DE3727236A1 - Festbett-umlaufreaktor fuer aufstrom-betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festbett-Umlaufreaktor für Aufstrom-Betrieb zum anaeroben biologischen Abbau der in der zu reinigenden Flüssigkeit enthaltenen Belastungsstoffe, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Festbett-Umlaufreaktoren im Aufstrom-Betrieb werden zum anaeroben biologischen Abbau, z. B. stark belasteter Abwäs­ ser aus der Nahrungsmittelindustrie, z. B. aus Brauereien, Zucker- und Stärkefabriken, Schlachthöfen, Papier- und Zellstoffindu­ strie usw. eingesetzt. Das poröse Festbett-Trägermaterial dient zur Fixierung und Aufkonzentration der Mikroorganismen und ver­ hindert eine Auswaschung derselben. Durch die Konzentration der Mikroorganismen auf dem Trägermaterial bzw. in den verzweigten Poren und Zwischenraumvolumina des Trägermaterials ist eine optimale Verteilung des Umlauf-(Zirkulations-)Stromes mit der bzw. dem zu reinigenden Flüssigkeit bzw. Abwasserstrom erforderlich. Bevorzugt werden poröse Trägermaterialien verwen­ det. Es sollen möglichst gleichmäßige Korngrößen (Strukturen) verwendet werden. Sonst entstünde kein gleichmäßiger Aufbau der Zwischenraumabstände. Dadurch wäre eine gleichmäßige Verteilung nicht möglich und es käme zu Kanalbildungen. Bisher wurden als geeignet befunden bzw. hat man verwendet: Sand, Sinterglas, Kohle, Schlacke, Lavagestein, Keramik, Blähton, Kunststoff- Formkörper. Diese Aufzählung ist nicht abschließend, sondern zeigt nur eine Auswahl der wichtigsten Trägermaterialien. Durch die Korngröße des Trägermaterials und die Porengröße bzw. Struktur wird eine gute Haftung für die Mikroorganismen er­ reicht.

Bei einem solchen Festbett-Umlaufreaktor bestehen für den zu­ verlässigen Dauerbetrieb eine Reihe von Anforderungen:

• - Die Strömungsgeschwindigkeit über dem Querschnitt des Reini­ gungs-Haufwerks gesehen muß möglichst gleichmäßig und darf nicht zu hoch sein, da andernfalls unbeabsichtigter Weise wertvolle Biomasse abgespült werden könnte;
• - eng im Zusammenhang damit steht die Forderung, daß sich keine Durchbrüche in der Festbettschüttung ausbilden, d. h. von Bio­ masse freigespülte Kanalzonen, durch welche dann das Rohwas­ ser weitgehend unaufbereitet seinen Weg nehmen könnte;
• - durch eine Steigerung des Umlaufes muß es möglich sein, abge­ storbene Biomasse (Schlamm) in Betriebsrichtung auszutragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Festbett-Umlaufreaktor so auszubilden, daß unter Erfüllung der vorstehend aufgezeigten Anforderungen eine besonders strömungs­ günstige Einleitung, sowie Rezirkulation und Ausleitung des Umlaufwassers erfolgen. Eine Unteraufgabe besteht darin, eine besonders günstige Einbindung der externen Anschlußrohrleitun­ gen in das interne, zentrale Rohrsystem des Festbett-Umlauf­ reaktors zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei dem gemäß Ober­ begriff des Anspruchs 1 definierten Festbett-Umlaufreaktor durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Patentansprü­ chen 2 bis 6 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß durch die trichterförmige Erweiterung des inneren bzw. Zentral-Rohr-Systems eine Reduzierung der Auflagefläche für die Trägermaterial-Säule bewirkt wird. Die damit einhergehen­ de Flächenreduzierung für den abstützenden Siebboden führt zu einer Erhöhung des Druckverlustes des von unten zuströmenden Rohwassers und damit zu einer guten Verteilung über die gesamte aktive Reaktor-Querschnittsfläche. Der Reaktorbehälter bildet mit der zentral angeordneten Trichterpartie des Zentral-Rohr- Systems einen sich stetig erweiternden Strömungsquerschnitt, eine Art Ring-Diffusor. Der Siebboden ist aufgrund der trichterförmigen Erweiterung des Kanalwandsystems in seiner Auflagefläche wesentlich, d. h. z. B. um 50%, reduziert. Dadurch sind besondere Unterstützungskonstruktionen für den Siebboden zur Abtragung der Gewichtsbelastung der Trägermaterial-Säule nicht oder nur in kleinem Umfange erforderlich. Mit dem Zentral-Rohr-System läßt sich auf günstige Weise ein äußerer Anschlußkopf mit der Einströmrohrleitung für das Roh- und Umlaufwasser, eine Ausströmrohrleitung für das Umlaufwasser und ferner eine Leitung kleineren Durchmessers für das abzuziehende Reinwasser vereinigen. Damit ist eine sehr kompakte Bauform zu erreichen. Insgesamt kann durch die Einleit-Ausleit- Umverteileinrichtungen für den Umlaufstrom eine gute hydrauli­ sche Verteilung erreicht werden, was sich günstig auf eine große Konzentration von Biomasse auf dem Festbett-Trägermate­ rial auswirkt.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile erläu­ tert. Darin zeigt in vereinfachter Darstellung, unter Fortlas­ sung der für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Teile:

Fig. 1 einen Festbett-Umlaufreaktor nach der Erfindung im Längs­ schnitt seines Reaktorbehälters;

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II aus Fig. 1, wobei wegen des über den Umfang gesehen gleichartigen Aufbaus lediglich eine Hälfte des Schnitts und innerhalb dieser Schnitthälfte der Siebboden nur im Bereich eines Quadran­ ten dargestellt ist;

Fig. 3 den Schnitt nach der Linie III-III aus Fig. 1 durch den Rohranschlußkopf;

Fig. 4 den Teilschnitt längs der Linie IV-IV aus Fig. 2 durch einen Teilbereich des Siebbodens.

Der im wesentlichen hohlzylindrische Reaktorbehälter 1 des als Ganzes mit FU bezeichneten Festbett-Umlaufreaktors besteht aus korrosionsbeständigem Stahlblech. Es kann auch C-Stahl beschich­ tet (gummiert) verwendet werden und bei kleineren Dimensionen auch Kunststoff. Er weist eine Längsachse z-z und einen Sieb­ boden 2 in Leichtbauweise auf. Der zylindrische Reaktorbehälter 1 stützt sich mit Boden 3.1 und Mantel 1.1 auf einer, z. B. aus Beton bestehenden Fundamentkonstruktion 3 ab. Diese Fundament­ ausführung ist den Bodenverhältnissen am Aufstellungsort anzu­ passen, welche letztere auf ihrer der Behälterunterseite bzw. dem Siebboden 2 zugewandten Seite den Behälterboden 3.1 in einer konischen Vertiefung aufnimmt. Der Boden 3.1 bildet - wie es die Strömungspfeile f 1 symbolisieren - eine Einström­ kammer K 1 für das Rohwasser und begrenzt diese nach unten der­ art, daß das Rohwasser gleichmäßig verteilt durch die Unter­ seite des kreisringförmigen Siebbodens 2 hindurchtreten kann. Der Behälterboden 3.1 ist mit dem Behältermantel 1.1 längs einer nicht näher bezeichneten Ringnaht verschweißt.

Der Reaktorbehälter 1 besteht im einzelnen außer dem schon er­ wähnten Behälterboden 3.1 aus dem Siebboden 2, dem Behälterman­ tel 1.1, einem flach-kegelförmigen Dach 1.2 mit Biogas-Abzug­ stutzen 15 im Bereich der Kegelspitze des Daches sowie aus einem im Bereich der Achse z-z bzw. der Mitte des Reaktorbe­ hälters 1 diesen durchdringenden zentralen Rohr-System 4 mit trichterförmiger Erweiterung 4.1 in seinem unteren Bereich. Der Ringraum 5 zwischen dem zentralen Rohr-System 4 und dem Behäl­ termantel 1.1 ist mit dem porösen Festbett 6, bestehend aus dem Trägermaterial in Form einer Schüttung 6 a und der an diesem Trägermaterial immobilisierten und an dieses adapterten Bio­ masse, ausgefüllt. Im dargestellten Beispiel besteht das Träger­ material 6 a aus Lavaschlacke, die Korngröße wird entsprechend der Reaktorgröße variiert und kann z. B. bei 10 mm bis 40 mm liegen.

Das zentrale Rohr-System 4 ist in Richtung auf sein unteres, im Bereich des Siebbodens 2 angeordnetes Ende, wie erwähnt, trichterförmig erweitert, siehe Trichter 4.1, und im Ringraum zwischen dem Außenumfang der Trichterbasis 4.1 a und dem Innen­ umfang des Behältermantels 1.1 ist der Siebboden 2 aufgelegt, der zur Abstützung des Trägermaterials 6 a und zur Einleitung der bzw. des zu reinigenden Flüssigkeit bzw. Wassers von unten in das Festbett 6 dient.

Unterhalb der Trichterbasis 4.1 a und des Siebbodens 2 befindet sich die schon erwähnte Einströmkammer K 1 für das zu reinigende Wasser und ein pro Anschlußkopf RK mit wenigstens einem mit der Einströmkammer K 1 kommunizierenden Einströmstutzen r 11 und mit wenigstens einem, mit dem Inneren des zentralen Rohr-Systems 4 kommunizierenden Ausströmstutzen r 21. Der Rohranschlußkopf RK hat weiterhin wenigstens zwei zueinander konzentrische Rohrlei­ tungen r 12 (Außenrohr) und r 22 (Innenrohr), wobei das Außenrohr r 12 in die Einströmkammer K 1 mündet und das Innenrohr r 22 an das Kanalwandsystem 4 über dessen Trichterbasis 4.1 a, und zwar über eine konisch nach unten ausgewölbte Bodenwand 4.1 b des Trichters 4.1, angeschlossen ist. Dabei mündet der Einström­ stutzen r 11 in die Ringkammer K 11 zwischen Außenrohr r 12 und Innenrohr r 22, und der Ausströmstutzen r 21 ist außerhalb der axialen Länge des Außenrohres r 12 an das Innenrohr r 22 ange­ schlossen. Die Ringkammer K 11 zwischen Außen- und Innenrohr und der vom Innenrohr r 22 gebildete Ausströmkammerraum K 34 sind jeweils durch Abschlußdeckel bzw. Stirnwände 7 nach außen abgeschlossen.

Der Reaktorbehälter 1 umgrenzt oberhalb des Festbettes 6 einen Kammerraum K 2 für Wasserüberstau, dessen Spiegel mit 8 bezeich­ net ist, und einen darüber befindlichen Gasraum G, welcher in den schon erwähnten Biogas-Abzugstutzen 15 mündet. Letzterer ist innerhalb der Deckwand 1.2 vorzugsweise an der geodätisch höchsten Stelle, d. h. im Bereich des Scheitelpunktes der kegel­ förmigen Deckwand 1.2, angeordnet. Innerhalb des Raumes K 2, G für Wasserüberstau und Gas ist eine Kammer K 31 durch die poröse Korbkonstruktion 9 einer Schaumfalle abgegrenzt, welche Kammer K 31 mit dem oberen Ende 4.2 des zentralen Rohr-Systems 4 verbun­ den ist und mit diesem einen Einlaufsammler für Umlaufwasser bildet. Die Korbkonstruktion 9 ist im Querschnitt laternenför­ mig mit einem sich konisch erweiternden Einlauf-Trichter 9.1 und einer sich daran anschließenden Korbwand 9.2. Die Korbwand 9.2 ist an ihrer Oberkante mit dem Dach 1.2 verbunden. Inner­ halb der Kammer K 31 ist wenigstens ein Einlaufsammler ES für Reinabwasser angeordnet. Dieser ist über eine Rohrleitung 10 mit einem Reinwasserablauf 11 des Reaktorbehälters 1 verbunden. Der Einlaufsammler ES ist etwa tassenförmig mit einer in die Rohrleitung 10 mündenden bodenseitigen Öffnung es 1 und mit Bohrungen es 2 im oberen Bereich seiner Mantelwand sowie Rand­ aussparungen es 3 zur möglichst laminaren Einleitung des Rein­ wassers in den Einströmsammler ES.

Im unteren Teil der Fig. 1 erkennt man den äußeren Teil des Was­ serkreislaufes mit Zirkulationspumpe 12, der an den Ausström­ stutzen r 21 angeschlossenen Saugleitung 1 ₁ und der zwischen Druckseite der Pumpe 12 und dem Einströmstutzen r 11 verlegten Druckleitung 1 ₂ für Roh- und Umlaufwasser. Die Strömungsrich­ tung ist durch die Pfeile f 01 (Einströmung) und f 03 (Ausströ­ mung) symbolisiert, der Reinwasserablauf durch den Pfeil f 02. An die Druckleitung 1 ₂ ist, wie schematisch durch einen Pfeil angedeutet, die Rohabwasser-Einspeisung 13 angeschlossen, ferner ist bei 14 eine pH-Meßstelle angedeutet, und bei 15 kann durch Einspeisung saurer bzw. basischer Lösung eine Korrektur des pH-Wertes des Roh- und Umlaufwassers vorgenommen werden.

Für den Reaktorbehälter 1 kommen solche mit rechteckiger, ins­ besondere quadratischer, oder allgemein polygonaler Grundfläche in Betracht. Es muß nicht unbedingt eine prismatische Gestalt vorliegen (bei der die Querschnittsabmessungen in Höhenrichtung gesehen gleich bleiben), es könnte auch eine nach oben schwach tütenförmig- oder konisch sich erweiternde Gestalt gewählt werden. Besonders günstig ist indessen die gewählte Zylinder­ form wegen der in Umfangsrichtung vorliegenden symmetrischen Strömungsbedingungen, so wie dargestellt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Durchmesser D ₁ der Trichterbasis 4.1 a des zentralen Rohr-Systems 4 im Bereich 0,4 D ₁ 0,6 D, insbesondere bei etwa 0,5 D des Durchmessers D des Reaktorbe­ hälters 1, wobei die verbleibende Ringzone mit der Ringweite (D - D ₁)/2 vom Siebboden 2 bedeckt ist.

Die nicht maßstabgetreu dargestellte trichterförmige Erweite­ rung 4.1 des zentralen Rohr-Systems 4 erstreckt sich in Behäl­ terachsrichtung z-z über wenigstens ein Viertel der Höhe des Festbettes 6. Der obere Teil 4.3 des Kanalsystems 4 entspricht mit seiner lichten Weite derjenigen der Trichterspitze und setzt sich als zylindrische Leitung gleichen Querschnitts durch das Festbett 6 nach oben bis hin zum Einlauf-Trichter 9.1 der Schaumfalle 9 fort, bezüglich welcher die Leitung 4.3 einen Einlaufkanal für das Umlaufwasser gemäß den Strömungspfeilen f 22 bildet.

Die Reinwasser-Rohrleitung 10 ist vom Reinwasser-Einlaufsammler ES koaxial zum Rohr-System 4 und zentrisch durch dieses nach unten bis zum Reinwasser-Ablauf 11 verlegt, wobei sie auch das Innenrohr r 22 zentrisch durchdringt. Besondere Auslaß-Armaturen für das Reinwasser sind der Einfachheit halber weggelassen.

Der Siebboden 2 ist - wie man es insbesondere aus Fig. 2 und 4 erkennt - aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung aneinander­ gereihten, perforierten Wellenprofilen 2.1 gebildet. Diese Wellenprofile 2.1 sind an ihrem Innen- und an ihrem Außenum­ fang jeweils mit der Trichterbasis 4.1 a bzw. dem Innenumfang der Mantelwand 1.1 verbunden. Besonders günstig sind die dar­ gestellten Trapez-Profil-Segmente, weil sich dadurch ebene Ab­ stützflächen für die Festbett-Schüttung 6 ergeben. Das Trapez­ profil vergrößert außerdem die Eintrittsfläche und vermeidet weitgehend eine Verlagerung derselben.

Im Betrieb gelangt das Gemisch aus Umlauf- und Rohwasser, durch den Rohrstutzen r 11 und die Ringkammer K 11 aufwärts in die Ein­ trittskammer K 1, es verteilt sich unter dem Siebboden 2 gemäß Strömungspfeilen f 1, durchströmt den Siebboden 2 und dringt in das Festbett 6 ein, welches es von unten nach oben gemäß Strö­ mungspfeilen f 2 durchströmt. Die Durchströmung ist allerdings verhältnismäßig langsam, weil ausreichende Verweilzeiten für die Flüssigkeiten gegeben sein müssen, damit die Mikroben mit den organischen Inhaltsstoffen des Wassers versorgt werden. Bei diesem Abbau bildet sich Biogas, welches nach oben perlt durch das Festbett 6 und den Kammerraum K 2 und nach Durchdringen der Korbkonstruktion 9 durch den Gasabzug 15 nach außen gelangt. Das vorbehandelte Wasser sammelt sich im Wasserüberstau und teilt sich in zwei Teilströme: Der eine Teilstrom fließt gemäß Strömungspfeilen f 22 durch die poröse Wand 9 der Schaumfalle in die Kammer K 31 und von hier in das zentrale Rohr-System 4 gemäß Strömungspfeilen f 3 nach unten durch den Trichter 4.1 in das daran anschließende Innenrohr r 22 des Rohranschlußkopfes RK und von hier über den Ausströmstutzen r 21 gemäß Strömungspfeil f 03 in die Saugleitung 1 ₁, von wo es die Pumpe 12 in die Drucklei­ tung 1 ₂ als Umlaufwasser drückt. Dort wird es mit dem über der Leitung 13 ankommenden Rohwasser gemischt und gemäß Strömungs­ pfeil f 01 in den Einströmstutzen r 11 und das Außenrohr r 12 gedrückt. Dabei wird u. a. der pH-Wert gemessen (14) und gege­ benenfalls korrigiert (15). Weitere Meßeinrichtungen, wie z. B. Temperatur- und Druckmessung, sind nicht dargestellt. Der zweite Strom gelangt aus der Kammer K 31 gemäß Strömungspfeil f 21 in den Einlaufsammler ES, und zwar als relativ sauberes Reinab­ wasser durch die zentrale Reinabwasser-Rohrleitung 10 zum Reinabwasser-Ablauf 11 am Rohranschlußkopf RK.

Claims (6)

1. Festbett-Umlaufreaktor für Aufstrom-Betrieb zum anaeroben biologischen Abbau der in der zu reinigenden Flüssigkeit ent­ haltenen Belastungsstoffe, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - der Festbett-Umlaufreaktor (FU) besteht aus einem Reaktorbe­ hälter (1) mit Behälterboden (3.1), Siebboden (2), Behälter­ mantel (1.1) und Dach (1.2) sowie einem im Bereich der Achse bzw. Mitte (z-z) des Reaktorbehälters (1) diesen durchdrin­ genden zentralen Rohr-System (4);
• - der Ringraum (5) zwischen dem zentralen Rohr-System (4) und dem Behältermantel (1.1) ist mit dem porösen Festbett (6), bestehend aus der Trägermaterial-Schüttung (6 a) und der an dieses Trägermaterial adaptierten Biomasse ausgefüllt;
• - das zentrale Rohr-System (4) ist in Richtung auf sein unte­ res, im Behälterbodenbereich angeordnetes Ende trichterförmig erweitert, und im Ringraum zwischen Außenumfang der Trichter­ basis (4.1 a) und dem Innenumfang des Behältermantels (1.1) ist ein Siebboden (2) angeordnet, der zur Abstützung des Trägermaterials (6 a) und zur Einleitung der zu reinigenden Flüssigkeit von unten in das Festbett (6) dient;
• - unterhalb der Trichterbasis (4.1 a) und des Siebbodens (2) befindet sich eine Einströmkammer (K 1) für die zu reinigende Flüssigkeit und ein Rohr-Anschlußkopf (RK) mit wenigstens einem mit der Einströmkammer (K 1) kommunizierenden Einström­ stutzen (r 11) und mit wenigstens einem, mit dem Inneren des zentralen Rohr-Systems (4) kommunizierenden Ausströmstutzen (r 21);
• - der Reaktorbehälter (1) umgrenzt oberhalb des Festbettes (6) einen Raum (K 2) für Wasserüberbau und einen darüber befind­ lichen Gasraum (G), welcher in wenigstens einen in der Deck­ wand (1.2) vorzugsweise an der geodätisch höchsten Stelle an­ geschlossenen Gasauslaßstutzen (15) mündet, wobei innerhalb des Raumes für Wasserüberbau und Gas (K 2, G) eine Teilkammer (K 31) durch die poröse Wandkonstruktion (9) einer Schaumfalle abgegrenzt ist, welche Teilkammer (K 31) mit dem oberen Ende (4.2) des zentralen Rohr-Systems (4) verbunden ist und mit diesem einen Einlaufsammler für Umlaufwasser bildet;
• - innerhalb der Teilkammer (K 31) ist wenigstens ein Einlauf­ sammler (ES) für Reinabwasser angeordnet und über eine Rohr­ leitung (10) mit einem Reinwasser-Ablauf (11) des Reaktor­ behälters (1) verbunden.

2. Festbett-Umlaufreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die trichterförmige Erweite­ rung (4.1) des zentralen Rohr-Systems (4) sich in Behälterachs­ richtung (z-z) über wenigstens ein Viertel der Höhe des Reini­ gungs-Haufwerks (6) erstreckt, und daß der obere Teil (4.3) des zentralen Rohrsystems (4) als Leitung gleichen Querschnitts ausgebildet ist.

3. Festbett-Umlaufreaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohr­ anschlußkopf (RK) wenigstens zwei zueinander konzentrische Rohr­ leitungen aufweist, wobei das Außenrohr (r 12) in die Einström­ kammer (K 1) mündet und das Innenrohr (r 22) an das zentrale Rohrsystem (4) über dessen Trichterbasis (4.1 a) angeschlossen ist, und wobei der Einströmstutzen (r 11) an das Außenrohr (r 12) und der Ausströmstutzen (r 21) an das Innenrohr (r 22) angeschlossen ist.

4. Festbett-Umlaufreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rein­ wasser-Rohrleitung (10) vom Reinwasser-Einlaufsammler (ES) zen­ trisch durch das zentrale Rohr-System (4) und durch das Innen­ rohr (r 22) bis zu einem Reinwasser-Ablauf (11) verlegt ist.

5. Festbett-Umlaufreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebboden (2) aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung aneinandergereihten, perforier­ ten Wellenprofil-Segmenten (2.1) besteht.

6. Festbett-Umlaufreaktor nach Anspruch 5, gekenn­ zeichnet durch ein Trapez-Wellenprofil.