DD299582A7

DD299582A7 - Biosorptionsreaktor

Info

Publication number: DD299582A7
Application number: DD34222390A
Authority: DD
Inventors: Willi Neumann; Gunhild Straube; Horst Kliche; Johannes Briesowsky; Uwe Ladwig; Rolf Dueresch; Joerg Schmidt; Roderich Rodemann; Uta Sauter; Kurt Froebus
Original assignee: Chemie Ag Bitterfeld-Wolfen,De; Technische Hochschule "Carl Schorlemmer",De
Priority date: 1990-06-28
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1992-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Biosorptionsreaktor, der aus einem Mischkopf und einem rohrfoermigen Mischkanal besteht, in dem die Biosorption von Schwermetallen und/oder Schwermetallverbindungen an Biomasse realisiert wird. Der erfindungsgemaesze Biosorptionsreaktor gemaesz Fig. 1 ist zur Schwermetallentfernung aus Abwaessern geeignet. Durch die hochturbulenten Stroemungsverhaeltnisse im Reaktor laeszt sich die Biosorption in kurzer Zeit mit guten Ergebnissen und hohen Durchsatzraten realisieren. Der Einsatz des vorgeschlagenen Sorptionsreaktors fuehrt zu einer effektiveren und energieguenstigeren Gestaltung von mikrobiellen Sorptionsprozessen zur Entfernung von Schwermetallen und/oder Schwermetallverbindungen aus Abwaessern und zur Wertstoffrueckgewinnung.{Bioreaktoren; Schwermetallakkumulation; Biosorption; Abwasserbehandlung}

Description

-2- 299 582 Darlegung des Wesen« der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten, flexibel arbeitenden In seiner Geometrie und verfahrenstechnischen Ausstattung so gestalteten Bioreaktor zu schaffen, daß erdieEllmlnlerung von Schwermetallen und/oder Schwermetallverbindungen aus Abwässern effektiv und vorteilhaft unter stabilen Prozeßbedingungon auch bei sich änderndun Volumenströmen und deren Zusammensetzung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein aus einem Mischkopf (1) und einem damit lösbar verbundenen rohrförmigem Mischkanal (4) bestehenden Biosorptionsreaktor eingesetzt wird. Der Mischkopf (1), der aus Metall, Kunststoff und/oder Keramik sein kann, besteht aus einem Decket (2) und aus einem Unterteil (3) mit mehreren Zulaufstutzen (10) zum gerichteten und kontinuierlichen Eintrag von Biomasse- und Abwasserströmen.

Der Deckel (2) des Mischkopfes ist so gestaltet, daß er die Form eines von oben geschlossenen Kegelstumpfes aufweist, dessen Innenfläche gleichzeitig als Prallfläche für die Stoffströme dient. Er hat ein Innendurchmesserverhältnis D₁ zu D₃ von 3,0 bis 3,6 sowie einen Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis D_t zu H₁ von 1,6 bis 2,3. Das Unterteil (3) des Mischkopfes ist trichterförmig gestaltet und enthält mehrere Zulaufstutzen (10) Im gleichmäßigen Abstand zueinander. Der Anstellwinkel der Zulaufstutzen (10) ist so gewählt, daß die Stoffströme durch diese auf die Innenfläche des Deckels (2) auftreffen. Die Stoffströme werden auf diese Art zerteilt und Intensiv miteinander vermischt. Das Unterteil hat ein Innendurchmesserverhältnis D₁ zu D₂ von 2,5 bis 3,5 sowie ein Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis D₁ zu Hj von 1,6 bis 2,3. Deckel (2) und Unterteil (3) des Mischkopfes sind durch lösbare Schraubverbindungen über Flansche (6) mit Nut und Feder verbunden.

Unterhalb des Mischkopfes (1) schließt sich der rohrförmige Mischkanal (4) an. Der Misch'kanal, der aus Metall, Kunststoff und/oder Keramik bestehen kann und ein Durchmesser-Höhen-Verhältnis D₂ zu H₃ von 0,03 bis 0,06 hat, weist im Inneren mehrere Aufnahmen zum Einbringen von turbulenzerzeugenden Einbauten auf, deren Verwendung von der jeweiligen ProzeßfUhrung abhängt. Nach unten wird der rohrförmigo Mischkanal (4) mit einem Ablaufkonus (5) mit Abzugsstutzen abgeschlossen. Daran schließt sich eine Rohrleitung mit Pumpe durch die das Stoffgemisch abgezogen und bei Bedarf geregelt über eine Bypaß-Rohrleltung (8) in den Mischkopf das Reaktors zurückgeführt werden kann. Der Mischkopf (1) ist über Flansche (6) lösbar mit dem rohrförmigen Mischkanal (4) verbunden. Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch die Anordnung der Stutzen (10), des Deckels (2) und bei einem bestimmten Durchmesser-Höhen-Verhältnis D_t/H_t des als Kegelstumpfes ausgebildeten Deckels, die kontinuierlich geförderten und definiert geregelten Ströme aus schwermetallhaltigem Abwasser (Vi) und suspendierter Biomasse (V₂) so in den Mischkopf eingebaut werden, daß sich die Stoffströme intensiv vermischen, ein Durchschlagen der Stoffströme verhindert wird, eine turbulente Strömung entsteht und der Biosorptionsprozeß nach kurzer Verweilzeit abgeschlossen ist. Weiterhin wurde festgestellt, daß durch das Durchmesser-Höhen-Verhältnis D₂/H₃ im rohrförmigen Mischkanal und durch Verwendung der turbulenzerzeugenden Einbauten (7) das hochturbulente Strömungsprofil auch bei Marken Schwankungen der zueinander geregelten Stoffströme (Vi und V₂) erhalten bleibt und dadurch der Biosorptionsprozeß unterstützt und intensiviert wird, ohne das aktive Bioreaktorvolumen ändern zu müssen.

Das Bypaß-Rohrleitungssystem (8) ermöglicht es darüber hinaus, Belastungsstöße hinsichtlich des Anfalls der Schwermetalle und/oder ihrer Verbindungen im Abwasser durch entsprechende Beladung des Biomassesuspensionsstromes abzufangen und die Verweilzeit definiert einzustellen.

Die für den Biosorptionsprozeß optimalen Bedingungen wie turbulentes Strömungsprofil und definierte und kurze Verweilzeit werden bei Normalbetrieb durch die Konfiguration des erfindungsgemäßen Biosorptionsreaktors und durch die den Volumenströmen durch externe Fördereinrichtungen aufgeprägten Impuls ohne zusätzliche Energieeintragssysteme (wie Rührer u.a.) realisiert.

Ausfuhrungsbeispiel

Der erfindungsgemäße Biosorptionsreaktor soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutei i werden, und zwar zeigt Fig. 1 den schematischen Aufbau des Biosorptionsreaktors.

Der Biosorptionsreaktor besteht aus dem Mischkopf (1) und dem rohrförmigen Mischkanal (4). Mischkopf und Mischkanal sind aus oberflächenbeschichtetem Metall gefertigt. Der Mischkopf (1) und der rohrförmige Mischkanal (4) sind übereinander angeordnet und über eine Flanschverbindung (6) lösbar miteinander verbunden. Der Mischkopf (1) besteht aus dem Deckel (2) und dem Mischkopfunterteil (3), die ebenfalls durch Flansche lösbar miteinander verbunden sind. Der Mischkopf (1) weist dabei folgende Abmessungen auf:

Di = 0,70m, D₂ = 0,15m, D₃ = 0,20m, Hi = 0,3m und H₂ = 0,3m.

Durch die Wandung des Mischkopfunterteils (3) führen um 90⁰C versetzt 4 Zulaufstutzen (10) in die Mischkammer. Der Anstellwinkel der Stutzen wird so gewählt, daß die zuzuleitenden Stoffströme sich nicht durchschlagen und auf die Innenfläche des Mischkopfdeckels (2) auftreffen. Die Stutzen dienen der kontinuierlichen und geregelten Zuführung des schwermetallhaltigen Abwasservolumönstromes V, und des Biomassesuspensionsstromes V₂. Die durch die Stutzen (10) gerichtet eingetragenen Stoffströme prallen auf den Deckel (2) des Mischkopfes, werden zerteilt und intensiv durchgemischt und es entsteht ein hochturbulentes Strömungsprofil, das auch im Unterteil der Mischkammer, wo sich die Volumenströme Vi und V₂ sammeln, erhalten bleibt mit einer Reynold-Zahl R_c t> 2300.

An den Mischkopf (1) schließt sich der rohrförmige Mischkanal (4) an, der ebenfalls aus oberfläch anbeschichtetem Metall besteht. Der Mischkanal (4) hat einen Innendurchmesser D₂ von 0,15 m und eine Höhe H₃ von 3,On. Die Innenflächen des rohrförmigen Mischkanals (4) können unterschiedliche Halterungen und Aufnahmesysteme fürtcbulenzerzeugende Einbauten (7) z. B. Stege, Prall- und Umlaufelemente enthalten. Nach unten schließt ein Ablaufkonus (5) mit einem Ablaufstutzen den Mischkanal (4) ab. Ein definiert eingestallter Abwasserstrom (Vi) gelangt mit Hilfe einer Pumpe durch eine Rohrleitung, die auf zwei der Stutzen (10) des Mischkopf unterteils mündet, in die Mischkammer. Der schwermetallhaltige Abwasservolumenstrom (V₁) tritt auf die Wandung des Deckels (2) des Mischkopfes, wird zerteilt und mischt sich intensiv mit

dem definierten Biomassesuspensionsstrom (V₂), der auf analoge Weise wie der Volumenstrom V₁ über die verbleibenden2 Stutzen (10) in die Mischkammer gelangt. Der Anstellwinkel der Stutzen (10) wird so gewählt, daß ein Durchschlagen der

Volumenströme in das eine oder andere Rohrleitungssystem verhindert wird. Mittels des Auftreffens der Volumenströme Vi und V₂ auf den Mischkopfdeckti werden diese zerteilt und intensiv durchmischt, und es bilden sich hochturbulente Strömungsverhältnisse (Re > 2300) heraus. Das r - gebildete Volumenstromgemisch gelangt über den Ablauftrichter in den

rohrförmigen Mischkanal (4) mit den genannten Abmessungen. Diese werden so gewählt, daß im Mischungskanal (4) dashochturbulente Strömungsprofil erhalten bleibt. Darüber hinaus wurde in dem Mischkanal (4) ein Steg und zwei "

Parallelelemente eingebaut, um die hochturbulenten Strömungsverhältnisse aufrecht zu erhalten. Nach Abschluß des · Biosorptionsprozesses verläßt das aus Abwasser und schwermetaiibeladener Biomasse bestehende Volumenstromgemisch

über den Ablaufkonus (5) und den Ablaufstutzen den Biosorptionsreaktor mittels Pumpen, die in die mit dem Ablaufstutzenverbund 'en Bypaß-Rohrleitungen (8) (bei Kreislaufbetrieb) oder einer Transportrohrleitung (9) integriert sind und wird

weiteren Verfahrensstufen zur Aufarbeitung der schwormetallbeladenen Biomasse zugeführt.

Prozeßparameter: Temperatur in "C: T = 2O⁰C

pH-Wert: 4

Konzentration d. Schwermetalls Quecksilber: C_Mg = 45 mg/1 Biomassekonzentration in g BTS/I: C_BTS = 2,5g BTS/I Art der Biomasse: Methylobacillus sp. MB 127

Zeit: t = 1Cmin .

Durchsatz pro h: 8OmVh Ergebnisse d. Absicherung: ä 25mu/g BTS

Claims

Biosorptionsreaktor zur kontinuierlichen Entfernung von Schwermetallen und/oder Schwermetallverbindungen auf mikrobleller Basis aus Industrieabwässern, bestehend aus Flanschen.miteinander verbundenen Mischeinrichtungen, Stutzen für den Stoffeintrag, Meßsteiler für eine stabile Prozeßführung, gegebenenfalls verbunden mit Pumpe und Regeleinrichtung versehenem Bypaß-Rohrleitungssystem, dessen Innenwandungen und Einbauten aus mit oder ohne Beschichtung versehenem Metall, Kunststoff und/oder Keramik gefertigt sind, gekennzeichnet dadurch, daß er aus einem Mischkopf (1) besteht, dessen oberer Teil als Deckel (2) die Form eines von oben geschlossenen Kegelstumpfes aufweist und ein Innendurchmesserverhältnis D₁ zu D₃ von 3,0 bis 3,5 und ein Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis D₁ zu H₂ von 1,6 bis 2,3 hat und mehrere Zulaufstutzen (10) im gleichmäßigen Abstand zueinander zum gerichteten Eintrag von Biomassesuspensions- und Abwässerströmen enthält, wobei der Anstellwinkel der Zulaufstutzen (10) so gewählt ist, daß die Biomasse- und Abwasserströme durch diese auf die Innenfläche des kegelstumpfförmigen Deckels (2) auftreffen, und Deckel (2) und trichterförmiges Unterteil (3) des Mischkppfes (1) über Flansche (6) lösbar verbunden sind, und aus einem mit dem Mischkopf (1) über Flansche lösbar verbundenen rohrförmigen Mischkanal (4) besteht, welcher ein Innendurchmesser-Höhen-Verhältnis D₂ zu H₃ von 0,03 bis 0,06 hat, im Inneren Aufnahmen zum Einbringen von turbulenzerzeugenden Einrichtungen (7) aufweist und nach unten mit einem Ablauf konus (5) mit Abzugstutzen abgeschlossen wird, woran sich gegebenenfalls ein Bypaß-Rohrleitungssystem (8) anschließt.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen technischen Bioreaktor zur kontinuierlichen Entfernung von Schwermetallen und/oder Schwermetallverbindungen aus Industrieabwässern mittels eines Verfahrens auf der Basis der Verwendung von Mikroorganismen als Biosorbenten zur Entlastung der Umwelt und zur Wertstoffrückgewinnung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Konventionelle Rührreaktoren, die bei Stoff umwandlungsprozessen eingesetzt werden, können eine Reihe von Primärforderungen, die an Reaktoren gestellt werden, erfüllen. Dazu zählen eine gleichmäßige Verteilung der Mikroorganismen, Nährstoffe und Substrate über das Kultivierungsmedium, die Versorgung der Biomasse mit Nährstoffen, die Einstellung bestimmter Milieubedingungen (wie Temperatur, pH-Wert, Druck, Strömungsvorhältnisse etc.) und die ideale Durchmischung diskontinuierlich oder quasikontinuierlich zugeführter Flüssigkeitsvolumenströme. Nachteilig ist, daß solche Forderungen, wie die Aufkonzentrierung der Biomasse, die Entkopplung von Verweilzeit und Biomassekonzentration, kontinuierliche Prozeßabläufe, definiertes Führen von Stoffströmen, hohe Transportkoeffizienten bei kontinuierlichen Prozeßabläufen und sich ändernden Stoffströmen sowie Schwankungen, in deren stofflicher Zusammensetzung nur unzureichend und mit hohem konstruktivem, technischem und energetischem Aufwand, verbunden mit hohen Investitions- und Betriebskosten realisierbar sind. (Deckweretal.: Bioreaktoren: Ein Leitfaden für Anwender, GBF-Texte 4GBF, Braunschweig 1987; Deckwer, W.-D., Bioreaktoren - derzeitiger Stand und erkennbare Entwicklungen, Chem. Ing. Tech.; 60 [1988], S. 583 ff.) Andere Bioreaktoren z.B. Turmreaktoren und daraus abgeleitete Modifikationen sind dagegen einfach in ihrer Konstruktion, die keine bewegten Teile (wie Rühren) benötigen, einen geringen Energieeintrag und geringere Wärmeübertragungsflächen haben, weniger Aufstellungs- und Betriebsfläche benötigen. Nachteilig ist jedoch, daß wie bei den Rührreaktoren nur an den Prozeß angepaßte Unikatreaktoren entstehen (z.B. hinsichtlich des Reaktionsvolumens, Stoffstromführung, der Verweilzeit usw.), so daß sich ändernde Volumenströme und/oder Schwankungen von deren stofflicher Zusammensetzung nur mit hohem Aufwand beherrscht werden können. (Crueger, W./Crueger, A.: Angewandte Mikrobiologie, Akademische Verlagsgesellschaft, Wiesbaden 1982; Schügerl, K.: Bioreaktionstechnik II, Verlag Sauerländer u. SaIIe, Frankfurt [Main], 1988). Auch die in der biologischen Abwasserreinigung gebräuchlichen Tropfkörper sind für die Entfernung von Schwermetallen ungeeignet, weil die Verweilzeiten zu hochsind und in der Regel Mischpopulationen auf deren Tropfkörperfüllungen angesiedelt sind, die eine geringe Selektivität gegenüber Schwermetallen und deren Verbindungen aufweisen. (Präve et al.: Handbuch der Biotechnologie, Akademische Verlagsgesellschaft, Wiesbaden, 1982).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines einfach aufgebauten, bioverfahrenstechnisch wirksamen, betriebsenergieminimierten, kontinuierlich, sicher und effektiv arbeitenden, für schwankende Stoffströme flexibel einsetzbaren kompakten Biosorptionsreaktors zur Entfernung von Schwermetallen und Schwermetallverbindungen aus Abwässern für auf mikrobieller Basis arbeitende Verfahren zur Entlastung der Umwelt und zur Wertstoffrückgewinnung.