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Dokumentenidentifikation DE4333176A1 30.03.1995
Titel Wirbelbettreaktor zu anaeroben Reinigung von Abwasser
Anmelder Linde-KCA-Dresden GmbH, 01067 Dresden, DE
Erfinder Langhans, Gerhard, Dr., 01159 Dresden, DE
Vertreter Kasseckert, R., Dipl.-Phys.Univ., Pat.-Ass., 82041 Oberhaching
DE-Anmeldedatum 29.09.1993
DE-Aktenzeichen 4333176
Offenlegungstag 30.03.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.03.1995
IPC-Hauptklasse C02F 3/28
Zusammenfassung Es wird ein Wirbelbettreaktor in vertikaler, zylindrischer Bauart zur anaeroben Reinigung von Abwasser beschrieben, in dessen Inneres sich zylindrische Leitrohre (6) und (7) und fluidisierbare Trägerkörper (18) befinden. Im Bodenbereich des zylindrischen Reaktors (1) ist ein Zwischenboden (5) eingebaut, der zum Reaktorboden hin einen trägerkörperfreien Raum (4) schafft, in den eine Flüssigkeitsumwälzleitung einmündet. Der Zwischenboden (5) besteht aus einem kreisringförmigen, ebenen perforierten Außenrand und einem nach oben gerichteten kegelförmigen Zentrum. Das erste Leitrohr (6) ist axial über dem Zwischenboden (5) so angeordnet, daß eine Durchströmöffnung zwischen ihm und dem Zwischenboden (5) verbleibt. Das zweite Leitrohr (7) von geringem Durchmesser, in welches der Flüssigkeitszulauf (8) mündet, ist koaxial über dem ersten Leitrohr (6), teilweise in dieses hineinragend, gehaltert. Der Reaktorkopf erweitert sich konisch nach oben hin und enthält eine sich nach oben hin konisch verjüngende Leiteinrichtung (15). Mit dem Wirbelbettreaktor ist auch eine problemlose Reinigung von feststoffhaltigem Abwasser gewährleistet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Wirbelbettreaktor zur anaeroben Reinigung von Abwasser, in vertikaler, zylindrischer Bauart, der mit Zu- und Ablauf, Biogasabzug sowie Flüssigkeitskreislaufpumpe ausgerüstet ist und in dessen Innerem sich zylindrische Leitrohre und fluidisierbare Trägerkörper befinden.

Es ist bekannt, zur Intensivierung aerober und/oder anaerober Prozesse bei der biologischen Abwasserbehandlung Bakterien auf Trägerkörpern zu immobilisieren. Neben Festbettschüttungen hat sich insbesondere der Einsatz schwimmender oder fluidisierbarer Bewuchsträger bewährt, da die beweglichen Träger einen guten Nährstofftransport gewährleisten und außerdem zu dick aufgewachsener Bakterienrasen leichter abgestoßen werden kann. Schwimmende Bewuchsträger mit einem Dichteverhältnis zu Wasser von höchstens 1 haben jedoch den Nachteil, daß sie in einer sich bildenden Schaumschicht zum Aufrahmen neigen. Außerdem sind derartige Trägerkörper im Ablauf der Behandlungsanlage nicht problemlos von im Wasser suspendierten Feststoffen zu trennen. Darüber hinaus beeinflußt der aufwachsende Biorasen die Schwimmeigenschaften der Trägerkörper stark. Andererseits erfordert der Einsatz von Trägerkörpern mit einem Dichteverhältnis von über 2 (z. B. Sand) eine hohe Fluidisierungsenergie, wodurch eine sehr hohe Scherbeanspruchung des Biorasens bewirkt wird. Für suspendierte Feststoffe im Wasser hat das Festbett außerdem die Wirkung eines Filters, so daß die Trägerteilchen nach kurzen Standzeiten gereinigt werden müssen. Deshalb sind die Vorteile der Prozeßintensivierung durch die bekannten Verfahren insbesondere bei feststoffhaltigen Abwässern kaum nutzbar.

In der DD 3 00 362 A5 ist auch schon vorgeschlagen worden, zur gleichzeitigen biologischen Behandlung von Abwasser mit einer erhöhten Kohlenstoff-, Phosphor- und Stickstoff-Eleminierungsleistung Wirbelbettreaktoren einzusetzen, die durch Trennwände in unterschiedliche Zonen unterteilt sind. Aber auch derartige Reaktoren sind bei feststoffhaltigen Abwässern nur bedingt einsetzbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelbettreaktor der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auch Abwässer mit suspendierten Feststoffen problemlos gereinigt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

  • a) im Bodenbereich des zylindrischen Reaktors ein Zwischenboden eingebaut ist, der zum Reaktorboden hin einen trägerkörperfreien Raum schafft, in den mindestens eine Flüssigkeitsumwälzleitung einmündet,
  • b) der Zwischenboden aus einem kreisringförmigen, ebenen, perforierten Außenrand und einem nach oben gerichteten kegelförmigen Zentrum besteht,
  • c) ein erstes Leitrohr axial über dem Zwischenboden so angeordnet ist, daß eine Durchströmöffnung zwischen ihm und dem Zwischenboden verbleibt,
  • d) ein zweites Leitrohr von geringerem Durchmesser, in welches der Flüssigkeitszulauf mündet, koaxial über dem ersten Leitrohr, teilweise in dieses hineinragend, gehaltert ist, und
  • e) sich der Reaktorkopf nach oben hin konisch erweitert und in diesem Bereich, über dem zweiten Leitrohr eine sich nach oben konisch verjüngende Leiteinrichtung angeordnet ist.


Das erste Leitrohr und der bis zur Reaktorwand bestehende kreisförmige Außenraum weisen vorzugsweise ein Flächenverhältnis von 1 : 1 bis 1 : 2 auf.

Das Flächenverhältnis zwischen dem zweiten Leitrohr und dem bis zur Reaktorwandung bestehenden kreisringförmigen Außenraum beträgt vorteilhafterweise 1 : 4 bis 1 : 6.

Außerdem beträgt das Verhältnis des Reaktordurchmessers zur Reaktorhöhe zweckmäßigerweise 1 : 3 bis 1 : 8.

Vorzugsweise sind Trägerkörper mit einem Dichteverhältnis zu Wasser von höchstens 1,3 vorgesehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Trägerkörper ein Korngrößenspektrum mit einem Verhältnis von größter zu kleinster Teilchenabmessung von 3 : 1 bis 20 : 1 auf.

Anhand der Funktionsweise des Reaktors soll im folgenden erläutert werden, welche Bedeutungen den einzelnen Merkmalen des erfindungsgemäßen Wirbelbettreaktors zukommen:

Die Trägerkörper können auf verschiedene Weise verwirbelt werden. Es können z. B. Einrichtungen zum Umpumpen der Flüssigkeit, zum Einpressen von Biogas oder zur Zweiphasenstrahlbegasung vorgesehen sein. Derartige Einrichtungen sind an sich bekannt und sollen hier nicht näher beschrieben werden.

Um die zur Bewegung der Trägerkörper notwendige Leerrohrgeschwindigkeit von 5 m/h nicht über den gesamten Querschnitt des Reaktors erzeugen zu müssen, wird ein erstes Leitrohr eingezogen und nur im ringförmigen Außenraum eine aufwärts gerichtete Strömung induziert. Das Flächenverhältnis von Außenraum zu Leitrohrraum wird je nach suspendiertem Feststoffgehalt, dispergierter Gasphase und Dichteverhältnis des Trägermaterials eingestellt. Das Dichteverhältnis des Trägermaterials wird so eingestellt, daß es größer ist als jenes der Hauptfraktion der suspendierten Feststoffe.

Die sich konisch nach oben verjüngende Leiteinrichtung unterstützt die Rezirkulation der im Leitrohrinnenraum sedimentierenden Trägerkörper in den Reaktorbereich, in dem die Trägerkörper fluidisiert sind.

In Folge der Querschnittserweiterung oberhalb des ersten Leitrohres sedimentiert der Hauptteil der Trägerkörper trotz der Auftriebseffekte durch das gebildete Biogas. Das zentrische zweite Leitrohr, dessen Durchmesser vorzugsweise ein Fünftel des Reaktordurchmessers aufweist, ermöglicht den Rücklauf von Feststoffagglomeraten aus dem Reaktorkopf, die durch die Gasphase nach oben mitgeschleppt wurden. Durch den in das zweite Leitrohr eingespeisten Zulauf von frischem Abwasser wird die Rückströmung unterstützt.

Zur weiteren Verringerung der Reaktorleerrohrgeschwindigkeit wird der Querschnitt des Reaktorkopfes vergrößert.

Ein im Reaktorkopf angeordneter Phasenseparator unterstützt eine Abtrennung der Gasphase.

Falls die Trägerkörper durch Flüssigkeitsumwälzung verwirbelt werden, wird die Zirkulationsflüssigkeit vorzugsweise hinter einer im oberen Bereich des Reaktors angeordneten Tauchwand angesaugt. Um ein Verstopfen des unteren Bereiches des Reaktors durch über den Umwälzkreislauf eingetragene Trägerkörper zu vermeiden, ist der Boden des Reaktors als Kegel ausgebildet mit der Möglichkeit einer Grundabsaugung.

Der Abwasserablauf erfolgt bevorzugt mittels eines getauchten Überlaufs aus der gas- und sedimentarmen Kopfzone des Reaktors.

Da das Trägermaterial ein unterschiedliches Korngrößenspektrum aufweist, stellt sich die Hauptzirkulation im Bereich des unteren, ersten Leitrohres ein, in dem durch Einleitung von frischem Abwasser der höchste Stoffumsatz erfolgt. Die Trägerkörperfraktion mit den feinsten Korngrößen bildet darüber ein Wirbelbett, in dem eine Nachreinigung des Wassers erfolgt. Grobdisperse organische Feststoffe werden so lange in der Hauptzirkulation mitgeführt, bis ihre Volumenabnahme in Folge Hydrolyse den Austrag in die Wirbelschicht und weiter zum Reaktorablauf gestattet. Anorganische Feststoffe hoher Dichte lassen sich als Bodenschlamm abziehen und in einem Trennbehälter hydraulisch von mitgerissenen Trägerkörpern trennen, die über den Abwasserzulauf wieder dem Reaktor zugeführt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Wirbelbettreaktor wird ein weitgehender Aufschluß der Feststoffe im zirkulierenden Trägerbett und eine sichere Trennung von Restfeststoffen von den Trägerkörpern erreicht. Durch die spezielle Reaktorkonstruktion ist beim Betrieb mit minimiertem Energieeintrag gewährleistet, daß die Trägerkörper mit den aufgewachsenen Bakterien durch Zirkulation im Reaktionsraum ständig optimal mit Nährstoffen versorgt werden. Außerdem erfolgt auf hydraulischem Wege eine gute Trennung von Trägermaterial und suspendierten Feststoffen. Darüber hinaus ermöglichen die durch die Leitrohre gebildeten Reaktionszonen eine intensive Vor- sowie anschließende Feinreinigung des Wassers in einem Reaktor.

Als Trägerkörper kommen insbesondere Schaumstoffwürfel in Betracht, deren Dichte durch Zuschlagstoffe eingestellt werden kann. Eine weitere Intensivierung der Abwasserreinigung ist durch eine gleichzeitige Enzymeinlagerung in das Trägermaterial möglich, wodurch ein zellexterner Substrataufschluß stattfinden kann.

Der Wirbelbettreaktor kann mit Vorteil bei allen feststoffhaltigen Abwässern verwendet werden, insbesondere eignet er sich für Abwässer der Nahrungsgüterindustrie.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:

Der Reaktor 1 hat bei einem Durchmesser von 4 Meter und einer Höhe von 12,5 Meter ein Volumen von 157 m³. Der Ablauf 2 liegt bei 11,5 Meter, während sich der Flüssigkeitsspiegel 3 in Folge eines Oberdrucks in der Gasphase von 5000 Pa bei 11 Meter einstellt. Der Ringraum 4 unter dem Zwischenboden 5 hat eine Höhe von 0,5 Meter. Damit beträgt das Nettoreaktionsvolumen 138 m³. In dem oberhalb des Zwischenbodens 5 angeordneten Reaktionsraum befindet sich eine Schüttung aus Trägerkörpern 18, die ca. 30 Vol.-% des Rauminhaltes einnimmt. Die Schüttung besteht aus einem porösen Granulat mit einem Dichteverhältnis zu Wasser von 1,06 und einem Korngrößenspektrum von 1,5 bis 4 mm.

Das erste Leitrohr 6 hat einen Durchmesser von 2,5 Meter und reicht von 0,5 Meter Höhe über dem Zwischenboden 5 6 Meter nach oben. Das zweite Leitrohr 7, mit einem Durchmesser von 1,6 Meter und einer Höhe von 3 Meter, ragt 0,5 Meter in das erste Leitrohr 6 hinein. In das zweite Leitrohr 7 wird zentrisch von oben über einen Abwasserzulauf 8 ungereinigtes Abwasser mit einer nach unten gerichteten Freistrahlwirkung eingespeist. In einer Höhe von 10 Meter beginnt die sich konisch nach oben verjüngende Leiteinrichtung, die einen Durchmesser von 3 Meter und einen Neigungswinkel von 40° aufweist. Die Leiteinrichtung reicht bis in den oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 3 liegenden Gasraum 9.

Der sich ab 9 Meter Höhe nach außen konisch erweiternde Reaktorkopf erreicht in 11 Meter Höhe einen Durchmesser von 5 Meter. Durch eine eingezogene Tauchwand 10 wird in dieser Erweiterung eine Kammer 11 geschaffen, aus der von einer Pumpe 12 gas- und trägermaterialarme Flüssigkeit abgepumpt und unter den Zwischenboden 5 gedrückt wird.

Der Zwischenboden 5 bildet im Bereich des Querschnittes des ersten Leitrohres 6 einen Vollblechkegel mit 15° Neigung, während außen ringförmig perforiertes Material (z. B. Siebgewebe, Streckmetall, Lochblech) angeordnet ist, das einen Flüssigkeitsdurchtritt von unterhalb des Zwischenbodens 5 in den darüber liegenden Reaktionsraum gestattet. Dabei ist die Lochgröße des perforierten Materials so gewählt, daß keine Trägerkörper 18 hindurchfallen können.

Eine Sumpfentleerung aus dem Raum 4 unterhalb des Zwischenbodens 5 ist nach Bedarf mit einer zweiten Pumpe 13 möglich.

Der Reaktor 1 wird für eine hydraulische Verweilzeit von ca. 1 Tag und eine CSB- Raumbelastung von 30 kg/m³/Tag eingesetzt, was einem Abwasserdurchsatz von 140 m³/Tag mit einer CSB-Zulaufkonzentration von 30 000 mg/l entspricht. Dabei wird ein 85%iger Abbau erreicht.

Die fluidisierten Trägerkörper 18 werden von Anaerobiern besiedelt, die durch Selektion an das spezielle Abwasser adaptiert worden sind. Es kann auf eine externe Schlammeindickung und Schlammrückführung verzichtet werden.

Während einer Einfahrphase zum Anwachsen der Bakterienflora erfolgt die Fluidisierung der Trägerkörper 18 bei Einsatz eines verdünnten Abwassers hauptsächlich auf hydraulischem Wege durch einen Flüssigkeitsaufstrom im Reaktor, der durch die Kreislaufpumpe 12 erzeugt wird. Der Flüssigkeitsaufstrom wird durch die nach unten gerichtete zentrische Zuführung des Rohabwassers unterstützt. Die Umwälzung über die Kreislaufpumpe 12 wird so eingestellt, daß im Ringraum 14 eine aufwärts gerichtete Leerraumgeschwindigkeit von 5 m/h erreicht wird. Die Leerraumgeschwindigkeit kann einsatzspezifisch zwischen 3 und 10 m/h variieren.

Die größeren Trägerkörper 18 fallen zuerst aus dem fluidisierten Trägerkörperbett heraus und werden über den Ringraum 17 zwischen dem ersten Leitrohr 6 und dem zweiten Leitrohr 7 zentrisch nach unten rückgeführt. In Folge des nach oben zunehmenden Reaktorquerschnitts verringert sich die Flüssigkeitsaufwärtsgeschwindigkeit, so daß im oberen Reaktorteil auch die leichteren Trägerkörper 18 nicht weiter mitgeführt werden und damit ebenfalls in den zentrischen Abwärtsstrom geraten.

Im Abwasser enthaltene suspendierte Feststoffe organischer Natur zirkulieren ebenfalls in den Fluidbettkreisläufen so lange, bis sie durch enzymatische Hydrolyse abgebaut werden.

Mit zunehmender Biogasproduktion übernimmt die Gasauftriebswirkung die Fluidisierung der Trägerkörper 18 im Reaktoraußenraum 14. Damit kann der Umwälzkreislauf über die Umwälzpumpe 12 reduziert bzw. völlig außer Betrieb genommen werden. Die zentrische Abwärtsbewegung wird weiterhin durch den abwärts gerichteten Abwasserzulauf induziert. Sie kann durch einen Kreislaufwasserstrom über Leitung 20 intensiviert werden.

Entsprechend der Abwasserbelastung und der daraus zu erwartenden Gasproduktion wird das für den speziellen Einsatzfall erforderliche Korngrößenspektrum und Dichteverhältnis der verwendeten Trägerkörper festgelegt.

Im Reaktorkopf wird das aufsteigende Biogas durch die Leiteinrichtung 15 weitgehend mittig abgeführt, so daß für die Flüssigkeitsumwälzung weitgehend gas- und feststoffarmes Wasser verfügbar ist. In der Zeichnung sind die Gasblasen, die durch das bei den anaeroben Abbaureaktionen gebildete Biogas im Abwasser entstehen, mit der Bezugsziffer 19 bezeichnet. Das aus dem Reaktorkopf über einen Abgasstutzen 16 abgezogene Biogas wird in bekannter Weise energetisch verwertet.


Anspruch[de]
  1. 1. Wirbelbettreaktor zur anaeroben Reinigung von Abwasser, in vertikaler, zylindrischer Bauart, der mit Zu- und Ablauf, Biogasabzug sowie Flüssigkeitskreislaufpumpe ausgerüstet ist und in dessen Innerem sich zylindrische Leitrohre und fluidisierbare Trägerkörper befinden, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. a) im Bodenbereich des zylindrischen Reaktors ein Zwischenboden (5) eingebaut ist, der zum Reaktorboden hin einen trägerkörperfreien Raum (4) schafft, in den mindestens eine Flüssigkeitsumwälzleitung einmündet,
    2. b) der Zwischenboden (5) aus einem kreisringförmigen, ebenen, perforierten Außenrand und einem nach oben gerichteten kegelförmigen Zentrum besteht,
    3. c) ein erstes Leitrohr (6) axial über dem Zwischenboden (5) so angeordnet ist, daß eine Durchströmöffnung zwischen ihm und dem Zwischenboden (5) verbleibt,
    4. d) ein zweites Leitrohr (7) von geringerem Durchmesser, in welches der Flüssigkeitszulauf (8) mündet, koaxial über dem ersten Leitrohr (6), teilweise in dieses hineinragend, gehaltert ist, und
    5. e) sich der Reaktorkopf nach oben hin konisch erweitert und in diesem Bereich über dem zweiten Leitrohr (7), eine sich nach oben konisch verjüngende Leiteinrichtung (15) angeordnet ist.
  2. 2. Wirbelbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis zwischen dem ersten Leitrohr (6) und dem bis zur Reaktorwandung bestehenden kreisförmigen Außenraum (14) 1 : 1 bis 1 : 2 beträgt.
  3. 3. Wirbelbettreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis zwischen dem zweiten Leitrohr (7) und dem bis zur Reaktorwandung bestehenden kreisförmigen Außenraum 1 : 4 bis 1 : 6 beträgt.
  4. 4. Wirbelbettreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Reaktordurchmessers zur Reaktorhöhe 1 : 3 bis 1 : 8 beträgt.
  5. 5. Wirbelbettreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Trägerkörper (18) mit einem Dichteverhältnis zu Wasser von höchstens 1,3 vorgesehen sind.
  6. 6. Wirbelbettreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörper (18) ein Korngrößenspektrum im Verhältnis größter zu kleinster Teilchenabmessung von 3 : 1 bis 20 : 1 aufweisen.






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