CH630046A5 - Method for the continuous entry of air or other oxygen-containing gases into an activated-sludge-containing wastewater or fermentation broths - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Eintrag von luft- oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen in ein belebtschlammhaltiges Abwasser oder Fermentationsbrühen.
Zum Betrieb einer biologischen Abwasserkläranlage muss im Belebtschlammbehälter die für den Stoffwechsel der Mikroorganismen nötige Sauerstoffmenge zugeführt und eine bestimmte Sauerstoffkonzentration aufrecht erhalten werden, damit die Bakterienkultur aerob arbeiten kann. Der dazu notwendig Sauerstoff wird der Flüssigkeit aus der Gasphase zugeführt. Die Nachschubgeschwindigkeit von Sauerstoff aus dem Gas in die Flüssigkeit ist einerseits von der Grösse der Phasengrenzfläche gasförmig/flüssig und von der dort herrschenden Turbulenz abhängig, andererseits ist sie der Konzentrationsdifferenz Ac zwischen der maximal erreichbaren Oz-Sättigungskonzentration und der herrschenden 02-Konzentration in der Flüssigkeit direkt proportional.
Zur Vergrösserung der Phasengrenzfläche werden unter anderem Oberflächenbelüfter eingesetzt oder das Gas, im allgemeinen Luft, wird in die Flüssigkeit geleitet und dort gegebenenfalls mittels Rührer oder Flüssigkeitsstrahlen (Injektor, Zweistoffdüse) dispergiert. Im ersten Fall herrscht am Begasungsort Normaldruck, im zweiten Fall werden in der Regel Becken oder Türme verwendet, wodurch an der Stelle der Gaszerteilung ein hydrostatischer Überdruck genutzt wird.
Eine wesentliche Beschleunigung des Sauerstoffnachschubs in die Flüssigkeit lässt sich durch die Vergrösserung der Konzentrationsdifferenz Ac erreichen. Diese Vergrösserung der Konzentrationsdifferenz Ac wird in der Praxis nur durch Steigerung des 02-Partialdrucks im Gas erzielt. Letzteres ist entweder durch Anhebung des Systemdruckes oder durch Übergang von Luft zu Sauerstoff oder zu sauerstoffangereichertem Gas möglich. Die Verwendung von reinem Sauerstoff oder von sauerstoffangereichertem Gas setzt aus wirtschaftlichen Gründen allerdings voraus, dass der Gasstrom beim Passieren der Anlage weitgehend an Sauerstoff verarmt. Dies ist beim Arbeiten unter Normaldruck durch mehrfaches Einführen des Gasstromes in die Flüssigkeit und/oder durch Führen des Gases durch hintereinandergeschaltete Absorptionsstufen möglich (sogenanntes «mehrstufig betriebenes Belebtschlammbecken»). Das Erzielen einer engen Verweilzeitverteilung des Gasdurchsatzes durch Kaskadenschaltung der Behandlungsräume ist Gegenstand des Verfahrens nach der deutschen Auslegeschrift 2 032 535.
Die Anhebung des Systemdruckes zwecks Vergrösserung der Konzentrationsdifferenz kann ferner durch Ausbildung des Belebtschlammbehälters in Form eines Turmes bewerkstelligt werden. Der Aufbau eines hohen hydrostatischen Druckes in Form einer hohen Flüssigkeitssäule ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass sowohl das Abwasser auf eine entsprechende Höhe gefördert als auch das sauerstoffhaltige Gas auf den entsprechenden Systemdruck verdichtet werden muss. Führt man eine Begasung in hohen Türmen mit Einstoffdüsen durch, die nahe am Boden angeordnet sind, erfordert diese infolge der schlecht unterdrückten Bla-senkoaleszenz hohe Energiekosten für den Eintrag des Sauerstoffs, da der 02-Nutzungsgrad des sauerstoffhaltigen Gases gering ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines verbesserten einstufigen Verfahrens zur Abwasserbehandlung in hohen Belebtschlammbehältern, welches die genannten Nachteile der bisher bekannten Verfahren vermeidet, und damit gewährleistet, dass die Effizienz [kg02/kWh] des Sauerstoffeintrags möglichst hoch ist Das erfindungsgemässe Verfahren soll ferner in der Lage sein, den Sauerstoffgehalt von Luft, wenn diese als Begasungsmittel verwendet wird, in einer einzigen Absorptionsstufe so stark abzusenken, dass ein Restgas mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 6 bis 9 Vol.-% resultiert, welches nach Brennstoffzusatz (z.B. Heizöl, Erdgas) thermisch bei etwa 1000°C desodoriert werden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum kontinuierlichen Eintrag von luft- oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen in ein belebtschlammhaltiges Abwasser oder Fermentations5
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brühen, wobei sauerstoffhaltiges Gas in einer einzigen Absorptionsstufe in einem Behälter weitgehend durch das be-lebtschlammhaltige Abwasser oder die Fermentationsbrühe verbraucht wird und wobei das sauerstoffhaltige Gas mit mehr als 20 Vol.-% 02 in das unter dem eigenen hydrostatischen Druck stehende belebtschlammhaltige Abwasser oder die Fermentationsbrühe an Stellen mit hydrostatischen Drucken zwischen 0,9 bis 3 bar eingeführt wird und wobei der Gasdruck des eingeführten Gases 0,01 bis 0,5 m Wassersäule über dem hydrostatischen Druck der Gaseinführstelle liegt, ist dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffhaltige Gas mittels Injektoren mit Durchmessern der Treibstrahldüse < 20 mm eingeführt wird, wobei die Injektoren mit einem Gasdurchsatz von 5 bis 100 eff.m3/h beaufschlagt werden und wobei der Treibstrahldurchsatz 15 bis 60 VoI.-% des Gasdurchsatzes, gemessen in eff.m3, beträgt.
Der Ausdruck «eff.m3» bedeutet m3 unter den jeweils herrschenden (Druck- und Temperatur-) Bedingungen im Gegensatz zu mn3 (Normal-m3).
Das erfindungsgemässe Verfahren wird vorzugsweise in etwa 10 bis 30 m, besonders bevorzugt in etwa 15 bis 20 m hohen Türmen beliebigen Querschnitts durchgeführt. Das Verhältnis Höhe/Durchmesser liegt vorzugsweise bei Werten zwischen 5 und 0,5. Für das Verfahren ist der Einsatz von Luft als sauerstoffhaltiges Gas bevorzugt; es kann jedoch auch sauerstoffangereicherte Luft oder technischer Sauerstoff verwendet werden. Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich besonders günstig in einer Vorrichtung durchführen, bei der die Klärräume konzentrisch um den Belebtschlammbehälter angeordnet sind, wobei die Klärräume über Einlaufrohre mit Entgasungs- und Flockungszyklonen in Verbindung stehen. Eine derartige Vorrichtung ist in der DE-A 2 454 495 beschrieben.
Bezogen auf die Querschnittsfläche des Belebtschlammbeckens wird vorzugsweise ein Injektor pro 1 bis 25 m2, vorzugsweise 1 bis 5 m2 vorgesehen. Die Injektoren besitzen im allgemeinen einen individuellen Austrittsquerschnitt von etwa 2 bis 15 cm2, und vorzugsweise eine kreis- oder schlitzförmige Form. Bei schlitzförmigem Injektoraustritt beträgt üblicherweise das Verhältnis von Breite zu Höhe etwa 5 bis 10. Durch die Injektoren wird üblicherweise das sauerstoffhaltige Gas in Durchsätzen von etwa 5 bis 100 eff.m3/h in den Belebtschlammbehälter eingeführt. Die Querschnittsbelastung des Injektoraustritts liegt im allgemeinen zwischen 2 bis 8, vorzugsweise 2 bis 4 eff.m3 Gas/cm2h.
Dabei beträgt zweckmässig der Flüssigkeitsdurchsatz durch die Treibstrahldüse des Injektors etwa 15 bis 60 Vol.-% des Gasdurchsatzes, wobei dieser in effektiv-m3 aus-gedrück wird; die Treibstrahlgeschwindigkeiten liegen gewöhnlich zwischen etwa 10 und 20 m/sec, vorzugsweise 10 bis 15 m/sec.
Für das erfindungsgemässe Verfahren eignen sich beispielsweise Injektoren mit Durchmessern der Treibstrahldüse < 20 mm, vorzugsweise 8 bis 16 mm, und individuellen Austrittsquerschnitten von etwa 2 bis 15 cm2. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden Injektoren eingesetzt, die Gegenstand eines bisher unveröffentlichten Vorschlags sind. Diese Injektoren haben einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt, wobei das Verhältnis Breite zu Höhe zwischen 5 bis 10 beträgt und wobei der Durchmesser der Treibstrahldüse zwischen 10 und 20 mm liegt. Bei diesen Injektoren ist der Mischraum so gestaltet, dass er von einem bevorzugt kreisrunden bis ovalen Querschnitt in einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt übergeht. Dadurch entstehen konvergierende Begrenzungsflächen des Mischraumes, was hohe Schergeschwindigkeiten in der Grenzschicht zur Folge hat und die Bildung von feinsten Primärgasbläschen begünstigt. Bei derartigen Injektoren verlässt die Gas/
Flüssigkeits-Dispersion den Injektor als ein flaches Band und mischt sich leichter in die umgebende Flüssigkeit ein. In der beiliegenden Fig. 1 ist ein derartiger Injektortyp so dargestellt, dass durch das ausgesparte Segment in der Wandung der Blick in das Innere des Injektors möglich ist.
In die in der Figur gezeigte Treibstrahldüse tritt bei dem Pfeil 6 die Treibflüssigkeit, vorzugsweise belebtschlammhaltiges Abwasser ein und wird durch die Treibstrahldüse 1 in den Mischraum gefördert. Durch den Gaseintritt in Richtung des Pfeils 5 tritt das sauerstoffhaltige Gas mit leichtem Überdruck ein und gerät am Austritt der Treibstrahldüse in Kontakt mit dem Treibstrahl. Im Mischraum 2 wird das sauerstoffhaltige Gas mit der Treibstrahlflüssigkeit vermischt und tritt durch den schlitzförmigen Mischraumaustritt 4 in den Behälter ein.
Die gezeigte bevorzugte Ausgestaltung, bei der der kreisrunde Mischraumeintrittsquerschnitt 3 in den schlitzförmigen Mischraumaustrittsquerschnitt 4 übergeht, begünstigt die Bildung von feinsten Primärgasbläschen aufgrund der auftretenden hohen Schergeschwindigkeit in der Grenzschicht.
Sämtliche Injektoren befinden sich, wenn sie einzeln angeordnet sind, vorzugsweise an Stellen gleich hydrostatischen Drucks und sind in einem Abstand 1 von 1 bis 6 m, vorzugsweise 1 bis 2, angeordnet. Für eine Anordnung der Injektoren in Form von Büscheln vergrössert sich üblicherweise der Abstand. Enthält ein Büschel z-Injektoren, so vergrössert sich normalerweise der Abstand von Büschel zu Büschel bei gleicher Belegungsdichte (Bodenfläche pro Injektor) gemäss 1 ]/ z. Werden die Injektoren in Form von Büscheln angeordnet, so sind die Injektoraustritte vorzugsweise so anzuordnen, dass sich die austretenden Gas/Flüssig-keits-Freistrahlen möglichst wenig stören, da dies zu einer unerwünschten Blasenkoaleszenz führen könnte.
Besonders vorteilhaft ist es, als Treibflüssigkeit für die Injektoren belebtschlammhaltiges Abwasser zu verwenden.
Es hat sich z.B. überraschenderweise herausgestellt, dass die erfindungsgemäss gestellte Aufgabe hervorragend mit speziellen Injektoren, nämlich solchen mit kleinen Durchmessern der Treibstrahldüse (d < 20 mm am Austritt der Treibstrahldüse), gelöst wird. Hierbei werden, was beispielsweise vom energetischen Standpunkt besonders wichtig ist, geringe Treibstrahldurchsätze benötigt, die mit einer relativ kleinen Geschwindigkeit durch den Injektor treten und kleine flüssigkeitsseitige Druckverluste verursachen. Für diese geringen Treibstrahldurchsätze ist im allgemeinen eine vorgeschaltete Filtration zur Entfernung grobteiliger Abwasserinhaltsstoffe einfach durchführbar. Beim erfindungsgemäs-sen Verfahren besteht daher normalerweise die Gefahr einer Verstopfung des Injektors nicht.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft an einer Vorrichtung zur biologischen Abwasserreinigung erläutert, die mit Luft arbeitet.
Ein Belebtschlammbehälter, der ein Flüssigkeitsvolumen von 10 000 m3 besitzt, wird mit 1000 m3 Abwasser pro Stunde beschickt. Der Sauerstoffbedarf dieser Anlage beträgt 20 Tagestonnen 02 bzw. 833 kg Oz/h. Die verlangte 02-Kon-zentration in der Flüssigkeit beträgt 1 mg pro Liter und die Wassertemperatur 25°C. Die Flüssigkeitshöhe beträgt im Falle A 10 m, der Bodenquerschnitt des Belebtschlammbehälters 1000 m2, im Falle B 20 m, der Bodenquerschnitt 500 m2. In beiden Fällen werden Injektoren mit einem Durchmesser der Treibstrahldüse von 8 mm (Austrittsquer-schnitt des Mischraumes: 2,3 cm2) eingesetzt, die äquidistant im Abstand von 2 m angeordnet sind. Im Behälter mit der Höhe 20 m sind daher bei halbem Bodenquerschnitt nur halb so viele Injektoren vorhanden.
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Folgende Betriebsparameter gelten für den Fall A:
Flüssigkeitshöhe: 10 m Zahl der Injektoren: 318
Gasdurchsatz durch alle Injektoren in Norm-m3/h: 6200 Flüssigkeitsdurchsatz durch alle Injektoren in m3/h: 1330 02-Anteil im Abgas in Volumen- %: 12
Der spezifische 02-Eintrag beträgt 2,5 kg02/kWh, wenn der Wirkungsgrad des Verdichters mit 0,6 und der der Flüssigkeitspumpen mit 0,75 eingesetzt wird.
Für den Fall B ergeben sich folgende Betriebsbedingungen:
Flüssigkeitshöhe: 20 m Zahl der Injektoren: 159
Gasdurchsatz durch alle Injektoren, in Norm-m3/h: 3975 Flüssigkeitsdurchsatz durch alle Injektoren in m3/h: 690 02-Anteil im Abgas in Volumen-%: 6,3
Der spezifische 02-Eintrag beträgt in diesem Fall 2,9 io kgOa/kWh, wobei die Wirkungsgrade von Verdichter und Pumpe auch hier gleich denen im Fall A sind.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Verfahren zum kontinuierlichen Eintrag von luft-oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen in ein belebtschlamm-haltiges Abwasser oder Fermentationsbrühen, wobei sauerstoffhaltiges Gas in einer einzigen Absorptionsstufe in einem Behälter weitgehend durch das belebtschlammhaltige Abwasser oder die Fermentationsbrühe verbraucht wird und wobei das sauerstoffhaltige Gas mit mehr als 20 Vol.-% 02 in das unter dem eigenen hydrostatischen Druck stehende belebtschlammhaltige Abwasser oder die Fermentationsbrühe an. Stellen mit hydrostatischen Drucken zwischen 0,9 bis 3 bar eingeführt wird und wobei der Gasdruck des eingeführten Gases 0,01 bis 0,5 m Wassersäule über dem hydrostatischen Druck der Gaseinführstelle liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffhaltige Gas mittels Injektoren mit Durchmessern der Treibstrahldüse < 20 mm eingeführt wird, wobei die Injektoren mit einem Gasdurchsatz von 5 bis 100 eff.nr/h beaufschlagt werden und wobei der Treibstrahldurchsatz 15 bis 60 Vol.-% des Gasdurchsatzes, gemessen in eff.m3, beträgt.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Injektoren mit einem individuellen Austrittsquerschnitt von 2 bis 15 cm2 verwendet werden.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsbelastung des Injektoraustritts zwischen 2 bis 8, vorzugsweise 2 bis 4 eff.m3 Gas/cm2h gewählt wird.
4. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Flüssigkeitsdurchsatz durch die Treibstrahldüse des Injektors von 15 bis 60 Vol.-% des Gasdurchsatzes, gemessen in eff.m3, gearbeitet wird.
5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit Treibstrahlgeschwindigkeiten zwischen 10 bis 20 m/sec, vorzugsweise 10 bis 15 m/sec gearbeitet wird.
6. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Injektoren mit einem schlitztför-migen Injektoraustritt eingesetzt werden, wobei das Verhältnis von Breite zu Höhe 5 bis 10 beträgt.
7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Injektor je 1 bis 25 m2 Bodenfläche des Behälters eingesetzt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem 10 bis 30 m hohen Behälter zur Aufnahme des belebtschlammhaltigen Abwassers oder der Fermentationsbrühe, in dem in einer Höhe von bis zu 1 m über dem Boden auf 1 bis 25 m2 Bodenfläche je ein Injektor angeordnet ist, wobei jeder Injektor eine Austrittsquerschnittsfläche von 2 bis 15 cm2 aufweist, und wobei ferner die Treibstrahldüse des Injektors einen Durchmesser von < 20 mm aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibstrahldüse einen Durchmesser von 8 bis 16 mm aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass je 1 bis 5 m2 Bodenfläche des Behälters ein Injektor vorgesehen ist.
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