsetning for at man kan oppnå de ønskede virkninger ved reaktoren, nemlig en motvirkning av den hydrauliske kortslutning og en bedre kontroll med omrøringsintensiteten, hvilket som nærmere forklart ovenfor er av stor betydning for oppnåelse av en hensiktsmessig flokkulering.

Tysk patentskrift 274816 beskriver en innretning for klaring (bunnfelling) av spillvann, og innretningen består av spiralformede eller ringformede kanaler kombinert med såkalte serpentinformede bøyninger. Spillvannet påtvinges dermed en strømningsbevegelse som ifølge patentskriftet har til formål å skape en gnidningseffekt på spillvannet og derved øke utskillings-effekten med hensyn til bunnfellbare stoffer. Det er således for-modentlig tale om en flokkuleringseffekt, og innretningen kan be-traktes som en primitiv flokkulator kombinert med en bunnfellings-tank, selv om disse begreper ikke anvendes i patentskriftet.

Ved sammenligning av konstruksjonen i de to ovennevnte patentskrifter ser man at utformingen av kanalene og strømnings-måten i disse ikke adskiller seg vesentlig fra hverandre, hvorfor det i den forbindelse anførte under det britiske patentskrift også er gyldig for det tyske patentskrift.

Beholderen er således heller ikke her forsynt med

et røreverk, og et sådant kan ikke bringes til å virke på grunn av de radielle skillevegger. Det skal ytterligere tilføyes at væsketilledningen ifølge det tyske patentskrift obligatorisk skjer til det sentrale rom, mens den ifølge oppfinnelsen, som forklart nedenfor, fortrinnsvis skjer til det ytre rom, i dette på grunn av den avtagende hastighetsgradient gir det mest hen-siktsmessige flokkuleringsforløp.

Tankreaktoren ifølge oppfinnelsen er vist nærmere på tegningene hvor

fig. 1 og 2 i henholdsvis vertikalsnitt og sett ovenfra viser en utførelsesform med to rom og kvadratisk tverrsnitt,

mens fig. 3 og 4 tilsvarende viser en utførelsesform med tre rom og sirkulært tverrsnitt, og

fig. 5 viser fordelingskurven ved en sporstoffunder-søkelse med den i fig. 1 og 2 viste reaktor sammenlignet med konvensjonelle innretninger.

I fig. 1 og 2 er det vist en tank med kvadratisk tverrsnitt og et røreverk bestående av en rører med fire loddrette armer 2 trukket av motoren 3- Omdreiningshastigheten kan f.eks. varieres fra ca. 3 til 30 omdr./min. Tanken er ved hjelp av skillevegger 4 oppdelt i et ytre rom (ytre kammer) 5 og et indre rom (indre kammer) 6. Det ytre rom og det indre rom står i forbindelse med hverandre gjennom åpningen 7 oventil i den skillevegg som ligger umiddelbart før tilløpet. Tilløpet til tankreaktoren skjer ved 8, idet væskestrømmen ved hjelp av le-deplaten 9, eller på annen måte, f.eks. ved hjelp av et fallrør, ledes til bunnen av tanken. Avløpet fra tanken kan bare skje via røret 10 som har forbindelse med bunnen av den indre beholder .

På grunn av røreverkets rotasjon (med urviseren) vil væskestrømmen i det ytre rom bevege seg rundt i pilen 11's retning. En delstrøm av samme størrelse som tilløpsmengden vil passere gjennom åpningen 7 til den indre beholder 6 og videre ned gjennom denne til avløpet 10, som er anbragt i bunnen. En direk-te kortslutning mellom tilløpet 8 og åpningen 7 vil derimot være mindre sannsynlig.

Fig. 3 og 4 viser likeledes i vertikalt snitt og sett ovenfra en utførelsesform for den omhandlende reaktor, oppbygget som en sylindrisk tank 20 med to konsentriske skillevegger 21 og 22, slik at det dannes tre konsentriske rom 23, 24,og 25. Her munner innløpsorganene 26 ut oventil i det ytre rom, men åpningen 27 i skilleveggen mellom det ytre og mellomste rom finnes ved reaktorens bunn og åpningen 28 mellom det mellomste og innerste rom er anbragt oventil, lengst fra utløpsåpningen 29

i bunnen. Væskestrømmen vil under påvirkning av røreverket 30 bevege seg i pilens 31 retning. Antall rom kan om ønskes økes ytterligere som funksjon av den ønskede effekt, spillvannets sammensetning etc., og antallet av grener på røreverket 30 kan likeledes varieres.

De viste utførelsesformer har som anført i krav 2's kjennetegnende del innløpsorganer i forbindelse med det ytre rom og utløpsorganer forbundet til det indre rom. Denne utforming vil som regel gi det beste resultat når reaktoren anvendes til flokkulering, på grunn av den nedenfor forklarte avtagende peri-ferihastighet, men det er intet prinsipielt i veien for å gjen-nomlede væsken som skal behandles den. motsatte vei, med andre ord tillede væsken til det indre rom og ta den ut fra det ytre. Det beste resultat oppnås når åpningene mellom rommene er således anbragt i forhold til hverandre at væsken bringes til å gjennom-løpe den i det vesentlige lengst mulige strømningsvei før utlø-pet i det følgende rom. Dette kan med fordel skje som anført i den kjennetegnende del av krav 3 og/eller krav 4. Den fordelak-tigste innbyrdes plassering av innløp, utløp og åpninger vil videre avhenge av reaktorens geometri, blant annet forholdet mellom høyde og diameter, men åpningene kan prinsipielt anbringes vilkårlige steder i skilleveggene, idet man så etter omstendig-hetene må regne med resultater som er dårligere enn de optimale. Likeledes kan strømningsforløpet og dermed reaktorens funksjon også i en viss utstrekning påvirkes gjennom valget av strømnings-intensitet (f.eks.røreverkets omdreiningshastigaet) eller romme-nes og åpningenes utforming, idet disse om så ønskes kan være forsynt med ledeplater. Den optimale utforming av reaktoren bestemt til en gitt anvendelse kan best fastlegges ved forsøk.

De ifølge oppfinnelsen anvendte omrøringsorganer er her vist i form av en rører med loddrette armer (padlerøreverk") , men den roterende væsketoevegelse kan også. tilveiebringes på andre måter, f.eks. helt eller delvis ved tangensielt innløp under større eller mindre trykk, ved innblåsing av luft eller ved hjelp av en overflateturbin.

Tankreaktoren kan f.eks. bygges inn i et renseanlegg som inneholder de øvrige konvensjonelle organer, så som sandfang, sedimentasjonstanker etc. Med særlig fordel kan flokkulatoren sammenbygges med en sedimentasjonstank som en sentralt plassert enhet.

Den på figurene viste anordning av skillevegger til oppdeling av tankreaktoren vil således motvirke den hydrauliske kortslutning igjennom tankreaktoren. Dette er påvist eksperimen-telt ved en sporstoffundersøkelse, hvor det som sporstoff ble anvendt litiumklorid. Det ble anvendt en oppstilling bestående av to parallelle reaktorsystemer, hvor det ene system besto av to konvensjonelle tankreaktorer I og III i serie, mens det andre system besto av en enkelt tankreaktor II ifølge oppfinnelsen åv den i fig. 1 og 2 viste type. Hver tank hadde et volum på ca.

600 liter og var forsynt med ensartede røreverk. Begge parallelle systemer ble tilført en konstant vannmengde på 1,5 m^/time. Nes-ten momentant ble det i tilløpsrørene til de to parallelle systemer tilsatt samme mengde litiumkloridoppløsning og med passende tidsintervaller ble det tatt ut prøver ved avløpene fra de tre tankene I, II og III for analyse av litium. Herved kunne dels tankreaktor I og II sammenlignes innbyrdes, og dels kunne tankreaktor II sammenlignes med et system bestående av to tankreaktorer i serie (I + III).

Resultatet av forsøket er vist grafisk i de på fig.

5 viste fordelingskurver. For at reaktorsysteraene kan sammenlignes innbyrdes, er konsentrasjoner og tider avbildet i forhol til henholdsvis den teoretiske begynnelseskonsentrasjon Cq ved fullstendig oppblanding av sporstoffet i reaktorvolumet og den teoretiske oppholdstid T for systemet.

Kurvene gir et uttrykk for hvor lenge litium og dermed en i reaktoren værende stoffmengde vil oppholde seg i tankreaktoren, og arealet under et gitt kurveavsnitt vil represente-re den mengde litium som til den gitte tid har passert reaktoren. Tabell 1 viser - på basis av en måling av arealet under kurvene - hvor stor del av litiummengden som har passert etter henholdsvis en fjerdedel og halvparten av den teoretiske oppholdsfeid.

Det fremgår såvel av fig. 5 som av tabell I av reaktor II ifølge oppfinnelsen ikke bare var reaktor I suverent overlegen, hva angår motvirkning av hydraulisk kortslutning,

men også var vesentlig bedre enn de serieforbundne tanker I og

III.

Foruten den viste motvirkning av hydraulisk kortslutning har den omtalte innretning den flokkuleringstekniske fordel at flokkuleringsintensiteten er avtagende fra det ytre rom mot det indre rom, blant annet ut fra den betraktning at periferihastigheten for det felles røresystem er større i det ytre rom enn i det indre. For den i fig. 1 og 2 viste utform-ning var ved en omdreiningshastighet på 14 o/min. periferihastigheten ca. 0,44 m/sek. og i det indre rom ca. 0,22 m/sek. Hastighetsgradienten kan også påvirkes gjennom utformingen og antallet av rørestavene.

En flokkulatorkonstruksjon som vist i fig. 1 og 2

er prøvet til kalkfelling av spillvann i et forsøksanlegg, og resultatene er funnet tilfredsstillende sammenlignet med anlegg av tradisjonell utførelse.

Resultatene fra en undersøkelse av innaktiveringen av koliforme bakterier under kalkfellingsprosessen skal anføres. Denne innaktiveringsreaksjon er av vesentlig betydning ved en praktisk anvendelse av kalkfellingsteknikken til spillvannsren-sing.

Koliforme bakterier og andre mikroorganismer, herunder de patogene, innaktiveres på grunn av det høye pH ved kalkfellingen,og denne prosess er i utpreget grad avhengig av tiden og er derfor følsom overfor hydraulisk kortslutning i reaktoren. Innaktiveringen undersøktes i to parallelt kjørende, ens-artet belastede tankreaktorer ved pH ca. 11,7, hvorav den ene var innrettet som vist på fig. 1 og 2, mens den andre var en konvensjonell flokkulator. Innholdet av kolibakterier i tilløpet og avløpet for de to flokkulatortanker er vist i nedenstående tabell II.

Man ser at innholdet av kolibakterier er mer enn

10 ganger større i avløpet fra den konvensjonelle flokkulator enn i avløpet fra tankreaktoren ifølge oppfinnelsen.

En tankflokkulator (tankreaktor) oppbygget som prinsipielt vist i fig. 1 og 2 har en virkningsgrad som i det minste motsvarer to tradisjonelt utformede tankreaktorer, hver av det halve romfang og koblet i serie. En prisberegning utført for slike to systemer basert på et samlet volum på ca. 160 m^ viser at løsningen med den'enkelte tankflokkulator ifølge oppfinnelsen er 20-30% billigere i anleggsomkostninger, hvortil kommer plassmessige besparelser. Disse kalkulasjoner er basert på en reaktor av betong med skillevegger av trykkimpregnert tre eller plast.

Claims (4)

1. Tankreaktor til behandling av væsker, særlig til flokkulering ved kjemisk felling av spillvann eller råvann og av den type som er forsynt med innløpsorganer (8, 26), utløpsorganer (10, 29) og eventuelt ledeplater (9), og som ved hjelp av skillevegger (4, 21, 22) er oppdelt i et indre rom (6, 25), et dermed koaksialt ytre rom (5, 23) samt eventuelt et eller flere koaksialt mellomliggende rom (24), hvilke rom står i innbyrdes forbindelse, karakterisert ved at forbindelsen mellom rommene er tilveiebragt ved hjelp av åpninger (7, 27, 28) som er slik anbragt i forhold til hverandre og til henholdsvis innløpsorganenes (8, 26) og utløpsorganenes munning (10, 29) at væsken under påvirkning av omrøringsorganer (2, 30) bringes til å gjennomløpe en strømningsvei med samme omløpsretning i det vesentlige på langs av hvert rom, og slik at en delstrøm svarende til den tilførte væskemengde bringes til å passere gjennom åpningen til det følgende rom respektivt til utløpet (10, 29) fra reaktoren.

2. Tankreaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at innløpsorganene (8, 26) munner ut i det ytre rom (5, 23) og at utløpsorganene (10, 29) er forbundet med det indre rom (6, 25).

3. Tankreaktor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at åpningene (7, 27, 28) og innløps-og utløpsorganenes munninger (8, 10 resp. 26, 29) er anbragt vekselvist oventil og nedentil i forhold til hverandre.

4. Tankreaktor ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at åpningene (7, 27, 28) er anbragt minst 180°, men mindre enn 360° forskjøvet i forhold til henholdsvis innløpsorganenes munning (8, 26), eventuelt i forhold til hverandre, og eventuelt i forhold til utløps-organenes munning (10, 29).