NO342696B1 - Fremgangsmåte og installasjon for behandling av et vandig avløp for det formål å ekstrahere minst én oppløst gassforbindelse fra denne; for anvendelse ved akvakultur i et resirkulert vandig miljø - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å behandle et vandig avløp omfattende minst én oppløst gassforbindelse, for eksempel karbondioksid, bestående i å separere i det minste delvis denne forbindelse fra avløpet for å oppnå en behandlet vandig fase befridd for nevnte forbindelse, ved hvilken fremgangsmåte: (a) en oppadstrømmende væskesøyle av det vandige avløp opprettes ved å injisere og fordele i søylen, ved bunnen, en gassfase som er mindre rik på den nevnte forbindelse enn det vandige avløp, for eksempel luft eller oksygen, hvilken gassfase fordeles i den nevnte søyle i form av bobler, av hvilke volumet øker i retning mot toppen, hvorved en blandet væske/gasstrøm fås på toppen, (b) den blandede væske/gasstrøm separeres i en væskestrøm som utgjør den behandlede vandige fase, og en avgasstrøm anriket på den nevnte gassforbindelse, hvilken fremgangsmåte er særpreget ved at den blandede væske/gasstrøm separeres under et redusert trykk, ved at det etableres et gassrom mellom væskestrømmen og gasstrømmen, og at den sistnevnte oppsuges.

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

Generelt angår oppfinnelsen behandling av et vandig avløp, omfattende én eller flere oppløste gassforbindelser, for eksempel karbondioksid og/eller nitrogen, for å skille ut, helt eller delvis, de nevnte forbindelser, som for eksempel betraktes som forurensninger, fra det nevnte vandige avløp, for å oppnå en behandlet vandig fase som er befridd for nevnte gassforbindelse(r), eller hvor iallfall konsentrasjonen av disse derved reguleres eller holdes i sjakk, for eksempel til under eller over en forhåndsdefinert terskel.

Mer spesielt, men som et eksempel, utgjør behandlingen som foretas i henhold til den foreliggende oppfinnelse, en del av en hvilken som helst fremgangsmåte for dyrking av en levende organisme, for eksempel akvakultur, i et resirkulert vandig miljø, i henhold til hvilken fremgangsmåte:

- det gjøres bruk av et bad av det vandige medium, tildekket eller ikke, som kan være inndelt eller ikke i elementære kretsløp i seriekobling eller i parallellkobling, i hvilke den dyrkede levende organisme, for eksempel fisk, er neddykket,

- en avløpsstrøm, fra hvilken det vandige avløp som skal behandles fås, tas ut fra badet for å regulere konsentrasjonen av oppløste gassformige forbindelser i det vandige avløp,

- en tilførselsstrøm, som fås fra den behandlede vandige fase, og som er blitt tømt for oppløste gassformige forbindelser, tilføres til eller reinjiseres i det samme bad.

I sammenheng med den foreliggende oppfinnelse menes med "levende organisme”, levende organismer på et lavere nivå, som for eksempel mikroorganismer, alger, osv., og også levende organismer på høyere nivå, som for eksempel fisk, mollusker eller skalldyr.

For formålene med beskrivelsen ifølge den foreliggende oppfinnelse skal oppfinnelsen nå fremlegges og kommenteres med henvisning til akvakultur i resirkulert vandig medium.

Under betingelsene ved akvakultur i resirkulert vandig medium for å fremme vekst og sunne vilkår for fisken, er det kjent i dag at det er vesentlig å regulere konsentrasjonen av oppløst gass, dvs. å opprettholde:

- oppløst oksygen under en viss terskel,

- det oppløste karbondioksid og nitrogen.

For også å fjerne minst én oppløst gassformig forbindelse fra det vandige akvakulturavløp, for eksempel oppløst karbondioksid, benyttes en kolonne betegnet som en ventilert kolonne, bestående i det vesentlige av en kolonne fylt med en pakning bestående av adskilte elementer som fremmer en gass/væske-grenseflate (eller diopter) med et stort, utviklet overflateareal i henhold til kolonnens tverrsnitt og høyde. Avgassen som skal behandles, innføres og fordeles på toppen av kolonnen, over pakningen, for eksempel ved sprinkling, mens en elueringsgassfase eller "strippe"-gassfase, som er mindre rik på den nevnte gassforbindelse (karbondioksid) enn det vandige avløp, for eksempel trykkluft, innføres i bunnen av kolonnen, for eksempel i pakningen. En væskestrøm som utgjør den behandlede vandige fase, tas ut ved bunnen av kolonnen, og en avgasstrøm som er anriket på den nevnte oppløste gassformige forbindelse, tas ut på toppen av kolonnen.

Med uttrykket "mindre rik på nevnte gassforbindelse" menes det at, når alt ellers er likt (også trykket), er konsentrasjonen av nevnte gassforbindelse i den vandige fase, som vil være i likevekt med konsentrasjonen av gassforbindelsen i gassfasen, lavere enn den effektive konsentrasjon av gassforbindelsen i den behandlede vannfase. I det vesentlige vil det å benytte en ventilert kolonne, svare til å sirkulere vann gjennom en gassfase, i dette tilfelle luft, stort sett i forholdet 10 volumdeler luft i motstrøm mot én volumdel behandlet vann.

Bruk av disse ventilerte kolonner, som kan sammenlignes med luftkjølte kjøletårn, medfører mange ulemper.

Deres effektivitet med hensyn til ekstraksjon av oppløst gass er begrenset. Hva for eksempel karbondioksid angår, synes det ikke mulig å kunne ekstrahere mer enn 25-30% av det oppløste karbondioksid. Dette skyldes det begrensede utviklede overflateareal av gass/væske-grenseflaten, som ytterligere forminskes av utviklingen av biofilmer i kolonnepakningen på den ene side og ved tilstopping og preferensielle strømningsbaner for vannet i pakningen på den annen side.

Enhver luftet kolonne forbruker også en relativt stor mengde energi for dens drift, spesielt fordi det vandige avløp som skal behandles, må pumpes for å føre det opp til toppen av kolonnen.

Med hensyn til opprettholdelse av temperaturen av den utgående behandlede vandige fase, sammenlignet med det innstrømmende vandige avløp, som kan være av betydning ved en akvakulturmetode i resirkulert vandig medium, vil bruk av en ventilert kolonne nødvendigvis avgi varmeenergi, hvilket gjør det nødvendig i visse tilfeller å oppvarme den behandlede vandige fase ved utløpet fra den ventilerte kolonne.

Enhver ventilert kolonne utgjør et kammer med et ikke ubetydelig volum, gitt volumet av luft (sirkulerende gassfase), som gir opphav til en relativt voluminøs installasjon, som kanskje representerer en ikke ubetydelig investering i materiell og infrastruktur.

Og ut fra et hensyn til biologisk sikkerhet, som for luftkjølte kjøletårn, kan implementering av en ventilert kolonne danne aerosoler som vil kunne komme i kontakt med den omgivende atmosfære, tatt i betraktning det overtrykk som finnes i den ventilerte kolonne.

Det er et siktemål med den foreliggende oppfinnelse å bøte på de ovennevnte ulemper med ventilerte kolonner.

Beskrivelse av den tidligere kjente teknikk

For å oksygenere et vandig medium, blant annet ved akvakultur, er det kjent lufthevende systemer eller gasshevertsystemer, som antar ulike former ved bruk i praksis. Vanligvis består en gasshevert for eksempel av en rørledning som er i det minste delvis neddykket vertikalt i et bad av vandig medium, eller av en rørledning anordnet på utsiden av badet, for å opprette en oppadstrømmende væskesøyle.

For dette formål injiseres en gassfase under trykk og fordeles i søylen, i praksis i bunnen av den vertikale rørledning, idet gassfasen fordeles i væskesøylen i form av små bobler, hvorved volumet øker i retning oppad, hvorved en blandet væske/gassstrøm, som er mer eller mindre homogen, fås på toppen av den vertikale rørledning, hvilken strøm for eksempel tas ut via den øvre ende av den vertikale rørledning.

En gasshevert synes derfor å utgjøre et dynamisk system, men uten mekaniske deler av pumpetypen, utformet for å løfte en væske til en viss høyde, ved bruk av mer eller mindre store bobler, som fås ved injeksjon og fordeling av en gass under trykk i en væske som er avgrenset i en vertikal søyle.

Slike systemer er velkjente og er blitt beskrevet av forskjellige forfattere, se for eksempel D.J. Reinemann og M.B. Timmons, Aquacultural Engineering 8 (1989), 29-46.

Innenfor akvakultur finner slike systemer utstrakt anvendelse for oksygenering av badet av vandig medium i hvilket fiskeoppdrett finner sted, i selve badet eller på utsiden av dette, for å oppnå et resirkulert vandig miljø, ved injeksjon og fordeling av atmosfærisk luft under trykk.

Enhver gasshevert er i stand til ikke bare å oksygenere et vandig avløp som behandles ved hjelp av denne, når den vandige fase som injiseres og fordeles, inneholder luft eller oksygen, men er også i stand til å strippe oppløste gassformige forbindelser, som for eksempel karbondioksid, fra det vandige avløp, slik diverse forfattere har konstatert og utforsket, se for eksempel J Clay Loyless og R. F. Malone, Aquacultural Engineering 18 (1998) 117-133. Følgelig har enhver gasshevert kapasitet for å eluere eller "strippe" de oppløste gassformige forbindelser fra et vandig avløp som inneholder disse, forutsatt at det gjøres bruk av en egnet gasshevert-gassfase som er mindre rik på gassforbindelsen enn det vandige avløp som behandles.

I en publikasjon av A. Richmond, S. Boussiba, A. Vonshak og R. Kopel, i Journal of Applied Phycology 5-327-332, 1993 og dennes figur 1, beskrives en fremgangsmåte for akvakultur av mikroalger i et resirkulert vandig medium, hvor:

- det er tilveiebragt et bad av vandig medium, i hvilket mikroalgene dyrkes, og som i praksis inneholdes i rørknipper som er ordnet horisontalt, med en fordeler ved inntaket og en manifold ved uttaket,

- en avløpsstrøm, anriket eller mettet på oksygen, som utgjør det behandlede avløp, tas ut fra badet via utløpsmanifolden,

- det nevnte avløp behandles ved bruk av en gasshevert som ovenfor beskrevet, ved drift under et positivt trykk. For dette formål opprettes det en oppadstrømmende væskesøyle av det behandlede vandige avløp. Luft injiseres og fordeles i den nevnte søyle, i dennes bunn, og denne gassfase fordeles i søylen i form av bobler hvis volum øker i retning oppad, hvorved det ved toppen fås en blandet væske/gass-strøm,

- den blandede væske/gass-strøm separeres i en separator/avgasser i en væsketrøm som utgjør den behandlede vandige fase, som anrikes med karbondioksid og tilbakeføres til badets innløpsfordeler, og en oksygenanriket avgasstrøm.

En slik behandlingsmetode gir i praksis et relativt begrenset utbytte av ekstraksjonen av oppløst gass.

Det beskrives også i forskjellige dokumenter fremgangsmåter for behandling av et vandig avløp eller av et vandig medium ved bruk av en gasshevert med atmosfærisk luft injisert under trykk:

- i verket "Pond aquaculture water quality management", sider 354-373, publisert i 1998, beskriver C.E. Boyd og C.S. Tucker bruk av en gasshevert i et bad av vandig akvakulturmedium, uten deksel,

- i US-C-4 972 801 beskrives anvendelse av en gasshevert i et borehull eller en brønn for vanntilførsel til et akvakulturbasseng, for å løfte opp tilførselsvannet for fordeling av dette i bassenget og for oksygenering av den tilførte vannstrøm,

- i US-C-5 961 831 og US-C-6 171 480 beskrives et komplett akvakultursystem omfattende en gasshevert for løfting av et vandig avløp fra akvakulturbadet, etter at det er blitt filtrert og før biofiltrering foretas.

I EP0457261 beskrives et apparat for rensing av det grunnvann som inneholder forurensinger. Apparatet omfatter et vanntransportør og et mantelrør. Et gassinjeksjonsrør innføres fra utsiden inn i vanntransportrøret. Et gassutløpsrør er forbundet med mellomrommet mellom vanntransportrøret og mantelrøret, gjennom hvilket utløpsrør gass holdes i rommet og inneholder forurensningene fra grunnvannet, kan tilføres til et filter.

I US5180503 beskrives et in situ-system for fjerning av flyktige organiske forbindelser fra grunnvann. Teknikken inkluderer gassløftepumpe og in-situdampstripping.

DE4039824 beskriver et arrangement for å drive ut flyktige urenheter fra grunnvann med luft eller annen gass som omfatter en aksel tilpasset til å strekke seg til et grunnvannsområde og har minst en lokalt en vannpermeabel vegg dannet som en annen vegg og begrenser i det minste delvis et luftmottakskammer som kommuniserer med en luft utenfor, en ventilator som kommuniserer med akselen for å frembringe et negativt trykk og aspirerende luft fra en akseldel som er plassert over et grunnvannsnivå og et rør som strekker seg i akselen til et område under grunnvannsnivået for derved å danne luftmottakskammeret og å tilveiebringe kommunikasjon til luften utenfor.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Ett siktemål med den foreliggende oppfinnelse er den spesielle utnyttelse av en gasshevert for å korrigere ulempene ved ventilerte kolonner.

Det er siktemålet med oppfinnelsen å forbedre gasshevertenes utbytte ved ekstraksjon av oppløst gass.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en fremgangsmåte, som angitt i krav 1, for å behandle et vandig avløp omfattende minst én oppløst gassforbindelse og en installasjon, som angitt i krav 13, for utførelse av fremgangsmåten

Generelt angår den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å behandle et vandig avløp omfattende minst én oppløst gassforbindelse, for eksempel karbondioksid, hvilken fremgangsmåte består i å skille ut i det minste delvis den nevnte forbindelse fra avløpet for å oppnå en behandlet vandig fase som er utarmet på nevnte forbindelse, en fremgangsmåte i henhold til hvilken:

(a) en oppadstrømmende væskesøyle av det vandige avløp opprettes ved å injisere og fordele i nevnte søyle, ved dennes bunn, en gassfase som er mindre rik på den nevnte forbindelse enn det vandige avløp, for eksempel luft eller oksygen, idet nevnte gassfase fordeles i søylen i form av bobler hvis volum øker i retning oppover, hvorved det fås en blandet væske/gass-strøm ved toppen,

(b) den blandede væske/gass-strøm separeres i en væskestrøm som utgjør den behandlede vannfase og en avgasstrøm som er anriket på nevnte gassforbindelse.

Fremgangsmåten kjennetegnes ved at den blandede væske/gass-strøm separeres under vakuum ved å opprette et gassrom mellom væskestrømmen og gasstrømmen og ved å oppsuge den sistnevnte.

Fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse virker på motsatt måte av den fremgangsmåte som beskrives i publikasjonen ifølge A. Richmond et al., ved at den takket være det ovennevnte vakuum tjener til å utarme den behandlede vandige fase på karbondioksid, samtidig som den anriker den på oppløst oksygen.

Mer spesielt, men ikke på noen ekskluderende måte, utgjør denne fremgangsmåte for behandling, gassfjerning eller avgassing en del av en fremgangsmåte for oppdrett av en levende organisme, i resirkulert vandig medium, i henhold til hvilken:

- det tilveiebringes et bad av det vandige medium, i hvilket den levende organisme kultiveres,

- det tappes ut fra badet en avløpsstrøm fra hvilken det vandige avløp oppnås, - og badet forsynes med en tilførselsstrøm oppnådd fra den behandlede vandige fase,

- idet den behandlede vandige fase fås på utsiden av badet av vandig medium, ved en avgassings- eller gassfjerningsbehandling som ovenfor angitt.

Hva angår separasjonen av den blandede væske/gass-strøm, menes det med "vakuum" ethvert trykk som er lavere enn den verdi som oppnås ved å subtrahere, for eksempel i centimeter vann, høyden av den oppadstrømmende væskesøyle fra atmosfæretrykket, eller det hydrauliske trykk av det vandige avløp som skal behandles.

Fortrinnsvis blir fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utført på tilsvarende måte som en hevert, og for dette formål utgjør væskestrømmen som skilles ut fra avløpsgass-strømmen en nedadstrømmende væskesøyle, oppnådd ved utstrømning av den blandede væske/gass-strøm over et høyt punkt. I et slikt tilfelle vil for eksempel den nedadstrømmende væskesøyle og den oppadstrømmende væskesøyle være konsentriske i forhold til hverandre.

Sammenlignet med avgassing med en ventilert kolonne, medfører fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen de følgende vesentlige fordeler:

- dens drift krever lite energi, fordi det kun er nødvendig å komprimere gassfasen som injiseres inn i væskesøylen, og å pumpe avgasstrømmen, for å bringe separasjonen av den blandede væske/gass-strøm under vakuum,

- dens drift avgir lite varmeenergi, fordi fremgangsmåten kan utføres i en kompakt og samlet installasjon, for eksempel i to konsentriske rør med det ene plassert inne i det andre,

som ovenfor angitt er anlegget som kreves for dens drift, relativt enkelt og kompakt,

- dets drift forblir sikker fra et biologisk standpunkt, fordi den er innelukket og utføres hovedsakelig under vakuum,

- og avgasstrømmen, etter komprimering, kan kondenseres for å gjenvinne de ekstraherte gassforbindelsers kondenseringsenergi.

Behandlingsmetoden ifølge oppfinnelsen er også godt egnet for:

- reoksygenering av den behandlede vandige fase, ved injeksjon av oksygen inn i den oppadstrømmende søyle og/eller den nedadstrømmende søyle,

- ozonering av den behandlede vandige fase, ved ozoninjeksjon i den oppadstrømmende søyle,

- og ekstraksjon av de faste partikler fra avgasstrømmen, når denne strøm har form av et skum.

Kort beskrivelse av tegningene

Den foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives med henvisning til den vedføyde tegning, hvor:

- figur 1 skjematisk viser et komplett utstyr for akvakultur, i et resirkulert vandig miljø, hvor det er innlemmet et anlegg for behandling av det vandige avløp som stammer spesielt fra metabolisme og vekst av levende oppdrettsorganismer, for eksempel fisk,

- figur 2 skjematisk viser installasjonen for behandling av det vandige akvakulturavløp, og

- figur 3 viser en eksperimentell montasje som har gjort det mulig å teste den foreliggende oppfinnelse.

Beskrivelse av de foretrukne utførelsesformer

Akvakulturutstyret som er vist skjematisk på figur 1, er samlet rundt badet 13 av vandig medium, i hvilket den levende organisme av interesse, for eksempel fisk, dyrkes eller oppdrettes. Dette bad inneholdes for eksempel i et basseng 14. En avløpsstrøm 15 tappes ut av badet 13, filtreres mekanisk 27 og føres til en buffertank 28. En resirkuleringssløyfe 29 er installert fra den ovennevnte buffertank, for overføring av nitrogenavløpet, spesielt ammoniakk, etter den enzymatiske eller bakterielle metode, til nitritt og nitrat. For dette formål blir en strøm tatt ut fra buffertanken 28, eventuelt supplert 33 med friskt vann, oppvarmet i en varmeveksler 30, sterilisert 31 ved UV-stråling, deretter filtrert ved bruk av et bakteriesjikt 32 og til slutt tilbakeført til tanken 28. Det vandige avløp 16 som skal behandles i henhold til oppfinnelsen, fås fra buffertanken 28.

Behandlingsinstallasjonen i henhold til oppfinnelsen, nemlig for ekstraksjon eller fjerning av de oppløste gasser 19, dvs. karbondioksid og i en viss utstrekning nitrogen, er vist skjematisk ved henvisningstall 1. Den mottar det vandige avløp 16, og det genererer en behandlet, dvs. avgasset, vandig fase fra hvilken en tilførselsstrøm 17 på ny innføres i badet 13. Når det passerer gjennom behandlingsinstallasjonen 1, blir det vandige medium utarmet på oppløste gasser, fjernet med gasstrømmen 19, ved den eluerings- eller "strippe"-virkning som genereres ved injeksjon av gassfasen 10, i dette tilfelle luft, inn i mediet og som følge derav fattigere på karbondioksid og/eller nitrogen. En andel av det vandige avløp 16 som innføres i behandlingsinstallasjonen 1, kan fås direkte fra badet 13, dvs. uten å føres gjennom bakteriefiltreringssløyfen 29. Og på tradisjonell måte, ved å betrakte badet 13 som et lukket miljø, blir dette, i tillegg til den løpende tilførsel 17 og avløpsstrømmen 15, tilført næringsmidler 34 for vekst og utvikling av de dyrkede, levende organismer, hvilke regelmessig innhøstes eller tas ut av bassenget 14, og en utrensking av nitrater foretas regelmessig.

Den vandige installasjon for behandling av avløp, som er vist på figur 2 sammen med akvakulturbadet 13, omfatter hovedsakelig en kolonne betegnet vakuumkolonne, bestående av i det minste:

- to konsentriske rør, et ytre rør 2 og det andre et indre rør 3, anordnet vertikalt, hvilket gir et internt rørformet kammer 4 for en oppadstrømmende væskesøyle 6 eller en nedadstrømmende væskesøyle 7, og et ytre rørformet kammer 5 for den nedadstrømmende søyle 7 eller den oppadstrømmende søyle 6. Det ytre rør 2 er lukket 2a i dets øvre del, over den åpne øvre ende 3a av det indre rør 3, slik at det ytre kammer 5 er lukket og isolert fra utsiden,

- en anordning 8 for innføring av det vandige avløp 16 som skal behandles, anordnet i bunnen av det indre kammer 4 eller det ytre kammer 5; en anordning 9 for fjerning av den behandlede vandige fase ved bunnen av det ytre kammer 5 eller det indre kammer 4,

- en anordning 10 for injeksjon og fordeling av gassfasen, i dette tilfelle trykkluft, i den oppadstrømmende søyle 6, forbundet med en kilde for nevnte gassfase under trykk, ikke vist,

- en anordning 11 for uttak av avgasstrømmen, anriket på gassformig forbindelse tidligere oppløst i det vandige avløp, forbundet indirekte til en innsugningsanordning 12 bestående av en luftpumpe.

Denne intallasjon gjør det mulig å behandle det vandige avløp 16, omfattende den eller de oppløste gassformige forbindelser, i dette tilfelle karbondioksid, ved å skille ut de nevnte forbindelser i det minste delvis fra avløpet, for å oppnå den behandlede vandige fase 17, utarmet på disse forbindelser.

Med henvisning til Figur 2:

a) Det opprettes en oppadstrømmende væskesøyle 6 av vandig avløp i det indre kammer 4, ved injeksjon og fordeling 10 i nevnte søyle, i bunnen, av en gassfase med lavere innhold av de ovennevnte forbindelser enn det vandige avløp, i dette tilfelle trykkluft eller oksygen under trykk, hvorved denne gassfase fordeles i denne søyle i form av bobler (ikke vist), av hvilke volumet øker i retning oppad, hvorved en mer eller mindre homogent blandet væske/gass-strøm 18 fås på toppen,

b) denne blandede væske/gass-strøm separeres i en væskestrøm 17, bestående av en nedadstrømmende væskesøyle 7 i det ytre kammer 5, oppnådd ved strømning av den ovennevnte blandede strøm 18 over kanten eller det høye punkt 3a i det indre rør 3, og en avgasstrøm 19, anriket på nevnte gassforbindelse.

I henhold til oppfinnelsen blir det i den øvre del av det ytre kammer 5 opprettet et gassrom 20 mellom væskestrømmen 17 og gasstrømmen 19, svarende til separasjonen av den blandede væske/gass-strøm 18; og dette gassrom står under vakuum på grunn av utsugingen av gasstrømmen 19 ved hjelp av pumpen 12.

Følgelig virker den ovenfor beskrevne vakuumkolonne som en hevert, som vist på figur 2, ifølge hvilken den nedadstrømmende væskesøyle 7 og den oppadstrømmende væskesøyle 6 er konsentriske med hverandre, idet den oppadstrømmende væskesøyle 6 befinner seg på innsiden, mens den nedadstrømmende væskesøyle 7 befinner seg på utsiden, eller omvendt.

Installasjonen vist på figur 2 oppviser også de følgende trekk, som kan vurderes hvert for seg eller i kombinasjon med hverandre.

Det vandige avløp 16 innføres i bunnen av den oppadstrømmende søyle 6, og den behandlede vandige fase tas ut i bunnen av den nedadstrømmende søyle 7, stort sett på det samme nivå.

I tillegg til injisert luft, injiseres oksygen 21 og fordeles i den oppadstrømmende søyle 6, på et høyt nivå, i det minste på et nivå høyere enn innføringsnivået 10 for gassfasen. Denne oksygeninjeksjon tjener, om nødvendig, til å fullføre oksygeneringen av akvakulturens vandige medium.

Om nødvendig, for eksempel for å sterilisere det vandige medium, spalte humussyrene og gjenopprette det vandige mediums redokspotensiale, kan ozon injiseres ved 22 og fordeles i den nedadstrømmende søyle 7, på et lavere nivå enn innføringsnivået 10 for gassfase.

Om nødvendig, kan tverrsnittet av den nedadstrømmende væskesøyle 7 økes i retning nedad.

Vanligvis har avgasstrømmen form av et skum. Følgelig benyttes en konvensjonell skumfjerningsinnretning 23 for å oppnå en utskilt væske 24, eventuelt omfattende en partikkelformig fraksjon, for eksempel et organisk materiale i oppslemmet form eller i kolloidal form, og en avgass 26 som er fri for væskefase og faste partikler. Den utskilte væske 24 fjernes ved hjelp av en pumpe 25. Avgassen 26 pumpes ved hjelp av pumpe 12, hvis sugeside er forbundet med gassrommet 20 i det ytre rørformede kammer 5.

Som vist på figur 2:

- blir en avgasstrøm 15, fra hvilken det vandige avløp som skal behandles, 16, oppnås, avtappet fra akvakulturbadet 13,

- og badet 13 tilføres en tilførselsstrøm 17 som oppnås fra eller er identisk med den behandlede vannfase, hvilken sistnevnte oppnås på utsiden av bassenget 13 fra det vandige avløp 16, i henhold til behandlingsmetoden utført i vakuumkolonnen 1.

Uttaksmengden 13a fra bassenget 13 er hovedsakelig det samme som uttaksmengden fra bunnen av den oppadstrømmende væskesøyle 6. Og tilførselsmengden 13b til bassenget 13 befinner seg over bunnen av den nedadstrømmende søyle 7.

Den foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives ved hjelp av forsøk med henvisning til det forsøksanlegg som er vist på figur 3, med følgende kommentarer:

51: vakuumpumpe

52: oksygenator

53: en tank som svarer til akvakulturbassenget 13

1: vakuumkolonne

10: injisert vannfase

54: buffer- eller oppsamlingstank

1. Forsøksanlegg

1.1 Vakuumkolonne 1

Vakuumkolonnen 1 består av to konsentriske PVC-rør 2 og 3. Det ytre rør er 4,5 m høyt og har en diameter på 16 cm, mens det indre rør 13, som danner et U-rør, er 4 m høyt og har en diameter på 16 cm.

Prinsippet ved denne kolonne består i å injisere 10 luft inn i det indre rør for å trekke med seg en vannstrøm 6 ved trykkluft-transport og deretter skape et vakuum ved oppsuging av luften ved toppen 20 av søylen ved bruk av en vakuumpumpe 12. Mens luften 19 suges opp ved toppen av kolonnen, strømmer vannet som er blitt trukket med av luft-transporten, nedad 7 og inn i det ytre rør 3. For å oppnå et system som opprettholdes under stabile dynamiske betingelser, er den oppsuging som forårsakes, litt sterkere enn injeksjonen. Det ekstra vann som suges opp, fanges opp i en buffertank 34 foran pumpen 12 for å beskytte denne. Dette vann er ladet med findelte partikler som er blitt medrevet til toppen av kolonnen av gassheverten. Således gjør systemet det mulig å observere kvaliteten av vannet som gjenvinnes. Overflaten som er blitt utviklet av mikroboblene i den injiserte luft, er på ca. 9 m<2>.l<-1>. Kolonnen drives med en 175 W pumpe 12 som sørger for oppsugingen. For injeksjonen varierer energiforbruket i henhold til luftvolumet som det ønskes å injisere. Dette har ikke overskredet 35 W.

1.2 Resten av installasjonen

Tanken 53 har en volumetrisk kapasitet på 15 m<3>. Det nødvendige CO2og O2tilføres ved hjelp av trykksylindere. Buffertanken 54 har en romkapasitet på ca. 100 l. Den dreneres ved hjelp av en bunnventil etter endt forsøk. Dette kan lett utføres automatisk ved kontinuerlig drift. For å reoksygenere vannet sirkuleres en del av utløpsstrømmen fra kolonnen i oksygenatoren 52, i hvilken rent O2injiseres.

2. Forsøk

2.1 CO2-avgassingsforsøk

2.1.1 CO2-tilsetning

For å måle effektiviteten av vakuumkolonnen med henblikk på avgassing av CO2-innholdet ble det fastsatt en mengde av 25 mg.l<-1>(+/-2 mg.l<-1>) på begynnelsestidspunktet (T0min). For tilsetning av CO2ble det benyttet en flaske med komprimert CO2, og karbondioksidet ble fordelt gjennom en mikrobobleinnretning for å lette oppløsningen av gassen i vannet i tanken 53. Etter endt forsøk (T60min) ble restmengden av CO2målt.

2.1.2 Forsøk med vakuumkolonnen med variabel luftinjeksjonsdybde. Keramiske mikrobobler ble anbragt i det sentrale rør 3 i vakuumkolonnen 1 i forskjellige dybder (1, 2, 3 og 4 m) for å måle virkningen av luftinjeksjonsdybden på effektiviteten av lufthevingen og av CO2-avgassingen.

2.1.3 Forsøk med vakuumkolonnen ved variable vann- og luftstrømningshastigheter.

Ved en fastsatt luftstrømningshastighet (0,5 l.s<-1>), ble vannstrømningshastigheten variert mellom 0,3 og 3 l.s<-1>ved bruk av en ventil for å måle dens innvirkning på effektiviteten av avgassingen. For en fastsatt vannstrømningshastighet (2 l.s<-1>) ble på tilsvarende måte den injiserte luftstrømhastighet variert mellom 0,03 og 0,55 l.s<-1>ved bruk av en ventil.

2.2 Dimensjonering av vakuumkolonnepumpens funksjon

For å evaluere effektiviteten av pumpens funksjon ble vannstrømningshastigheten målt som en funksjon av den totale manometriske høyde (hmt) for forskjellige strømningshastigheter av den injiserte luft (0,15, 0,3, 0,45 og 0,6 L.s<-1>. Den nevnte hmt svarer til trykket som pumpen 112 må tilføre for å overføre en væske fra et sted til et annet. For å variere dette ble trykkfallet øket ved å endre nivået av vannuttaket i tanken 54 (fra 0 cm til 40 cm).

2.3 Forsøk med varmetap fra vakuumkolonnen

Med henblikk på å estimere vakuumkolonnens varmetap ble det benyttet en oppvarmningsresistor for å øke vanntemperaturen med minst 5 ºC over lufttemperaturen. Temperaturen av den omgivende luft ble ikke overvåket og varierte under forsøket. Den angitte temperaturdifferanse svarer derfor til den ved forsøkets begynnelse. Varmetapet i W ble beregnet ved å ta i betraktning antallet kalorier som gikk tapt med hensyn til vannvolumet i tanken. Det ble validert ved beregning av den energi som ble konsumert av resistoren for å varme opp det samme volum vann i et gitt tidsrom.

Imidlertid ble den relative fuktighet ikke tatt i betraktning.

2.4 Forsøk vedrørende effektiviteten av mikropartikkelekstraksjonen

For å estimere vakuumkolonnens 1 kapasitet for mikropartikkelekstraksjon ble blomstrende alger tilveiebragt fra et lagunebasseng for å fylle opp 2/3 av volumet av tanken 53 med bassengvann. Vakuumkolonnen 1 ble deretter satt i drift, mens det ble tatt vannprøver fra tanken ved T0, T30og T60min, og fra buffertanken 54 ved T60min, for å kvantifisere ekstraksjonen av mikroalger.

3. Måling av mekaniske parametere

3.1 Vannstrømningshastighet

Vannstrømningshastighetene ble målt med en Endress Hauser Promag W elektronisk strømningsmåler. Målingene er gitt i l.min<-1>� 10<3>l.min<-1>.

3.2 Luftstrømningshastighet

Luftstrømningshastighetene ble målt ved bruk av en Brook Tube Size R16-15-B kule-strømningsmåler. Målingene er gitt i mm � 1 mm. De ble overført til l.s<-1>ved bruk av en referansekurve.

4. Måling av kjemiske parametre

4.1 Karbondioksid

En CO2-prøve (Oxyguard karbondioksid-analysator) gir direkte verdien i mg.L<-1>for CO2(til den nærmeste mg.L<-1>), ved måling av gassenes diatermasitet i vannet ved infrarød stråling. Da det imidlertid tar relativt lang tid å benytte apparatet, ble en referansekurve for CO2-konsentrasjonen som en funksjon av sjøvannets pH plottet inn. Denne ble benyttet for å bestemme CO2-verdiene ved måling av pH-verdien i tanken med en pH-måler til den nærmeste 10<-2>(Eutech instrumenter Ecospan pH 5). Verdiene som ble oppnådd med pH-målerens ved start og ved begynnelsen og avslutningen av forsøket, ble alle validert med CO2-prøven.

4.2 Oksygen

Oksygenet ble målt ved bruk av en oksygenmåler (YSI 52 Dissolved Oxygen Meter) som direkte gir verdien for O2i mg.L<-1>, og som en prosentandel av O2-metningen i vannet. Målingens nøyaktighet er � 0,1 mg.L<-1>eller � 0,1%.

4.3 Andre parametere

Vanntemperaturen ble overvåket med pH-målerens neddykkede termometer til den nærmeste 0,1 ºC. Saltinnholdet ble overvåket med et ATAGO refraktometer til den nærmeste � 1%. For å måle totaltrykket av samtlige av de oppløste gasser i vannet (nitrogen, oksygen, CO2, osv.) ble det benyttet en metningsmåler (Alpha Design 300E Tensionometer) som ga verdien til den nærmeste mmHg.

5. Måling av mengden av ekstraherte mikroalger

Konsentrasjonen av mikroalger ble ikke bestemt, men en måling av den optiske densitet (OD) ved bruk av et spektrometer til den nærmeste � 10<-4>(Beckman DU 640 Spectrometer) ga en approksimasjon til ekstraksjonskapasiteten for mikroalgene.

6. Resultater

6.1 Karakterisering av driften av vakuumkolonnen 1

6.1.1 Pumpefunksjon

Forsøkene tjente til å karakterisere lufthevingens kapasitet til å føre vannet inn i systemet. Vannstrømningshastighetene varierte i henhold til mengden av injisert luft, injeksjonsdybden og hmt. Dess mer luft som ble injisert, jo høyere ble den resulterende vannstrømningshastighet, og jo dypere den nevnte luft injiseres, jo høyere blir vannstrømningshastigheten og, sluttelig, jo høyere hmt-verdien, jo lavere blir strømningshastigheten. Under denne fase av forsøket ble det oppnådd maksimale vannstrømningshastigheter på ca. 12 m<3>.h<-1>, ganske enkelt ved økning av lufthevingen til 0,6 l.s<-1>injisert luft.

6.1.2 Vakuumkolonnens avgassingsfunksjon

De samlede data fra forsøkene ble benyttet for å sette opp kurvene. Unøyaktighetene og ulikhetene mellom CO2-målemetodene er årsaken til de standardavvik som ble observert i kurvene vedrørende CO2-avgassingen.

6.1.2.1 Virkning av injeksjonsdybden på CO2-ekstraksjonen

Avgassing er mer effektiv når injeksjonen utføres i større dybde, fra og med 2 meter. Imidlertid er der ingen forskjell mellom injeksjon ved 2, 3 eller 4 m.

6.1.2.2 Virkning av vannstrømningshastigheten på CO2-ekstraksjonen Vannstrømningshastigheten har en innvirkning på effektiviteten ved avgassingen. Jo høyere vannstrømningshastigheten er, jo mer effektiv blir avgassingen opp til en utflatning rundt 2 l.s<-1>. Den maksimale effektivitet ved avgassingen synes å finne sted når vannstrømningshastigheten er på ca.2,5 l.s<-1>for 0,55 l.s<-1>injisert luft, svarende til et forhold mellom vann og luft på ca. 5.

6.1.2.3 Virkning av luftstrømningshastigheten på CO2-ekstraksjonen

Mengden av injisert luft har helt klart en innvirkning på avgasningsvirkningen. Som for vannstrømningshastigheten øker CO2-ekstraksjonen med luftstrømningshastigheten, men dens avgasningseffektivitet avtar etter å ha nådd et platå. Platået som nås ved omtrent 0,4 l.s<-1>injisert luft for 2 l.s<-1>sirkulerende vann, svarer derfor til et forhold mellom vann og luft på 5.

6.1.3 Vakuumkolonnenes skumningsfunksjon

Forsøket viste at i løpet av én times drift avtok den optiske densitet av vannet i tanken som var fylt opp til 2/3 med vann med høy mikroalgekonsentrasjon, til halvparten. Konsentratet som ble ekstrahert ved utsuging av skummet, var 120 ganger mer grumset enn vannet i tanken 53 etter endt forsøk.

7. Vurdering

7.1 Vakuumkolonnens pumpefunksjon

Mange undersøkelser har utviklet empiriske og teoretiske beskrivelser av medrivningen av vann ved forskjellige lufthevinger. Imidlertid avhenger gasshevertenes karakteristiske egenskaper av hvert enkelt systems spesifikke konfigurasjoner, som for eksempel luftinntaksbetingelsene og typen av injektor som benyttes. For den luftheving som her testes, øket mengden av medrevet vann logisk med luftinjeksjonen og dybden og avtok med den totale manometriske høyde.

Imidlertid er det viktig å konstatere at absolutt overraskende vannstrømningshastigheter ble oppnådd, opp til seks ganger høyere enn strømningshastigheten av den injiserte luft. Disse resultater er interessante og kan forklares ut fra vakuumet i den testede kolonne.

7.2 Optimalisering av vakuumkolonnen

7.2.1 Valg av luftinjeksjonsdybde

De eksperimentelle resultater viser at den optimale luftinjeksjonsdybde for effektiv avgassing er høyere enn 2 m. Imidlertid er det, for å oppnå en vesentlig vannstrømningshastighet samtidig, uten å bruk mer energi, nødvendig å operere med større injeksjonsdybder for å oppnå en høyere vannstrømningshastighet. Det foreslås derfor å injisere luften inn i kolonnen i en dybde av 3 eller 4 m. Dette vil tjene til å oppnå en vannstrømningshastighet på mer enn 10 m<3>.h<-1>, som ville kunne benyttes for andre funksjoner uten at det ville være nødvendig å pumpe vannet.

7.2.2 Valg av vannstrømningshastighet

Ved drift med lave vannstrømningshastigheter blir oppholdstiden i kolonnen lang og avgassingen av CO2blir mer betydelig, fordi det sirkulerende vannvolum reduseres i forhold til luftvolumet som passerer gjennom og omvendt. Dersom imidlertid siktemålet, istedenfor en øyeblikkelig avgassing, er å avgasse et volum innenfor et gitt tidsrom, har det vist seg at den beste avgassing finner sted ved en strømningshastighet på ca. 2,5 l.s<-1>, når luftinjeksjonen er fastsatt til 0,55 l.s<-1>. Over dette øker ikke lenger effektiviteten ved avgassingen og den synes sågar å avta. Ved 2,5 l.s<-1>oppnås faktisk det beste kompromiss mellom vannets oppholdstid i kolonnen og fornyelsestiden for vannet i tanken for et mengdeforhold mellom vann og luft på ca. 5.

7.2.3 Valg av luftstrømningshastighet

Det er blitt vist at jo mer luft som injiseres, jo høyere blir avgassingen, opp til et platå hvor luftstrømningshastigheten er på 0,4 l.s<-1>for en fastsatt vannstrømningshastighet på 2 l.s<-1>. Effektiviteten ved avgassingen avtar med økende luftinjeksjon. Luftstrømningshastigheten på 0,4 l.s<-1>for en fastsatt vannstrømningshastighet er 2 l.s<-1>, fordi det ovenfor ble vist at dette var det beste kompromiss mellom vannets oppholdstid i kolonnen og fornyelsestiden for vannet i tanken for et lignende forhold, nemlig med en luftstrømningshastighet på 0,5 l.s<-1>.

Ved å variere luftstrømningshastigheten varieres imidlertid også kraftforbruket. Men drift med lavere luftstrømningshastigheter fører til en betydelig økning av det energetiske utbytte av avgassingen. Utbyttet av CO2-ekstraksjonen pr. kW.h<-1>er mer effektivt ved meget lave luftinjeksjoner. Dette betyr at det teoretisk, for i vesentlig grad å redusere energikostnadene, er bedre å operere med en lav luftstrømningshastighet, selv om CO2-avgasningen blir mindre effektiv, men dog tilstrekkelig for sikkerheten for den levende organisme. Imidlertid vil drift med en lav luftstrømningshastighet ikke gjøre det mulig ved luftheving å tilveiebringe vannstrømningshastigheter på 2,5 l.s<-1>. Mange alternativer er derfor tilgjengelige hva angår valget av mengden av luft som skal injiseres, samtidig som det oppnås en tilstrekkelig høy vannstrømningshastighet:

- En mulighet er å benytte en vakuumkolonne som drives med et mengdeforhold vann/luft på 5, i hvilket tilfelle avgassingseffektiviteten blir optimal, men kostbar med hensyn til energi.

- Alternativt benyttes, i den hensikt å spare energi, to vakuumkolonner som drives med meget liten luftinjeksjon (0,03 l.s<-1>), men som tjener til å oppnå en vannstrømningshastighet på 2 l.s<-1>, ved sammenslåing av deres vannstrømningshastigheter (0,96 l.s<-1>). Energikostnadene blir ca. 30% lavere med én enkelt vakuumkolonne som leverer en vannstrømningshastighet på 2 l.s<-1>, til tross for dens krav til mer rom og mer vedlikehold.

Et siste alternativ, som sannsynligvis vil være mer økonomisk, vil være å modifisere kolonnens geometri. Faktisk vil vannstrømningshastigheten, ved økning av tverrsnittet av kolonnens indre rør 3, bli høyere enn for den samme luftinjeksjon og følgelig for de samme energikostnader.

7.2.4 Avskumningsfunksjon

Samtidig som den fjerner CO2fra vannet, er vakuumkolonnen i stand til å drives meget effektivt som en avskummer for mikropartiklene og spesielt for mikroalgene. Etter én time var kolonnen i stand til å fjerne omtrent halvparten av algene som var til stede i tanken. Disse oppnådde resultater var uventede.

For tiden antas det faktisk at 80% av de biologiske filtres O2-forbruk benyttes for degradering av det partikkelformige karbonholdige materiale, og at kun 20% tjener til å behandle de nitrogenholdige materialer. Ved å fjerne dette partikkelformige materiale vil de biologiske filtere derfor hovedsakelig tjene til å behandle det nitrogenholdige materiale, slik at ikke bare ville deres størrelse reduseres med 80%, men besparelser også ville kunne gjennomføres med hensyn til tilsetningen av O2til tilbakeløpskretsløpet.

Da størrelsen av parasitteggene (50 μm) er større enn for mikroalgene (2 μm), vil kolonnen, dersom den kan fjerne mikroalgene, dessuten også fjerne parasitteggene. Dette er meget fordelaktig med hensyn til biosikkerheten, spesielt for å eliminere eventuelle former for parasittisme i formeringsbassengene.

Claims (13)

Patentkrav

1. Fremgangsmåte for å behandle et vandig avløp (16) omfattende minst én oppløst gassforbindelse, for eksempel karbondioksid, bestående i å skille ut i det minste delvis denne forbindelse fra avløpet for å oppnå en behandlet vandig fase, befridd for nevnte forbindelse, hvor:

(a) en oppadstrømmende væskesøyle (6) av det vandige avløp opprettes ved å injisere og fordele (10) i søylen, i den nedre ende, en gassfase som er mindre rik på den nevnte forbindelse enn det vandige avløp, for eksempel luft eller oksygen, hvilken gassfase fordeles i den nevnte søyle i form av bobler hvis volum øker i retning oppover, hvorved det i den øvre ende fås en blandet væske/gasstrøm (18),

(b) den blandede væske/gasstrøm separeres i en væskestrøm (17) som utgjør den behandlede vandige fase, og en avgasstrøm (19) anriket på den nevnte gassforbindelse, væskestrømmen (17) som skilles ut fra avgasstrømmen (19), utgjøres av en nedadstrømmende væskesøyle (7) oppnådd ved overstrømning av den blandede væske/gass-strøm (18) over et høyt punkt (3a)

k a r a k t e r i s e r t v e d at den blandede væske/gasstrøm (18) separeres i vakuum ved at det etableres et gassrom (20) mellom væskestrømmen og gasstrømmen, og at den sistnevnte oppsuges med en vakuumpumpe (12).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den nedadstrømmende væskesøyle (7) og den oppadstrømmende væskesøyle (6) er konsentriske i forhold til hverandre.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den oppadstrømmende væskesøyle (6) er den indre søyle, og den nedadstrømmende væskesøyle (7) er den ytre søyle, eller omvendt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor det vandige avløp (16) innføres ved bunnen av den oppadstrømmende søyle (6), og den vandige fase tappes ut ved bunnen av den nedadstrømmende søyle (7), i det vesentlige på det samme nivå.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor oksygenet injiseres og fordeles i den oppadstrømmende søyle (6) på et høyere nivå enn nivået for innføring av gassfasen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor tverrsnittet av den nedadstrømmende søyle (7) økes i retning nedad.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor ozonet injiseres (22) og fordeles i den nedadstrømmende søyle (7), på et lavere nivå enn nivået (10) hvor gassfasen innføres.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor avgasstrømmen (19) i form av et skum separeres (23) i et uttatt væskeeksudat (24), omfattende en partikkelformig evakuert fraksjon (25), og en utsuget (12) avgass (26).

9. Fremgangsmåte for oppdrett av en levende organisme i et resirkulert vandig medium,

k a r a k t e r i s e r t v e d at:

- det tilveiebringes et bad (13) av det vandige medium, i hvilket den levende organisme kultiveres,

- det tappes ut fra badet en avløpsstrøm (15) fra hvilken det vandige avløp (16) oppnås,

- og badet forsynes med en tilførselsstrøm oppnådd fra den behandlede vandige fase, idet den behandlede vandige fase fås på utsiden av badet, fra det vandig medium, i henhold til fremgangsmåten ifølge et hvilket som helst av kravene 1-8.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvor nivået for uttak (13a) fra badet (13) er i det vesentlig det samme som nivået ved bunnen av den oppadstrømmende søyle (6).

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor nivået (13b) for tilførsel til badet (13) befinner seg på et høyere punkt enn bunnen av den nedadstrømmende søyle (7).

12. Fremgangsmåte for akvakultur ifølge et hvilket som helst av kravene 9-11.

13. Installasjon for utførelse av fremgangsmåten ifølge ett av krav 9-11 , k a r a k t e r i s e r t v e d at den omfatter:

- to konsentriske rør, et ytre rør (2) og det andre et indre rør (3), anordnet vertikalt, slik at det fås et internt rørformet kammer (4) for den oppadstrømmende søyle (6) eller den nedadstrømmende søyle (7), og et ytre rørformet kammer (5) for den nedadstrømmende søyle (7) eller den oppadstrømmende søyle (6); idet det ytre rør (2) er lukket (2a) i dets øvre del, over den åpne øvre ende (3a) av det indre rør (3),

- en anordning for innføring (8) av det vandige avløp (16) som skal behandles, anordnet i bunnen av det indre kammer (4) eller det ytre kammer (5); en anordning (9) for fjerning av den behandlede vandige fase ved bunnen av det ytre kammer (5) eller det indre kammer (4),

- en anordning (10) for injeksjon ved bunnen av det ytre kammeret (5) eller det indre kammeret (4) og fordeling av gassfasen i den oppadstrømmende søyle (6), forbundet med en kilde for nevnte gassfase under trykk, og

- en anordning (11) for uttak av avgasstrømmen, forbundet med en anordning (12) for innsugning av denne med en vakuumpumpe.