NO179737B - Reaktor med faststoffseng, for biologisk rensing av avlöpsvann - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en reaktor med faststoffseng for behandling av en væske, ifølge kravinnledningen.

Anlegg er kjent for filtrering og biologisk rensing av vann, med en faststoff seng som oversvømmes og luftes og hvor vannet som skal renses, strømmer mot en strøm av innført luft (se eksempelvis M. Payraudeau, J.-Y.Bontonou "Traitement biologique a bas: a température selon un procédé de filtration biologique aérée le Biocarbone", Les Eaux Usée Diluées, 1990, p.395). Luftelysene befinner seg ved prosessen "Biocarbone" omkring 30

cm ovt-::. mellomgulvet, anordnet faststoff sengen. Vannets medbrakte oksyg*. i og de biologisk nedbrytbare stoffer fører til en økning av mi roorganismer som legger seg over fyllmateriallegemenes overflater. Periodisk må en del av den voksende biomasse fjernes. Dette foregår med en blanding luft/vann gjennom faststoffsengen,

som c i.ves ved hjelp av gulvdyser i mellomgulvet. Sammen med bioma sen fjernes derved partikler som har avlagret seg til fasts ffsengen fra vannet.

Fra DE 3 321 436 er et anlegg kjent, av ovenfor beskrevne type, hvor mellomgulvet har åpninger for utluftingen, utluf ngsdyser av en spesiell utførelse sørger for en oksygen-innfø: :.ng som er relativt lite ømfintlig overfor faststoff sengens varia _e tiltetningsgrad. Lufttilførselen kan derved foregå ved hjelr v et luftsjikt på få centimeters høyde under mellomgulvet.

I FR 596 385 foreslås en gulvdyse som i det vesentlige er av kjent jtførelse, hvor en luftedyse er integrert i form av et lite hull. <?>ed denne enkle og meget hensiktsmessig utformede gulvdyse oppst-.r imidlertid, slik erfaringen har vist, et stabilitetsproblem som gjør det umulig å benytte slike gulvdyser. En forklaring av dette problem følger nedenfor i sammenheng med figurene.

Det er foreliggende oppfinnelses oppgave å frembringe

en reaktor av ovennevnte type hvor ensartet luftinnføring er mulig og det ovenfor beskrevne stabilitetsproblem således ikke oppstår. Dette oppnås med reaktoren ifølge foreliggende oppfin-nelse slik den er definert med de i kravene anførte trekk.

Faststoffsengen i en slik reaktoren kan hensiktsmessig best; • j en styrthaug eller av en ordnet pakke med partikler, eksen: w vis av Rashigringer eller av elementer for statiske blanc. Legemenes overflater kan være bevokset med mikroorga-nismer, men de kan også være belagt med katalysatorer som bevirker de biokjemiske prosesser. Ved hjelp av luftedysene kan komprimert omgivelsesluft eller eksempelvis også med oksygen tilsatt luft, tilføres faststoffsengen.

Oppfinnelsen beskrives på grunnlag av figurene hvor figur la skjematisk viser to ved siden av hverandre anordnede gulvdyser med integrerte luftedyser, for hvilke en ensartet gassinnføring i faststoffsengen ikke er mulig, figur lb viser et diagram over det statiske trykk p i de to gulvdyser på figur la, figur 2 viser gulvdyser med integrerte luftedyser i en fastsengreaktor ifølge oppfinnelsen, figur 3 en andre utførelse av en gulvdyse, figur 4 viser en tredje utførelse av gulvdyse hvor luftedysen er utført som separat del, figur 5 viser et strupeelement for gulvdysen og figur 6 viser et vertikalsnitt gjennom en del av en fastsengreaktor ifølge oppfinnelsen.

På grunnlag av figurene la og lb gjennomføres et "tankeeksperiment" med det mål å forstå det ovenfor nevnte stabilitetsproblem ved utlufting gjennom gulvdysene. Figur la viser et utsnitt av mellomgulvet 1 med to rørformede gulvdyser 2 og 2 1 . I rommet 10 over mellomgulvet ligger den gjennomstrømte fastpartikkelseng som imidlertid ikke er vist. Under mellomgulvet 1 ligger rommet 11 som er fylt med væske og luftpolstringen 12.

For diskusjonen av trykkforholdene innføres en z-akse i gulvdysens 2 lengderetning. Gulvdysen 2 strekker seg mellom z = zb og z = zc (se figur lb). Væskenivået 13 under luf tpolstrin-gen 12 ligger i høyden z = za. I høyden z = zd har gulvdysen 2 en boring 21, innrettet som luftedyse (boringene for spyleluften er ubetydelige for de etterfølgende betraktninger og ignoreres derfor.) I diagrammet på figur lb er det statiske trykk p vist som funksjon av z-koordinaten. Den stiplet tegnede kurveskare 30 angir forløpet av p i den uforstyrrede væske. Ved innføringen av gassbobler i gulvdysene 2 og 2' nedsettes væskens effektive densitet og dermed får trykkforløpet en annen stigning. Punktet A i diagrammet angir det trykk som foreligger i den med væske fylte gulvdyse 2 på luftedysens 21 høyde som likeledes er betegnet med A. Tilsvarende gjelder for punkt B og den andre gulvdyse 2'. Kurvedelen 35 angir trykkforløpet i gulvdysens 2 øvre del 25 mot hvilken gassbobler stiger opp. I den nedre del 26 er trykkforløpet angitt med kurvedelen 36. Trykket i luftpolstringen 12 er pA. Trykkdifferansen apa (se figur lb) er den drivende kraft for gasstransporten gjennom luftedysen 21.

Etter at væsken har passert faststoffsengen skal den strømme nedad gjennom gulvdysene i motstrøm til de gassbobler 23 som føres inn. Ved liten motstrøm kan gassinntaket (vist med stiplet pil på figur la) foregå ensartet over alle gulvdyser 2. Dersom motstrømmen økes kontinuerlig, innstilles en instabil situasjon hvor det oppstår en omveltning av strømningsbilde. I en del av gulvdysene 2 opphører motstrømmen og det transporteres tvert imot væske oppover gjennom gassboblene 23. I de øvrige gulvdyser, nemlig i de nærliggende gulvdyser 2', forsterkes den avstrømmende væskes strømningshastighet vesentlig, til og med så mye at gassboblene 23' som fortsatt innføres gjennom boringen 21', bringes med nedover. (De heltrukne piler antyder den strømmende væske). På grunn av den nedsatte effektive densitet forløper i gulvdysens 2' nedre del trykkforløpet ifølge kurvedelen 36' og i den øvre del som ikke inneholder gassbobler, tilsvarende kurvedelen 35' . Den drivende kraft for gasstransporten gjennom luftedysen 21' er redusert til trykkdifferansen apB (se figur lb) og således foreligger der en strupet gass-strøm.

Ved denne beskrivelse av stabilitetsproblemet er det gjort forenklende forutsetninger (nemlig utelatelse av trykktap på grunn av den strømmende væske, ignorering av spyleluftåpnin-gene i gulvdysene). En nøyaktig analyse av dette problem vil imidlertid intet endre med hensyn til de kvalitative realiteter, slik det også kan forventes på grunnlag av de empiriske resultater.

På grunnlag av forståelse av stabilitetsproblemet er det nå klart at en ensartet lufting av faststoff sengen kun er mulig dersom de inntatte gassbobler ikke fraktes nedad av den motstrømmende væske. Med andre ord, gassboblene må ikke hindres i å stige på grunn av det nedadstrømmende vann. Betingelsen for dette krav er oppfylt, kan uttrykkes på følgende måte. I hele innstrømmingsområdet i hver gulvdyse må det åpne tverrsnitt over luftedysene 21 dimensjoneres slik at hastigheten for den væske som beveger seg i motstrøm, er mindre enn gassboblenes 23 oppad rettede hastighet.

Ved det "åpne tverrsnitt" må det eventuelt også tas hensyn til ytterligere innebyggede del (eksempelvis dysehoder) eller oppbyggingen av faststoffsengen. Gassboblenes 23 oppad rettede hastighet som avhenger av boblenes diameter, kan vurderes ved beregning (eksempelvis ved hjelp av den fra lærebøkene kjente Stokes motstandsformel), eller den kan selvfølgelig også bestemmes eksperimentelt. Ved dimensjoneringen av gulvdysen må det tas hensyn til at også gassboblene krever en del av tverr-snittsflater. Videre må det tas hensyn til at gassboblenes densitet ved større motstrøm likeledes blir større i det kritiske område og således også at det tverrsnitt som opptas av boblene blir større. Det kan være hensiktsmessig, for en grov dimensjone-

ring av gulvdysene, å benytte følgende "tommelfingerregel". Gulvdysenes tverrsnitt skal være så stor at det bortstrømmende vanns hastighet ved manglende luftinntak er vesentlig mindre, således omkring en faktor 10 mindre, enn gassboblenes midlere oppad rettede hastighet. Ved detaljerte beregninger eller ved eksperimenter kan det imidlertid fremkomme resultater som atskiller seg vesentlig fra de som fremkommer på grunnlag av tommelfingerregelen.

Figur 2 viser et første eksempel på utførelsen av gulvdysen 2 i fastsengreaktoren ifølge oppfinnelsen. Den på mellomgulvet 1 liggende faststoffseng som er vist i utsnitt, består av en fylling av full-legemer 101. Gulvdysen 2 har to luftedyser 21a og 21b som er anordnet i ulike høyder. Dersom vann-nivået ligger under luftpolstringen 12 på den stiplede linje 13a, foregår luftingen kun gjennom den øvre åpning 21a. Dersom trykket i luftpolstringen 12 stiger, beveges på den ene side vann-nivået nedover og på den andre side forsterkes luftinntaket gjennom den øvre luftedyse 21a. Dersom vann-nivået faller ytterligere til under den andre luftedyse 21b (linjene 13b), føres luft i tillegg inn i faststoff sengen gjennom dyse 21b. Via den slissformede åpning 22 innføres spyleluft for faststoffsen-

gens returspyling. Vann-nivået befinner seg herved eksempelvis på høyde med den stiplede linje 14.

Dersom faststoffsengen består av en fylling kan fyll-legemene 101 trenge frem til gulvdysens 5 munningsområde, slik det er antydet på figur 2. Herved kan det åpne tverrsnitt i innstrømmingsområdet innsnevres betydelig slik at motstrømmingen av vann og gassbobler ikke kan sikres. Ved hjelp av eksempelvis gittere som er anordnet over gulvdysene 5 og som holder fyll-legemene 101 borte fra munningsområdet, kan dette problem unngås.

Faststoffsengen virker generelt som en statisk blander som sørger for en fordeling av gassboblene i reaktoren. En slik fordeling fremkommer spesielt gunstig dersom faststoffsengen består av en pakning av statiske blandeelementer, i det minste i gulvområdet.

Den på figur 3 viste gulvdyse 5 har en krans med luftedyser 21 som befinner seg i samme høyde. Gulvdysens 5 diameter er øverst større enn nederst, slik at motstrøm mellom vann og gassbobler er mulig over luftedysene 21. Gulvdysen 5 er løsbart festet til mellomgulvets underside. Herved kan gulvdysene 5 lettere utskiftes dersom behov foreligger, enn tilfellet er ved de i dag vanlige gulvdyser, da det ikke er nødvendig å fjerne faststoffsengen før utskiftingen.

Figur 4 viser en gulvdyse 5 med separat integrert luftedyse 21. Denne luftedyse 21 er utvekselbar og lett tilgjen-gelig fra undersiden for rengjøring. Det kan også tenkes eksempelvis separate luftedyser som hver består av et rør med dyseåpninger i siden.

Ved de på figurene viste utførelser mates luftedysene 21 fra luftpolstringen 12 under mellomgulvet (se figur 2). Det er også mulig å kople luftedysene til et system med mateled-ninger. Dette er fordelaktig dersom luftingen foregår med oksygen eller med oksygenanriket luft.

Avhengig av oksygenbehovet er det fordelaktig, i tillegg til integrerte luftedyser, også å anordne separate luftedyser i mellomgulvet. På den annen side kan det også av kostnadsårsaker være fordelaktig dersom ikke alle gulvdyser omfatter integrerte luftedyser.

De i dag vanlig benyttede gulvdyser omfatter dysehoder med spalteformede åpninger. Disse dysehoder som på den ene side tjener til å holde det granulerte materiale i faststoffsengen tilbake, virker på den annen side som strupeelementer og sørger ved strupingen av det bortstrømmende vann for en ensartet transport over hele reaktoren. Ved faststoffreaktoren ifølge oppfinnelsen benyttes ikke slike dysehoder da oppstigningen av gassboblene ellers ville blitt hindret. For den nødvendige struping må anordning foreligge i gulvdysen nedenfor den integrerte luftedyse. En utførelse av et slikt strupeelement er vist i figur 5. Strupeelementet 50 innsnevrer tverrsnittet ved gulvdysens 2 nedre ende.

Avslutningsvis beskrives en utførelse av reaktoren ifølge oppfinnelsen (figur 6) med faststoffseng. Reaktoren har en grunnflate på 40 m<2> og en faststoff seng med høyde H = 7m og en spesifikk overflate på 250 m<2>/m<3>. Den midlere vanngjennomtrenging (tilf ørselsledningen 3) er omkring 10 000 m<3>/d og således er den nedadrettede vannhastighet i gjennomsnitt omkring 10 m/h. Luftemengden (mateledningen 4) som reguleres, er maksimalt på omkring 20 000 Nm<3>/d. (Figur 6 viser den innførte luft med stiplede piler 15 for gulvdysen 2 og det motstrømmende vann med uttrukne piler 16). Mellomgulvet 1 fremstilles av prefabrikkerte dyseplater av betong, idet 64 rørformede dyser er anordnet pr kvadratmeter. Spylingen av faststoff sengen gjennomføres ved hjelp av en luft/vannblanding, hvor spylevannets hastighet i faststoffsengen er 55 m/h og spylelufthastigheten er 60 m/h.

Ved faststoffsengens lufting som ifølge oppfinnelsen foregår gjennom luftpolstringen 12 som kun er få centimeter høy, føres gassbobler inn med en midlere stigehastighet på omkring 20 cm/s i gulvdysene 2. Gulvdysenes 2 diameter dimensjoneres ifølge den ovenfor angitte tommelfingerregel og de der angitte for-behold, slik at strømningshastigheten for det vann som strømmer ut gjennom dysen ved manglende luftinntak (ca. 0,044 l/s), er vesentlig mindre enn 20 cm/s, således mindre enn omkring 2 cm/s. Herav følger at gulvdysene må ha en diameter på omkring 5 til 5,5 cm.

Claims (10)

1. Reaktor med faststoffseng for behandling av en væske, omfattende et gulv og en sidevegg, et mellomgulv (1) over gulvet, som avgrenser et første rom (10) med en faststoffseng over mellomgulvet (1) og et andre rom (11) under mellomgulvet (1), et inntak (3) med tømmeanordning for å tømme væske fra det første rom (10), et uttak med tømmeanordning for å tømme væske fra det andre rom (11), hvor flere gulvdyser (2) som holdes av

mellomgulvet (1), er innrettet til å frembringe fluidforbindelse mellom første og andre rom (10, 11), idet hver.gulvdyse (2) rager nedad fra mellomgulvet (1) og omfatter en luftedyse (21) anordnet det andre rom (11), idet gulvdysene (2) utgjør i det vesentlige den eneste fluidforbindelse mellom første og andre rom (10, 11), KARAKTERISERT VED at luftedysene (21) er innrettet til å frembringe gassbobler (23) som stiger med en gitt hastighet gjennom væsken og inn i det første rom (10), at gulvdysenes (2) tverrsnitt ved lufteåpningen er slik tilpasset at det frembringes en nedad rettet væskestrøm som er langsommere enn gassboblenes hastighet oppover slik at det frembringes en motstrøm hvor gassboblene stiger gjennom væsken til det første rom (10) og væsken strømmer ned gjennom gulvdysene (2) fra det første rom (10) til det andre rom (11), at anordninger er innrettet til å frembringe en væskestrøm gjennom væskeinntaket (3) og inn i faststoffsengen slik at motstrømmen produseres i det vesentlige i alle gulvdyser (2), og at anordninger (50) i hver gulvdyse (2) under lufteåpningen er innrettet til å begrense væskestrømmen gj ennom gulvdysene (2).

2. Reaktor ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at luft tilføres luftedysene (21) fra en luftpolstring (12) under mellomgulvet (1).

3. Reaktor ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at faststoffsengen i det minste delvis er en ordnet pakning av statiske blandeelementer hvormed en fordeling av de oppad stigende gassbobler (23) oppnås.

4. Reaktor ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at gulvdysene (2) i det vesentlige er et rør med minst en boring i siden nedenfor mellomgulvet (1), som tjener som luftedyse (21), og med minst en åpning (22) i siden i det midtre område, slik at spyleluften kan føres inn i faststoffsengen.

5. Reaktor ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at luftedysene (21) er utvekselbare.

6. Reaktor ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at gulvdysene (2) kan festes løsbart under mellomgulvet (1).

7. Reaktor ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at minst to luftedyser (21a, 21b) er integrert i gulvdysene (2), idet deres luftinntakssteder er anordnet i ulike høyder.

8. Reaktor ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at gulvdyser (2) med og gulvdyser uten integrerte luftedyser (21) er anordnet i mellomgulvet (1).

9. Reaktor ifølge krav 1-7, KARAKTERISERT VED at gulvdyser (2) med integrerte luftedyser (21) og separate luftedyser (21) er anordnet i mellomgulvet (1).

10. Reaktor ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at hver gulvdyse (2) med integrert luftedyse (21) omfatter et strupeelement (50) anordnet under luftedysen (21).