NO314255B1 - Anvendelse av b¶reelementer som har overflaten delvis beskyttet mot kollisjon med overflatene på andre b¶reelementer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anvendelse av bærerelementer som har overflaten delvis beskyttet mot kollisjon med overflatene på andre bærerelementer, og har strømningspassasjer utformet for å tillate god gjennomstrømning av vann gjennom bærerelementene også etter at mikrobiell film er etablert på overflatene, og hvor bæreelementene har en lengde, bredde og/eller høyde på mer enn 1,5 cm, fortrinnsvis i området fra 2,5 til 10 cm, og særlig i området fra 3 til 6 cm, hvor den beskyttede overflate er større enn 100 m2 pr. m<3> bærerelementvolum, fortrinnsvis større enn 200 m<2 >pr. m<3> bærerelementvolum, og særlig større enn 275 m<2> pr. m<3> bærerelementvolum, og et tverrsnittsareal for åpningene til passasjene i grenseoverflaten mot elementenes omgivelser på minst 35%, fortrinnsvis minst 40%, og særlig minst 50% av grenseoverflaten mot omgivelsene til et homogent legeme med de samme dimensjoner.

I biologisk rensing av vann og avløpsvann blir vannet ført gjennom en type reaktor hvor mikroorganismer blir benyttet til å omforme forurensninger som finnes i vannet til uskadelige sluttprodukter, slik som karbondioksid og vann. Rensingen kan blant annet utføres under tilførsel av luft (aerobisk) eller uten tilførsel av luft (anaerobisk). For å øke effektiviteten av rensingen, tar man vanligvis sikte på et høyt innhold av aktive mikroorganismer i prosessen, slik at organismene ikke tillates å unnslippe sammen med det rensede vann, enten ved at mikroorganismene blir tillatt å vokse i suspensjon i reaktoren og blir adskilt fra vannet i et separasjonstrinn etter reaktoren, og blir returnert til reaktoren (f.eks. den aktiverte slam-prosess), eller ved at en type av bærermateriale blir innført i prosessen, på overflaten av hvilket mikroorganismene kan vokse som en biofilm, og således bli holdt i prosessen (biofilm-prosessen).

Biofilm-prosessen har flere fordeler sammenlignet med den aktiverte slam-prosessen og andre prosesser med biomasse i suspensjon. Blant annet kan høyere belastninger brukes, og prosessene er betydelig mindre følsomme for variasjoner og forstyrrelser. De fleste konvensjonelle biofilm-prosesser er basert på at rensereaktoren inneholder et bærermateriale i form av fyllelegemer eller blokker som er festet, slik at de er stasjonære i prosessen. Disse prosess-utførelsene har den ulempe at det er en risiko for at bærermateriale blir tilstoppet av biomasse eller annet partikkelmateriale og at døde soner kan bli etablert i prosessen hvor kontakten mellom vannet og de aktive mikroorganismer er meget dårlig.

I en annen type biofilm-prosess benytter man et bærermateriale som blir holdt i suspensjon og bevegelse i prosessen. Bærermaterialet med mikroorganismer som vokser på dette blir holdt i prosessen ved at utgående vann blir ført gjennom en sil eller et gitter med en åpningsdiameter som er så liten at bærermateriale ikke kan passere gjennom. Fordelen med denne type prosess er bl.a. at risikoen for å stoppe bærermateriale og etablering av døde soner er vesentlig redusert. Forskjellige typer av bærermateriale er tilgjengelig for denne typen av prosess: stykker av skumgummi (EP-A-0142123), ringer av ikke-vevet plastmateriale (Haikangijutu Vol. 29(4): sidene 64-69, 1987), og stykker av ekstrudert plastslange hvis overflate er forstørret ved mekanisk behandling (Haikangijutu Vol. 29(4)): sidene 64-69, 1987), blanding av materialer som danner en ru overflate (Water Environment Research Vol. 64(7): sidene 884-889), eller innføring av innvendige skillevegger og utvendige finner (WO 91/11396). Disse materialene har til felles at de har en densitet som er nær densiteten av vann, slik at de lett kan holdes i suspensjon.

Skjønt prosesser med bærerelementer av disse typene ofte kan opereres med høye belastninger, har alle tidligere utførelser av bærerelementer ulemper som vesentlig begrenser kapasiteten til prosessen, spesielt i aerobiske prosesser hvor tilførselen av oksygen til de arbeidende mikroorganismer er av avgjørende betydning for renseeffektiviteten. I stykker av skumgummi og ringer av ikke-vevet materiale blir porene ofte blokkert av voksende biomasse slik at de aktive overflater i kontakt med avløpsvannet og luften vil bli redusert. De bærerelementer som har vært produsert ved ekstrudering av en plastslange er små (mindre enn 1 cm), slik at overflaten pr. volum vil bli stor. Også i disse elementene blir passasjene ofte blokkert, men også i tilfeller dette ikke hender, har man funnet at tilførselen av oksygen til biofilmen som i de fleste tilfeller finnes på de innvendige overflater av bærerne, er sterkt begrensende for prosessen. Man har også funnet at den lille størrelsen av disse bærerelementer forårsaker vanskelige praktiske problemer på grunn av det faktum at de vil bli oppfanget av skum som blir produsert i prosessen, og således kan bli ført bort fra prosessen av skum eller vind. Dessuten vil det ofte oppstå problemer med behandling av vann som inneholder partikler i suspensjon, f.eks. fibre, ved at de små åpninger i silene eller gitterne som holder tilbake bærerelementene, blir blokkert. For f.eks. avløpsvann som bærer fibre i skogbruksindustrien, har disse små bærerelementene vært funnet å være direkte uegnet av denne grunn.

Hittil har det ikke vært mulig å overvinne disse problemene ved å lage større bærerelementer, på grunn av at det ikke har vært mulig, når det gjelder utførelser i tidligere teknikk, å frembringe en stor bærer med en stor overflate for biofilmen, beskyttet mot vann, uten at effektiviteten av prosessen blir sterkt redusert ved en enda større oksygen-begrensning av biofilmen enn i tilgjengelige små bærere.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å overvinne de nevnte problemer, og oppfinnelsen angår en anvendelse av bærerelementer som angitt innledningsvis, i en biologisk prosess for rensing av vann og avløpsvann, hvor bærerelementene utgjør bærere for mikrobiell film og blir holdt i bevegelse i vannet.

Bærerelementene som anvendes kombinerer en stor størrelse med stor overflate beskyttet mot slitasje og med en meget god gjennomstrømning av både vann og luft. Bærerelementene frembringer derfor store fordeler sammenlignet med bærermaterialet som har vært anvendt ifølge tidligere teknikk, blant annet ved betydelig større tilførsel av oksygen og betydelig redusert risiko for tilstopping av siler eller gittere for å holde bærermaterialet.

Oppfinnelsen angår også anvendelsen av slike bærerelementer for behandling av av-løpsvann fra treforedlingsindustrien, hvor avfallsvannet inneholder minst 100 mg pr. liter materiale i suspensjon, målt på et GF/A-filter.

For å forklare oppfinnelsen mer detaljert, skal illustrerende utførelser av bærerelementene som anvendes og en reaktor som bærerelementene kan anvendes i beskrives nedenfor under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 og 2 er et perspektivriss av en første utførelse av et bærerelement som anvendes ifølge oppfinnelsen, sett fra henholdsvis en første og andre ende,

fig. 3 er et enderiss av bærerelementet i fig. 1 og 2, sett fra samme ende som i fig. 1, fig. 4 er et enderiss av bærerelementet i fig. 1 og 2, sett fra samme ende som i fig. 2, fig. 5 og 6 er tilsvarende perspektivriss som fig. 1 og 2 i en annen utførelse,

fig. 7 og 8 er tilsvarende perspektivriss som fig. 1 og 2 av en tredje utførelse, og fig. 9 er et skjematisk perspektivriss av en reaktor hvori bærerelementene kan anvendes.

Bærerelementene i alle de viste utførelser kan beskrives generelt som omfattende flere vegger anordnet og sammenkoplet på en slik måte at en stor del av den totale overflaten av veggene er beskyttet mot slitasje mot overflaten av andre legemer, at det er frie passasjer for gjennomstrømning gjennom bærerelementene, og det totale tverrsnittsareal av åpningene til passasjene i grenseoverflatene mot bærerelementenes omgivelser er stort. Bærerelementet vist i fig. 1 - 4 omfatter således tolv likt fordelte radielle innvendige vegger 11 og 12, som strekker seg aksielt fra en ende av bærerelementet til den andre ende. Veggene omfatter vekslende radielt lengre vegger 11 og radielt kortere vegger 12. Veggene er forbundet med hverandre ved hjelp av en utvendig ring 13 på en ende av bærerelementet og en innvendig ring 14 på den andre enden av bærerelementet, og radielle åpninger eller vinduer 15 er avgrenset ved veggene. Bærerelementene har således en struktur som ligner et turbinhjul. Bærerelementene består av passende plast-eller komposittmateriale, og kan fremstilles ved sprøytestøping. For å oppnå slipp ved støping er bæreelementenes rundtgående ytterkontur konisk og veggene har en tykkelse som avtar fra en ende av bærerelementet til den andre, som vist på tegningene. Det er imidlertid mulig å lage bærerelemetene av et annet materiale enn plast- eller komposittmateriale. Bærerelementene danner flere aksielle passasjer 16 mellom veggene, og har dessuten en helt åpen passasje 17 langs midten, for å tillate en uhindret aksiell strømning rett gjennom elementet fra en ende til den andre. Den lineære lengde til bærerelementet og diameteren til dette er begge fortrinnsvis omkring 3,2 cm. Generelt bør lengden og diameteren til bærerelementet være mer enn 1,5 cm, og fortrinnsvis i området fra 2,5 til 10 cm, spesielt i intervallet fra 3 til 5 cm. Veggene 11 og 12 danner beskyttede overflater, dvs. overflater som er beskyttet mot slitasje ved kollisjon med andre bærerelementer, og på disse overflatene kan en mikrobiell film vokse i den biologiske prosess for vannrensing. Den totale beskyttede overflate bør være større enn 100 m2 pr. m<3> volum av bærerelement, fortrinnsvis større enn 200 m<2 >pr. m<3>, og spesielt større enn 275 m<2> pr. m<3>. Hvis bærerelementene er konstruert slik at de har meget store overflater, større enn 500 m<2> pr. m<3>, kan det imidlertid være vanskelig å unngå at passasjene gjennom bærerelementene vil bli så smale at de blir tilstoppet av groing.

I aerobiske prosesser er det vanlig å bruke bærerelementer som er nær densiteten av vann, men ifølge oppfinnelsen har man funnet at det er fordelaktig å bruke

bærerelementer med en høyere densitet på grunn av det faktum at bærerelementer som har en densitet nær densiteten av vann, uten motstand vil bli båret av sted av det strøm-mende vannet, og vil raskt unnslippe fra stigende luftbobler; og det følger at vann lett vil bli innestengt i elementene og at luft sjelden vil passere gjennom de indre passasjer i bærerelementene. Bærerelementer som har en høyere densitet har derimot en tendens til å bevege seg ned i vannet og virke hindrende mot vann og luft som strømmer oppover i prosessen, slik at vann og luft vil bli tvunget gjennom de indre passasjer i bærerelementene, og biofilmen blir tilført oksygen. Samtidig vil luftboblene bli brutt ned i

mindre bobler, hvilket også øker overføringen av oksygen fra luften til vannet. Strømmen gjennom bærerelementene vil bli øket ved økende densitet av bærerelementene, men hvis densiteten er for høy, mer enn 1,40 kg pr, dm<3>, vil omrøring av materialet i prosessen bli vanskelig, slik at den totale effektivitet av prosessen vil bli redusert. Meget god effektivitet har vært oppnådd med en densitet av bærerelementene i områdene fra 1,20 til 1,30 kg pr. dm<3>, hvor strømningen gjennom bærerelementene er høy og blandingen fremdeles er god. Den høye densitet kombinert med størrelsen eliminerer også risikoen for at bærerelementene blir fjernet fra prosessen sammen med skum som lett stiger ved sterk lufting.

Kombinasjon av størrelse, overflate, åpen struktur og densitet som beskrevet ovenfor, gir et bærerelement som har betydelig forbedrede egenskaper i en aerobisk renseprosess enn bærerelementer som hittil har vært anvendt.

Bærerelementene ifølge oppfinnelsen har også vist seg å ha gode egenskaper i an-aerobiske eller anoksiske rensetrinn, hvor bærerelementene kan holdes i bevegelse, f.eks. ved mekanisk omrøring. I disse systemene er det også en fordel å velge densitet nær densiteten av vann for å unngå høy energi-tilførsel for å holde bærerelementene i bevegelse.

Disse bærerelementene har vist seg å gi meget gode resultater ved rensing av forskjellige typer avløpsvann. Spesielt har bærerelementene vist seg å gi større fordeler i behandling av avløpsvann fra treforedlingsindustrien, inneholdende fibre og andre partikler. På grunn av den forholdsvis store størrelse av bærerelementene, kan giftere som brukes til å innestenge bærerelementene ha stor åpningsbredde, og det har vært mulig å unngå alle problemer i forbindelse med tilstopping av fibre osv. Mange treforedlings-industrier som har til hensikt å innføre biologisk rensing, har bare midler for mekanisk rensing anordnet ved sedimenteringsbassenger for å skille fibre osv. En biologisk prosess med bærerelementer i suspensjon ifølge oppfinnelsen, kan utføres før den eksisterende sedimentering på grunn av at fibre kan passere uhindret gjennom prosessen. Både fibre og rester av biomassen som produseres i prosessen kan deretter utskilles i den eksisterende sedimentering, slik at det ikke blir nødvendig å installere et ytterligere separasjonstrinn. I noen tilfeller kan det bli nødvendig med en grov utskillelse av større partikler slik som fliser eller stykker av bark, før den biologiske prosess, men i dette tilfellet dreier det seg om en betydelig enklere og billigere separasjon enn sedimentering.

En stor del av grenseoverflatene mot bæreretementenes omgivelser er åpen for passering av vann og luft inn og ut. Tverrsnittsarealet for passasjeåpningene i grenseoverflatene mot bærerelementenes omgivelser kan omfatte minst 35%, fortrinnsvis minst 40%, og spesielt minst 50% av grenseoverflatene mot omgivelsene av et homogent legeme som har samme dimensjoner.

Spesielt fordelaktige utførelser av bærerelementene for å tilfredsstille kravene om et større tverrsnittsareal for åpningene i passasjene, er slike utførelser hvor bærerelementene er åpne for gjennomstrømning i alle tre dimensjoner. Utførelsene i fig. 1 - 4 er en slik foretrukket utførelse hvor vannet kan strømme fritt gjennom bærerelementet.

Utførelsen i fig. 5 og 6 er forskjellig fra utførelsene i fig. 1 - 4 ved at en aksiell, rørformet passasje 18 er anordnet i sentrum av bærerelementene og hvis ytre overflate er forbundet med veggene 11, som alle har den samme radielle lengde. Ved en ende av bærerelementet er det vekslende vegger 19 og aksielle passasjer 16, mens den andre enden er helt åpen.

I den utførelsen av bærerelementet som er vist i fig. 7 og 8 er spiralvegger 11' og 12' anordnet for å bevirke en roterende bevegelse av bærerelementet i den gjennom-gående strøm av vann, slik at tilførselen av oksygen til biofilmen vil bli ytterligere øket.

Bærerelementene blir holdt i suspensjon i vannet eller avløpsvannet som skal renses biologisk i en reaktor hvor luft blir tilført ved hjelp av lufteanordninger ved bunnen av reaktoren, som vist i fig. 9, som omfatter en reaktortank 20 og lufteanordninger 21 ved bunnen. Vannoverflaten i tanken er betegnet 22. Vannet blir tilført tanken ved toppen av denne ved 23, og drenert ved bunnen via et utløp 24. Bærerelementer 25 er i suspensjon i vannet.

Et problem som kan oppstå i prosesser med bærerelementer i suspensjon er at lufteanordningene må skiftes eller repareres. Lufteanordningene i konvensjonelle tanker er vanskelige å nå på grunn av at tanken er fylt med store mengder av bærermateriale som legger seg på bunnen av tanken når vannet dreneres. Når bærerelementene som anvendes ifølge den foreliggende oppfinnelse brukes, kan dette problemet unngås ved at tanken blir utstyrt med et gitter 26 som dekker bunnen over lufteanordningene 21 ved et slikt nivå at det blir tilgang til lufteanordningene nedenfor gitteret. Gitteret må ha en slik åpningsbredde at bærerelementene 25 ikke kan passere gjennom. Når vannet blir tømt fra tanken, vil bærerelementene bli liggende på gitteret, og det blir da mulig å entre rommet nedenfor gitteret, f.eks. gjennom et mannhull 27. Denne løsningen av problemet er mulig på grunn av at bærerelementene som anvendes ifølge oppfinnelsen er så store at man kan bruke et gitter som har tilstrekkelig store åpninger til at luften kan passere uhindret gjennom.

Gitteret 26 blir også brukt som et utløpsgitter for å holde bærerelementene i prosessen ved at utgående vann føres gjennom gitteret og deretter gjennom utløpet 24 anordnet som en stige. På grunn av at bunngitteret 26 brukes som et utløpsgitter, er det ikke noe behov for et ytterligere gitter for å hindre bærerelementene fra å bli ført sammen med utadgående vann ut av tanken. Risikoen for tilstopping av gitteret 26 er dessuten meget liten på grunn av at gitteret vil bli kontinuerlig skyllet av luften som strømmer nedenfra gjennom gitteret og opp i tanken.

Claims (12)

1. Anvendelse av bærerelementer som har overflaten delvis beskyttet mot kollisjon med overflatene på andre bærerelementer, og har strømningspassasjer (15, 16, 17, 18) utformet for å tillate god gjennomstrømning av vann gjennom bærerelementene også etter at mikrobiell film er etablert på overflatene, og hvor bæreelementene har en lengde, bredde og/eller høyde på mer enn 1,5 cm, fortrinnsvis i området fra 2,5 til 10 cm, og særlig i området fra 3 til 6 cm, hvor den beskyttede overflate er større enn 100 m2 pr. m<3> bærerelementvolum, fortrinnsvis større enn 200 m<2> pr. m<3> bærerelementvolum, og særlig større enn 275 m<2> pr. m<3> bærerelementvolum, og et tverrsnittsareal for åpningene til passasjene (15, 16, 17, 18) i grenseoverflaten mot elementenes omgivelser på minst 35%, fortrinnsvis minst 40%, og særlig minst 50% av grenseoverflaten mot omgivelsene til et homogent legeme med de samme dimensjoner, i en biologisk prosess for rensing av vann og avløpsvann, hvor bærerelementene utgjør bærere for mikrobiell film og blir holdt i bevegelse i vannet.

2. Anvendelse ifølge krav 1, idet åpningene til passasjene (15, 16, 17, 18) i grenseoverflaten til hvert bærerelement er anordnet slik at vann og luft kan strømme inn i bærerelementet fra alle retninger.

3. Anvendelse ifølge krav 1 eller 2, idet bærerelementet har kryssende passasjer (15, 16, 17, 18) på en slik måte at vann kan strømme gjennom bærerelementet i alle tre dimensjoner.

4. Anvendelse ifølge et eller flere av kravene 1 - 3, idet hvert bærerelement er bygget opp av radielt rettede vegger (11, 12, 11', 12') som er sammenbundet til en struktur i likhet med et turbinhjul som er åpent langs midten.

5. Anvendelse ifølge krav 4, idet veggene (11, 12, 11', 12') er sammenbundet ved hjelp av en ringformet del (13, 14) ved hver ende av bærerelementet.

6. Anvendelse ifølge krav 4 eller 5, idet veggene (11, 12) er sammenbundet ved midten ved hjelp av et rør som danner en passasje (18) langs midten av bærerelementet.

7. Anvendelse ifølge et eller flere av kravene 4-6, idet passasjene mellom veggene (11, 12) på en ende av bærerelementet er vekslende åpne og lukket ved hjelp av vegger (19).

8. Anvendelse ifølge et eller flere av kravene 4 - 7, idet veggene (11, 12, 11', 12') har vekselvis større og mindre radiell lengde.

9. Anvendelse ifølge et eller flere av kravene 1 - 8, idet veggene (11', 12') er skruelinjeformet.

10. Anvendelse ifølge et eller flere av kravene 1-9, idet densiteten til bærerelementet er i intervallet fra 0,92 til 1,40 kg pr. dm<3>, fortrinnsvis i intervallet fra 0,94 til 1,35 kg pr. dm<3>, og særlig i intervallet fra 1,10 til 1,30 kg pr. dm<3>.

11. Anvendelse ifølge et eller flere av kravene 1 -10, idet bærerelementet er laget ved sprøytestøping av plast- eller komposittmateriale.

12. Anvendelse ifølge et eller flere av kravene 1-11 for behandling av avløpsvann fra treforedlingsindustrien som inneholder minst 100 mg/l av materiale i suspensjon, målt på et GF/A-filter.