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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen biologischen Prozess zur kontinuierlichen Reinigung von Abwasser
mittels Umwandlung der Bestandteile in eine feste Form, die durch
zu behaltene biologische Katalysatoren einfach abgeschieden werden
kann. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen neuen Reaktor,
der im Folgenden als "Umgekehrt
angeströmter
Kreislaufreaktor" (RFLR)
bezeichnet wird, zur Durchführung
des oben genannten Verfahrens.
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Stand der
Technik
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Mikroorganismen wurden für eine lange
Zeit zur Behandlung von Wasser und Abwasser eingesetzt. Einige der
neueren Anwendungen von Mikroorganismen beinhalten die Oxidation
von Sulfiden und gelösten Eisensalzen
zu elementarem Schwefel und Eisensalzen in oxidierten Formen, die
durch Fällung
leicht entfernt werden können
[siehe zum Beispiel: Buisman, C.J.N., et al., Biotechnol. and Bioengng.
35, 50–56,
(1990)]. Diese Anwendungen sind auch für den Fall von gelöstem Mangan
einsetzbar. Die biologische Entfernung von Sulfiden hauptsächlich als
elementarer Schwefel, der im Wesentlichen unlöslich in Wasser ist, findet
in der Behandlung von Sulfide enthaltendem Abwasser aus einer Reihe
von Industriezeigen Anwendung, besonders bei Faserstoff- und Papierfabrikabwasser
und Raffinerie- und Petrochemieabwasser. Sulfide entstehen ferner
bei der anaeroben Behandlung von Sulfate enthaltendem Abwasser beispielsweise
bei Brennerei- und Pharmazieabwasser.
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Die Entfernung von Schwefelwasserstoff
aus Gasen durch Gaswäsche
mit Wasser-, Basen- oder Karbonat-Absorbtionsmitteln führt ebenfalls zu einer Sulfid
enthaltenden Flüssigkeit,
die in einem biologischen Sulfidoxidierungsverfahren behandelt und
wieder gewonnen werden kann.
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Gelöstes Eisen tritt im Bergbau
und anderen Kohlenrevierentwässerungen
auf. Diese Wässer
sind hochgradig sauer und erfordern eine Behandlung. Biologische
Oxidation wandelt gelöstes
Eisen(II)-Eisen in Hydroxid- oder Karbonat-Eisen(III)-Ion-Fällungsprodukte um, die einfach
aus Wasser entfernt werden können. Ein
derartiges Verfahren kann zur Behandlung von sauren Minenabwässern eingesetzt
werden [siehe zum Beispiel: Nakamura, K. et al., Water Research
20, 1, 73-77 (1986)].
Eine weitere Anwendung für
eine biologische Eisenentfernung ist die Behandlung von Trinkwasser,
besonders von Grundwasser, das in bestimmten Gebieten inakzeptable
Mengen an gelöstem
Eisen enthält.
Mangan ist ebenfalls im Grundwasser von bestimmten Gebieten vorhanden;
in industriellen Abwässern
aus Stahl- und Manganfabriken und im Entwässerungswasser von Kohle- oder
Eisenerzminen. Die Entfernung von Mangan ist auch durchführbar durch
die biologische Oxidation von Mangan, um unlösliches Mangandioxid und Hydroxid-Fällungsprodukte
zu erzeugen. Obwohl derartige Verfahren momentan nur in Form von
natürlicher
Oxidation in Systemen wie bebauten Feuchtgebieten verwendet werden,
ist es absehbar, dass Reaktorsysteme mit höherem Durchsatz für die kontrollierte
Entfernung von Mangan durch biologische Oxidation entwickelt werden
können.
Es ist darauf hinzuweisen, dass all diese Systeme zur Ausformung
von unlöslichen
Fällungsprodukten
führen.
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Eine weitere Anwendung, die zu festen
Fällungsprodukten
führt,
ist die biologische Sulfatreduktion, wenn sie zur Entfernung von
Metallen aus Abwässern
eingesetzt wird. Die Reduktion von Sulfaten zu Sulfiden wird durch
Organismen durchgeführt,
die als "Sulfat
reduzierende Bakterien" bekannt
sind. Diese Bakterien benötigen
eine Energiequelle oder einen Elektronendonator, der durch einfache
organische Komponenten wie Methanol oder Gase mit Wasserstoff wie
Generatorgas gegeben sein kann. Die Verwendung von Gas als Energiequelle
wird für
größere Dimensionen
als die ökonomischere
Variante angesehen. Auch hier haben wir die Situation, dass eine
gewünschte
Bakterie – Sulfat
reduzierende Bakterie – innerhalb
des Reaktors gehalten werden muss, ausgestattet mit einem schwer
löslichen
Gasreaktanten, und das feste Endprodukt muss effizient aus dem Reaktor
entfernt werden.
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Herkömmlicherweise haben durchlüftete Reaktoren
zwei Techniken eingesetzt, um eine hohe Konzentration von Mikroorganismen
im Reaktor aufrecht zu erhalten. In den weit verbreiteten Belebtschlammreaktoren
(siehe zum Beispiel Metcalf und Eddy Inc. "Wastewater Engineering: Treatment, Disposal
and Reuse", Tata McGraw-Hill
Publishing Co., New Delhi), wird der Schlamm nach der Trennung von
der Abwasserflüssigkeit durch
Sedimentation wiederverwertet. Die hohe Konzentration an Mikroorganismen
im Reaktor nimmt die Form von festen Flocken an, die durch Rühren oder
Durchlüftung
in Suspension gehalten werden. Die gemischte und turbulente Natur
der Suspension gewährleistet
einen effektiven Kontakt zu den Biokatalysatoren – z.B. die
Mikroorganismen mit den Reaktanten wie Sauerstoff und Schadstoffmaterial.
Wenn diese Systeme auf Verfahren angewendet werden, die feste Abfallprodukte
erzeugen, können
diese Produkte nicht durch herkömmliche Sedimentationstrennung
von den aktiven Biokatalysatoren getrennt werden. Daher gäbe es eine Anreicherung
der Produkte in dem Reaktor, was zu einer geringeren Leistung und
möglichem
Versagen führen kann.
Es ist absehbar, dass zum Funktionieren des Systems teure Nachbearbeitungsmaßnahmen
erforderlich sind, um gezielt feste Abfallprodukte von den aktiven
Biokatalysatoren zu entfernen.
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Es ist ferner üblich, Mikroorganismen als
Film auf einer stationären,
inerten Packung innerhalb des Reaktors zu halten. Eine derartige
Vorrichtung wird als "Biofilmreaktor" bezeichnet. Diese
Systeme eignen sich besser für
anaerobe Prozesse, die keinen Sauerstoff oder Durchlüftung erfordern,
und die verglichen mit aeroben Systemen eine intrinsisch langsame
Reaktionsrate aufweisen. Angewendet auf einen durchlüfteten Prozess
hilft der langsame Massentransfer der Reaktanten zum stationären Biofilm
nicht bei der Verbesserung der Leistung.
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Im durchlüfteten Prozess nimmt das Biofilmsystem
die Form von Tropfkörpern
an, wobei die Flüssigkeit
am oberen Ende des mit dem Packungsmaterial gefüllten Reaktors versprengt wird,
wobei es sich bei dem Packungsmaterial entweder um eine natürlich verteilte
Packung aus Steinen oder um synthetisch erzeugten Medien in Form
einer zufälligen
oder strukturierten Packung handeln kann. In diesen Systemen ist
es beachtenswert, dass die Flüssigkeit
als diskontinuierliche Phase vorliegt, während Luft als kontinuierliche
Phase vorliegt. Es ist ferner offensichtlich, dass diese Reaktoren
ungeeignet sind, wenn während
der Reaktion feste Produkte erzeugt werden, da sich diese Produkte
auf dem Medium ansammeln. Tatsächlich
sind diese Systeme nicht empfehlenswert, auch wenn sedimentierbare
inerte Feststoffe im unverarbeiteten Abwasser aus denselben Gründen vorliegen.
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Es gibt einige Systeme – "durchlüftete Filter" – in denen eine synthetische
Packung, eingetaucht in einen Flüssigkeitsvorrat,
von unten durchlüftet
wird, wobei ein streuender Lüfter
eingesetzt wird. Diese Systeme haben wieder alle Mängel des
Sauerstoffmassentransfers bei Biofilmsystemen, jedoch haben sie
den Vorteil eines gehaltenen Biofilms, wodurch Nachsedimentation
vermieden wird, und sie werden weniger durch Veränderungen in den Abwassereigenschaften
wie Stoßbelastungen
oder flüchtige
toxische Frachten beeinflusst. Es ist offensichtlich, dass eine
effektive Entfernung von festen Produkten in einem eingetauchten
durchlüfteten Reaktor
nicht möglich
ist.
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Ein anderes Biofilmsystem stellt
der Fließbettreaktor
dar. Dabei liegt der Biofilm auf einem Trägermaterial vor, dass innerhalb
des Bioreaktors in Suspension gehalten wird, wobei die die Flüssigkeitsgeschwindigkeit
ausgenutzt wird, die in Aufwärtsrichtung
eingebracht wird. Der konstant bewegte Zustand der Trägerpartikel
gewährleistet,
dass die Massentransferbegrenzungen von stationären Biofilmreaktoren minimiert
werden. Die erzeugte Geschwindigkeit befindet sich im Fließbereich,
z.B. die Zugkraft nach oben, die auf die Bioträgerpartikel wirkt, ist gleich
und entgegengesetzt zum Gewicht der Partikel. In Fest-Flüssig-Fließbettreaktoren
existiert ein enger Bereich der Geschwindigkeit, in welchem dieses
auftritt. Die Situation kompliziert sich durch die Anwendung einer
Durchlüftung.
Am oberen Ende des Fließbettreaktors
befindet sich ein Gewinnungsbereich, in dem Gas, Flüssigkeit
und übergegangene
Feststoffe getrennt werden. Die erforderliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit
ist ziemlich hoch, und daher ist der Energieverbrauch von Fließbettreaktoren üblicherweise
höher als
der von anderen Reaktortypen. Der Fließbettreaktor wurde zur anaeroben
Abwasserbehandlung eingesetzt, aber bei durchlüfteten Systemen sind derartige
Anwendungen aufgrund der hydrodynamischen Schwierigkeit, Stabilität in einem
3-Phasenfließbett zu
erhalten, selten. Die Entfernung von festen Produkten ist ebenfalls
problematisch, da sie das Einbringen einer Geschwindigkeit erfordert,
welche die festen Produkte austrägt,
während
der Rückhalt
der Bioträgerpartikel
gewährleistet
ist. Es würde
die Stabilität
des Arbeitsbereiches weiter reduzieren.
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Das Konzept des Airlift-Fermenters
setzt ein Saugrohrsystem mit Durchlüftung ein, um einen umlaufenden
Durchfluss zu erreichen. Dieses System wurde zur Durchführung von
biologischen Reaktionen ohne Bioträger entwickelt und eingesetzt.
Eine Erweiterung des Airlift-Fermenters, bezeichnet als Biofilm-Airlift-Reaktor,
der Bioträger
einsetzt, wurde zur Abwasserbehandlung entwickelt [Heijnen J.J.
et al., Chem. Eng. Technol., 13, 202–208 (1990).]. Er wurde kommerziell
in verschiedenen Anlagen realisiert. In diesen Reaktoren befinden
sich die Bioträger
im Fließzustand
oder im Umlauf. Die Biofilm-Airlift-Reaktoren haben im Vergleich
zu einem 3-Phasen Fießbettreaktor
einen größeren Bereich
der hydrodynamischen Bedienbarkeit.
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Das Konzept des umgekehrten Fließbettreaktors
bezieht sich auf die Verwendung von Bioträgerpartikeln, die eine spezifische
Dichte niedriger als die der Flüssigkeit
(normalerweise Abwasser) haben. Das Bett aus Bioträgerpartikeln
formt ein schwimmendes Bett am oberen Ende des Reaktors aus. Der
Fließzustand
wird durch Einbringung einer Flüssigkeitsgeschwindigkeit
in Abwärtsrichtung
erreicht. Der Hauptvorteil eines derartigen Systems liegt in der
Fähigkeit,
feste Produkte durch die kombinierte Durchführung von Sedimentation und
gleichzeitigem Flüssigkeitsfluss
zu entfernen. Dieses System ist jedoch aufgrund der Instabilität und des sehr
engen Bereiches für
die Abwärts-Fließgeschwindigkeit
schwer mit Durchlüftung
zu realisieren. Ferner führt
die gleichmäßige Verteilung
der Flüssigkeit
am oberen Ende des Reaktors, um eine Fluidisierung ohne Kanalbildung
zu erzeugen, und die Entfernung von aufsteigendem Gas zum gleichen
Zeitpunkt zu solchen technischen Problemen, dass der umgekehrte
Fließbettreaktor
noch nicht in Praxisanwendungen realisiert wurde. Durchlüftung ist
praktisch nur in einem externen Kreislauf zu dem Reaktor möglich, was
zu zusätzlichen Begrenzungen
der Kapazität
des Reaktors führt.
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Es kann auf Garcia-Calderon, D. et
al., Water Res., 32(12), 3593-3600, 1998 und Garcia-Bernet, D. et al.,
Water Sci. Technol., 38(8–9),
393–399,
1998 hingewiesen werden, worin ein Abwärts-Fließbettreaktor oder umgekehrter
Fließbettreaktor
zur Anwendung bei anaerober Behandlung von Abwasser beschrieben
wurde. In ihrer Beschreibung der Abwärts-Fluidisierung werden Partikel
mit einer spezifischen Dichte niedriger als die der Flüssigkeit
durch einen gleichzeitigen Flüssigkeitsstrom
nach unten fluidisiert. Das Dokument beschreibt die Anwendung der
Abwärts-
(oder umgekehrten) Fluidisierungstechnologie für die anaerobe Verarbeitung
von Abwässern
aus Rotweindestillerien. Der verwendete Träger war ein Erdperlit, ein
aufgeweitetes vulkanisches Gestein. Die Biofilmausformung und ihr
Effekt auf die Hydrodynamik des umgekehrten Fließbettreaktors wurde beschrieben
[Garcia-Calderon, D. et al., Biotechnol. Bioeng., 57(2), 136–144, 1998].
Es ist darauf hinzuweisen, dass alle diese Arbeiten zu anaeroben
Systemen und nicht zu durchlüfteten
Systemen durchgeführt
wurden.
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Die Übertragung von umgekehrten
Fließbettreaktoren
bei der Abwasserbehandlung vom Labor zu Reaktoren in Originalgröße wurde
in einem Dokument von Karamanev, D.G. und Nikolov, L.N.; Environ.
Prog., 15(3), 194–196,
1996. Hier wird der umgekehrte Fließbettreaktor so konstruiert,
dass die Dicke des Biofilms gesteuert werden kann, um Diffusionsbegrenzungen
innerhalb des Biofilms zu vermeiden. Die Basis des Reaktors stellt
eine Saugrohr-Airlift-Vorrichtung dar. Die zirkulierende Flüssigkeit
erweitert das Bett aus aufnahmefähigen
Partikeln am Ringraum. Am Anfang ist die untere Bettgrenze weit über der
unteren Rohröffnung. Der
Biofilm, der sich auf der Oberfläche
der Stützpartikel
ausbildet, vergrößert den
Gesamtdurchmesser der Biopartikel (Stützpartikel plus Biofilm). Dies
resultiert in einer Bettausdehnung und einer sehr langsamen Bewegung
des unteren Bettrandes nach unten, bis der untere Bettrand die untere
Saugrohröffnung
erreicht und einige der Biopartikel mit dem Flüssigkeitsstrom in das Saugrohr
eintreten. Dort wird aufgrund der großen Scherbeanspruchung ein
Teil des Biofilms abgetrennt und die Dicke des Biofilms verringert
sich. Schließlich verlassen
die Biopartikel das Saugrohr und gelangen in den oberen Bereich
des Ringraumes, wo sich der Prozess wiederholt. Dadurch wird die
Dicke des Biofilms gesteuert. In dieser Beschreibung arbeitet der
umgekehrte Fließbettreaktor
vorrangig als ein erweitertes Fließbett, die Kreislaufführung der
Bioträger
dient hauptsächlich
zur Entfernung von überschüssigem Biofilm
von schwereren Partikeln. Es gibt keine Absicht, das Reaktorsystem
zur Produktion und Entfernung von festen Produkten durch biologische
Sulfidoxidation oder Eisenoxidation oder Manganoxidation zu verwenden.
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Eine Vorrichtung zur biologischen
Behandlung von Abwasser im Abwärtsbetrieb
ist offenbart durch Shimodaira;
US
4454038 ; Erteilt/Angemeldet Daten: 12. Juni 1984/31. Oktober
1980. Ein vorheriges Patent desselben Erfinders,
US 4256573 , offenbart ein Verfahren
zur biologischen Behandlung von Abwasser, wobei ein Abwärts-Fließbett zur
anaeroben und aeroben Abwasserbehandlung genutzt wird. Die offenbarte
Basisvorrichtung ist ein Abwärts-Fließbett mit
Bioträgern
leichter als Wasser, und mit einem Verteiler zur gleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung
am oberen Ende des Reaktorkessels. Die Vorrichtung wird für die Verwendung
bei der Nitrifikation, der Denitrifikation und bei der BSB-Entfernung beschrieben.
Es wird eine Verbesserung der Basisvorrichtung in Anspruch genommen,
wobei ein Saugrohr mit einem Durchlüftungssystem vorgesehen ist,
in dem die Durchlüftung
eine Zirkulation zur Erzeugung eines Fließbetts ausbildet. Die Funktion
des beanspruchten Saugrohres liegt eher in der Bereitstellung eines
internen Kreislaufstromes der Flüssigkeit
zur Durchlüftung als
in der eines externen Kreislaufstromes der Flüssigkeit durch Pumpen. Es gibt
bedeutsame und entscheidende Unterschiede zwischen der vorliegenden
Erfindung und der von Shimodaira offenbarten Erfindung. Diese werden
im Folgenden aufgezählt:
- 1. Die vorhergehende Vorrichtung ist nicht
für die
Entfernung von Feststoffen konstruiert und geplant. Die vorliegende
Erfindung eignet sich speziell für
die Produktion und Entfernung von Feststoffen, wodurch die Behandlung
beeinflusst wird. Daher hat die vorliegende Erfindung speziellen
Nutzen für
die biologische Entfernung von Sulfiden, Eisen und Mangan aus Abwasser.
- 2. Die in der vorherigen Erfindung offenbarte Vorrichtung ist
ein wirklicher Fließbettreaktor,
z.B. ist der beabsichtigte Betrieb eine Betterweiterung von im Wesentlichen
konstanter Länge,
während
sich die vorliegende Erfindung für
ein zirkulierendes Fließbett
eignet. Es wird angegeben, dass die Erhaltung der konstanten Betterweiterung
durch Einblasung oder Gasbildung unterstützt wird. Es ist entscheidend,
Bettzirkulation in einer Vorrichtung zu haben, die für Reaktionen
eingesetzt wird, die in die Produktion von festen Produkten resultieren,
um eine adäquate
Entfernung von inerten Materialien zu erreichen.
- 3. Die in der vorherigen Erfindung offenbarte Vorrichtung fasst
Trägermaterial
nur in dem ringförmigen Raum
zwischen dem Saugrohr und der Reaktorwand ins Auge; daher keinen
erheblichen Teil der Reaktion innerhalb des Saugrohres. Die vorliegende
Erfindung dagegen hat einen erheblichen Teil des Trägers innerhalb
des Saugrohres in Aufwärtsbewegung,
und ein erheblicher Teil der Reaktionen findet innerhalb des Saugrohres
statt. Es ist ferner bemerkenswert, dass die vorliegende Erfindung
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein Saugrohr mit einem derartigen Durchmesser verwendet, dass der
Querschnitt des Saugrohres größer als
der Querschnitt des ringförmigen
Bereiches zwischen Saugrohr und Reaktorwand ist.
- 4. Die in der vorherigen Erfindung beschriebene Vorrichtung
erfordert eine speziell konstruierte Flüssigkeitsversorgung, um gleichmäßig Flüssigkeit
auf der Oberfläche
des Bettes zu verteilen und dazu sind verschiedene Anordnungen beschrieben.
Dagegen erfordert die vorliegende Erfindung als zirkulierendes Fließbett keinen
speziellen Mechanismus zur Verteilung der Flüssigkeit erfordert.
- 5. Die eingebrachte Zirkulationsgeschwindigkeit ist quantitativ
größer als
die Fluidisierungsgeschwindigkeit.
- 6. Die vorliegende Erfindung und ihr Arbeitsbereich eignen sich
speziell dazu, biologische Reaktionen durchzuführen, die zu festen Produkten
wie Schwefel, Eisenoxiden und Manganoxiden führen, die anorganisch und allgemein
mit einer spezifischen Dichte entscheidend größer als die der Biomasse sind,
und die in fein getrennter Form vorliegen.
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In der US-Schrift
US 5,019,268 ; Erteilt/Angemeldet Daten:
28. Mai 1991/15. Juni 1989 wird eine Vorrichtung zur anaeroben Abwasserbehandlung
beschrieben, die Fließbetten
leichter als Wasser umfassen, die sich im Wesentlichen in einer
Aufwärtskonfiguration
befinden, die aber regelmäßig durch.
Abwärts-Fluidisierung
durchspült
werden, um enthaltene Feststoffe, die im Abwasser enthalten sein
können,
zu entfernen. Die vorliegende Erfindung hat eine vollständig andere
Anordnung und einen anderen Zweck.
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Oh, KwangJoong; et al., KOrean J.
Chem. Eng., 15(2), 177–181
(1998) KOrean Institute of Chemical Engineers beschreibt ein Verfahren
zur Entfernung von Schwefelwasserstoff durch biologische Oxidation
in einem 3-Phasen-Fließbettbioreaktor.
Thiobacillus sp. wurde auf Biosanden immobilisiert.
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Die Probleme beim Einsatz von Trägerpartikeln
und festen Betten zur Sulfidoxidation werden in einem Patent (C.J.N.
Buisman,
US 5,637,220 :
10. Juni 1997) erläutert,
worin offenbart wird, dass im Reaktor gehaltenes Produktsulfid selbst
als Bioträger
dienen kann. Diese Anordnung mit einem großen Sulfidvorrat, der im Reaktor
gehalten wird, ist durch starke und schnelle Rückwärtsreaktion zur Rückbildung
von Sulfid zu Schwefel Instabilität ausgesetzt, wenn ein Ausfall
der Durchlüftung
eintritt oder beim Herunterfahren. Die vorliegende Erfindung bewältigt diese
Nachteile, indem es eine fast nicht feststellbare Menge an Schwefel
im Reaktor zurückhält. Die
vorliegende Erfindung erhält
im Vergleich zu der offenbarten Erfindung eine größere Aktivität der Biokatalysatoren
aufrecht, da keine Kontamination der Biomasse mit Schwefel auftritt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Reinheit
des Produktschwefels, die größer ist,
das sie nicht mit biologischen Wirkstoffen verunreinigt ist, die
im Wesentlichen auf dem beigefügten
Biofilm gehalten werden.
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Die Verwendung von synthetischen
Materialien, z.B. Plastik wie PVC, eher als Keramiken, Sand oder Aktivkohle
sind in 3-Phasen-Fließbettreaktoren
nicht üblich.
Auch hier wird darauf hingewiesen, dass das Trägermaterial eine höhere spezifische
Dichte hat als die Flüssigkeit.
Mikroorganismenträger
mit einer bestimmten Form und einer spezifischen Dichte geringer
als die von Wasser zur Verwendung für eine Fließbettanwendung und ihre Produktion
sind in Patenten beschrieben. Dazu zählt beispielsweise das Japanische
Patentdokument
JP
11000682 A2 , Januar 1999. Mikroorganismenträger aus
Plastik mit variabler spezifischer Dichte und die Kombination eines
Fließbettreaktors
mit einem Flotationstrennsystem wurden in Patenten beschrieben [
JP 10192878 A2 ,
28. Juli 1998]. Es ist jedoch festzustellen, dass der wesentliche
Vorteil von Trägern,
um ein umgekehrtes Fließbett
in einem Kreislaufsystem zu erreichen, noch nicht beansprucht wurde.
Ferner ist das Wesentliche der vorliegenden Erfindung, dass sie
zur Durchführung
von biologischen Reaktionen angewendet werden kann, die feste Produkte
hervorbringen und dass sie effektiv feste Abfallstoffe entfernen
kann, während die
aktiven Biokatalysatoren im Reaktor verbleiben.
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Die Verwendung von Fließbetten
aus Sand zur Oxidation und Entfernung von Eisen wird in einer Patentanmeldung
beansprucht [PCT Int. Appl. WO 94/06717 A1, 31. März 1994].
Der schwierige Schritt der Trennung von Oxidfällungsprodukten wird durch
eine hohe Geschwindigkeit und damit durch hohe Energiekosten erreicht.
In der vorliegenden Erfindung wird die effiziente Trennung mit geringeren
Kosten erreicht, indem Trägerpartikel
leichter als Wasser verwendet werden.
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Daher unterscheidet sich die vorliegende
Erfindung wesentlich und entscheidend von den beschriebenen Erfindungen
in den genannten Patenten.
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Es ist daher erstrebenswert, einen
Reaktor zu haben, der hohe Reaktionsraten für die oben genannten Prozesse
erreicht, der den Rückhalt
der gewünschten
Population von Mikroorganismen innerhalb des Reaktors erfordert,
eine erheblich große
Zahl von langsam wachsenden Biologischen Wirkstoffen werden zu jeder Zeit
innerhalb des Reaktors verfügbar
sein, um die gewünschten
Reaktionen durchzuführen,
und die Reinheit der Abwässer
und Produkte wird sich erhöhen,
ohne durch eine Trennstufe zur Entfernung von Organismen zu laufen.
Der Reaktor sollte eine verbesserte Fähigkeit haben, Stoßbelastungen
oder Phasen mit sehr Belastung (Hungerphasen) zu widerstehen, die
dazu neigen, Organismen zu inaktivieren.
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Die vorliegende Erfindung kann als
synergetische Kombination aus Mitteln eines Airlift-Biofilms mit
einem Abwärts-Fließbett gesehen
werden, was zu überraschenden
und effektiven Resultaten führt,
besonders wenn sie für
die Durchführung
von Verfahren zur biologischen Abwasserbehandlung eingesetzt wird,
bei denen als Ergebnis der Reaktion feste Partikel erhalten werden.
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Aufgaben der
Erfindung
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Der Erfindung liegt hauptsächlich die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reinigung von Abwasser durch
die Durchführung
von biologischen Reaktionen bereitzustellen, das die Produktion
von Feststoffen beinhaltet, wobei biologische Wirkstoffe und wenigstens
ein gasförmiger
Reaktant verwendet werden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das effizient feste biologische Wirkstoffe
von anderen Feststoffen trennen kann, die in der Flüssigkeit
sind oder während
der Durchführung der
Reaktion zur Reinigung der Flüssigkeit
erzeugt wurden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das eine kontinuierliche
Zufuhr von Reaktanten und eine kontinuierliche Ausfuhr von flüssigen Produkten
ermöglicht,
wobei die biologischen Katalysatoren zur kontinuierlichen Wiederverwendung
zurückgehalten
werden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, ein Verfahren bereitzustellen, dass eine sehr effiziente
kontinuierliche Ausfuhr von festen Produkten der Reinigungsreaktion
ermöglicht,
wobei die aktiven biologischen Katalysatoren zur kontinuierlichen
Wiederverwendung zurückgehalten
werden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das die Mischung von gasförmigen und
flüssigen
Reaktanten und biologischen Katalysatoren ermöglicht, um so Bedingungen für eine effektive
Durchführung
der Reaktion herzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Aktivität der biologischen
Katalysatoren erhalten und gegen Verschmutzung durch feste Produkte
geschützt
werden kann, wobei die Verringerung der Reaktionsrate als ein Ergebnis
des Massentransfers von Reaktanten verhindert wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Demgemäß betrifft die vorliegende
Erfindung einen biologischen Prozess zur kontinuierlichen Reinigung
von Abwasser, bei dem gehaltene biologische Katalysatoren verwendet
werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen neuen Reaktor,
der im Folgenden als "Umgekehrter
Fließbett-Kreislaufreaktor" (RFLR) bezeichnet
wird, zur Durchführung
des oben genannten Prozesses.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In den beiliegenden Zeichnungen zeigt
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1 schematisch
die Erfindung im stationären
Zustand; und
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2 schematisch
die Erfindung im Betrieb.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser durch Umwandlung
seiner Bestandteile in feste Formen, die einfach zu trennen sind,
durch die Verwendung von gehaltenen biologischen Katalysatoren,
bereit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- (a) Einlaufen des Abwassers, das behandelt werden soll, in einen
Reaktionskessel, der ein oder mehrere Einlässe/Düsen für die Zufuhr von Abwasser,
eine oder mehrere Auslässe/Düsen für die Abfuhr
von gereinigtem Wasser, eine oder mehrere Saugrohre, eine oder mehrere
Einlässe/Düsen für die Zufuhr
von Gas/Luft und ein Feststoffbett mit einem mikrobischen Film aufweist;
- (b) Kontaktieren des zu behandelnden Abwassers mit dem Feststoffbett,
das die Mikroben zur Umwandlung von einigen Bestandteilen des Abwassers
in feste Produkte enthält;
- (c) Einführen
von Gas/Luft in das Saugrohr durch Gasdüsen, um eine Aufwärtsströmung der
Flüssigkeit durch
die Saugrohre zu erzeugen;
- (d) Absondern des Feststoffbettes von dem festen Produkt durch
eine Auftriebswirkung; Entfernen des behandelten Wasser aus dem
Kessel, in kontinuierlicher Art und Weise, falls gewünscht; und
- (e) Entfernen des Feststoffproduktes vom Boden des Reaktionskessels,
in kontinuierlicher Art und Weise, falls gewünscht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das Gas
oder die Luft wenigstens eine Reaktantenkomponente.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Reaktantenkomponenten aus einer Gruppe, die
Sauerstoff und Wasserstoff enthält.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Saugrohre an beiden Enden offen ausgeführt, und
sie sind vom Boden des Kessels wegweisend und auf einer Höhe angebracht,
die unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit im Reaktionskessel
liegt.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist ein Mechanismus vorgesehen, um einen konstanten
Flüssigkeitsspiegel
im Reaktor aufrecht zu erhalten.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist der Mechanismus zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsspiegels
ein Ventil oder ein erhöhtes
Auslassrohr, das auf der Höhe
des Flüssigkeitsspiegels
im Reaktor angebracht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird das Gas mit einem Teil des Auslassgases gemischt,
das aus dem oberen Ende des Reaktionskessels austritt und zu den
besagten Gasdüsen
rezirkuliert.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann
ein Teil des behandelten Wassers, das durch das Bett mit dem Feststoffträger getreten
ist, zu dem Reaktionskessel zurückgeführt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung befindet sich unter dem unteren Niveau des Saugrohres
und unter dem Niveau, auf dem Luft in den unteren Bereich des Reaktionskessels
eingeführt
wird, eine turbulenzfreie Zone, die ein Setzen der Feststoffe des
Reinigungsprozesses oder inerter Materialien, die schwerer als Wasser
sind, ermöglicht
oder die es ermöglicht,
dass ein Übermaß an Mikroben
an dem Träger durch
die Scherkräfte
auf dem mit Mikroben beladenen Träger abgelöst wird, wobei gleichzeitig
das Feststoffbett durch Auftrieb induzierte Flotation abgesondert
wird.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden die Feststoffe des Reinigungsprozesses, inerte
Materialien schwerer als Wasser oder überschüssige Mikroben an dem Feststoffbett
durch wirkende Scherkräfte
losgelöst.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Mikroben aus einer Gruppe ausgewählt, die Sulfide
oxidierende Bakterien, Eisen oxidierende Bakterien, Mangan oxidierende
Bakterien und Schwefel reduzierende Bakterien umfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei den genannten Mikroben um Sulfide
oxidierende Bakterien und das genannte Gas enthält Sauerstoff.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei den genannten Mikroben um Eisen
oxidierende Bakterien und das genannte Gas enthält Sauerstoff.
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In einer Ausführungsform der Erfindung handelt
es sich bei den genannten Mikroben um Mangan oxidierende Bakterien
und das genannte Gas enthält
Sauerstoff.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei den genannten Mikroben um Schwefel
reduzierende Bakterien und das genannte Gas enthält Wasserstoff und das genannte
feste Produkt enthält
Metallsulfide.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist das Feststoffbett eine spezifische Dichte geringer
als die des zu behandelnden Abwassers auf.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist das Feststoffbett eine spezifische Dichte zwischen
0,90 und 0,99 auf.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung besteht das Feststoffbett aus Polyethylen mit geringer
Dichte (LDPE).
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung enthält
das Feststoffbett Filtermaterial.
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In einer Ausführungsform der Erfindung handelt
es sich bei dem Filtermaterial um Kaolin.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung besteht das Feststoffbett aus Polyethylen mit geringer
Dichte, das Kaolin als Filtermaterial enthält.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung besteht das Feststoffbett aus Partikeln mit einer
Größe zwischen
1 mm und 10 mm.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung erzeugt der Aufstieg der Luft eine Aufwärtsströmung der
Flüssigkeit
in den Saugrohren und eine Abwärtsströmung in
dem ringförmigen
Bereich zwischen dem Reaktor und den Saugrohren.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird die Geschwindigkeit des Kreislaufes, welche durch
den Aufstieg des Gases in den Saugrohren erzeugt wurde, dadurch
eingestellt, dass die Durchlüftungsrate,
der Durchmesser des Saugrohres und der Innendurchmesser des Reaktionskessels
eingestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Geschwindigkeit des Kreislaufes größer als die
Fluidisierungsgeschwindigkeit.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann das Abwasser durch Öffnen eines Deckels im oberen
Bereich des Kessels einfließen.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ferner ein Verfahren zur kontinuierlichen Reinigung von Abwasser
bereit, das folgende Schritte umfasst:
- (i)
Einlaufen des zu behandelnden Abwassers, in kontinuierlicher Art
und Weise, falls gewünscht,
in den Reaktionskessel, der in der Lage ist, einen geeigneten Füllstand
an Flüssigkeit
zu halten und der eine oder mehrere Einlässe/Düsen für die Zufuhr von Abwasser und
eine oder mehrere Auslässe/Düsen für die Abfuhr
von Reaktionsprodukten aufweist,
- (ii) Bereitstellen von einem oder mehreren Saugrohren innerhalb
des Reaktionskessels, wobei die Saugrohre an beiden Enden offen
sind, von dem Boden des Kessels wegweisend angebracht sind und ihre
Höhe unterhalb
des Flüssigkeitsspiegels
in dem Reaktionskessel begrenzt ist,
- (iii) Bereitstellen von einem oder mehreren Gaseinlässen/Düsen für die Zufuhr
von Luft oder Gas, die so innerhalb des genannten Reaktionskessels
angebracht sind, dass sie sich aufwärts bewegende Blasen in dem
Reaktionskessel begrenzen,
- (iv) Bereitstellen eines Feststoffbettes aus Materialien mit
spezifischer Dichte niedriger als die des zu behandelnden Abwassers
so innerhalb des Reaktionskessels, dass es den Reaktionskessel teilweise
füllt and im
Wesentlichen eingetaucht in der Flüssigkeit im Reaktionskessel
schwebt,
- (v) Erlauben von Mikroben, die feste Produkte aus Verunreinigungen
im Abwasser bilden können,
sich an dem Feststoffbett anzusetzen,
- (vi) Einführen
von Gas in die Saugrohre durch die Gasdüsen, um eine Aufwärtsströmung der
Flüssigkeit durch
die Saugrohre so zu erzeugen, dass das schwebende Feststoffbett
gestört
wird und die Partikel, die das Bett bilden, in vertikalen Kreisläufen in
dem Reaktionskessel zirkuliert werden,
- (vii) Kontaktieren des zu behandelnden Abwassers. mit dem Feststoffbett,
wobei einige der gelösten
Verunreinigungen im Abwasser zu festen Produkten umgewandelt werden,
- (viii) Ablösen
des Feststoffbettes von den festen Reaktionsprodukten durch die
Wirkung von Auftrieb und Entfernen des behandelten Wassers aus dem Reaktionskessel,
in kontinuierlicher Art und Weise, falls gewünscht, und
- (ix) Entfernen der festen Reaktionsprodukte aus dem Reaktionskessel,
in kontinuierlicher Art und Weise, falls gewünscht, und Halten des Feststoffbettes
mit seinem anhaftenden mikrobischen Film innerhalb des Reaktionskessels.
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine Vorrichtung zur biologischen Behandlung von Abwasser durch Umwandlung
seiner Bestandteile in feste Formen, die einfach abgetrennt werden
können,
durch Verwendung von biologischen Katalysatoren bereit, wobei die
Vorrichtung einen sich vertikal erstreckenden Reaktionskessel ausgestattet
mit einem oder mehreren Einlässen/Düsen zur
Einfuhr von Abwasser, einem oder mehreren Auslässen/Düsen zur Entnahme des behandelten
Abwassers, einem oder mehreren Einlässen/Düsen zur Einfuhr von Gas/Luft,
einem oder mehreren Saugrohren, die an beiden Enden offen sind,
von dem Boden des Kessels weg weisend angebracht sind und deren
Höhe tiefer
als der Wasserspiegel im Kessel liegt, und einem Feststoffbett mit
einem mikrobischen Film, um Feststoffe aus dem Abwasser zu entfernen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung im Folgenden als "Umgekehrter Fließbett-Kreislaufreaktor" (RFLR) bezeichnet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist
die Vorrichtung ferner ein trichterförmiges Unterteil, einen Auslass/Düse zur Entnahme
von abgesetzten Substanzen, einen Deckel mit einem oder mehreren
Auslässen/Düsen zum
Auslass von Abgasen, einen Mechanismus zur Erhaltung eines konstanten Flüssigkeitsstandes
in dem Reaktor, eine Pumpe zur Rezirkulation des Abgases und eine
oder mehrere Einbauten zur Verbesserung der Trennung von Feststoffen
auf den flüssigen
Abwässern.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung bezieht sich die Erfindung auf ein neues Reaktorsystem
zur Durchführung
einer Gruppe von Abwasserbehandlungsreaktionen, die mikrobische
Wirkstoffe benötigen,
während
eine Durchlüftung
bereit gestellt wird und die Feststoffe entfernt werden. Die Erfindung
ermöglicht
die Rückhaltung
von Bioträgern
mit einem Biofilm aus aktiven mikrobischen Wirkstoffen, die in bewegter und
durchlüfteter
Suspension gehalten werden, während
eine effektive und kontinuierliche Entfernung von festen Produkten
ermöglicht
wird, was auch Produkte geringer Größe aus biologischen Prozessen
umfasst. Das System, das im Folgenden als "Umgekehrter Fließbett-Kreislaufreaktor" (RFLR) bezeichnet
wird, hat Bioträgerpartikel
mit einer geringeren Dichte als die der Flüssigkeit (besonders Abwasser).
Der Reaktor ist ein Kessel oder Tank mit zylindrischem oder andersartigem
Querschnitt. Der Reaktor weist ein oder mehrere Saugrohre auf, bei
denen es sich um an beiden Enden offene zylindrische Rohre handelt.
Die Länge
der Saugrohre ist vorzugsweise im dem Flüssigkeitsgemischvorrat des
Reaktors verkürzt.
Lüftungsdüsen befinden
sich so unter oder innerhalb der Saugrohre, dass die eingedüste Luft
nur aufwärts
durch die Saugrohre steigen kann. Der Aufstieg der Luft erzeugt
eine Aufwärtsströmung der
Flüssigkeit
innerhalb der Saugrohre und eine Abwärtsströmung in dem ringförmigen Bereich
zwischen dem Reaktor und den Saugrohren. Die Kreislaufgeschwindigkeit,
die durch das aufsteigende Gas in dem Saugrohr erzeugt wird, kann
in einem weiten Bereich dadurch eingestellt werden, dass die Durchlüftungsrate,
der Durchmesser des Saugrohres und der Durchmesser des Reaktorkessels
gewählt
werden. Die Kreislaufgeschwindigkeit für den Betrieb des RFLR ist
so gewählt,
dass die Bioträgerpartikel
in dem Bereich außerhalb
des Saugrohres ausgetragen werden können. Für die Kreislaufgeschwindigkeit
kann jeder Wert oberhalb der Fluidisierungsgeschwindigkeit gewählt werden,
so dass für einen
stabilen Betrieb des Systems ein weiter Bereich an Geschwindigkeiten
möglich
ist. Die zu reagierende Flüssigkeit
kann über
Einlässe
an den Seiten des Kessels in den Reaktorkessel eintreten oder kann
oben am Kessel einfließen.
Ein spezielles Flüssigkeitsversorgungssystem
ist nicht erforderlich. Der Reaktionskessel ist mit einem Gewinnungsbereich
und einer Flüssigkeitsaustrittsdüse unterhalb
des Niveaus der Durchlüftungsdüsen ausgestattet.
Die Abmessungen des Gewinnungsbereiches werden so gewählt, dass
die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes
in diesem Bereich niedriger als die Fluidisierungsgeschwindigkeit
der Bioträgerpartikel
ist. In der Praxis wird dies in praktischen Anwendungen einfach
dadurch erreicht, dass der Reaktionskessel ohne Veränderung
des Querschnitts unterhalb des Niveaus der Durchlüftungsdüse weitergeführt wird. Der
untere Bereich des Kessels kann geeignet ausgeführt werden, um alle abgesetzten
Feststoffe zu entfernen. In der Praxis würde ein steiler Trichter des
Ausfluss von abgesetzten Feststoffen ermöglichen. Es ist vorstellbar,
den unteren Tel des Kessels zur Sedimentation der Feststoffe aus
dem flüssigen
Abwasser auszuführen.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist der Mechanismus zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsspiegels
im Reaktor ein Ventil oder ein erhöhtes Auslassrohr, das auf der
Höhe des
Flüssigkeitsspiegels
im Reaktor angebracht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung enden die Einlassdüsen
entweder direkt unterhalb des unteren offenen Endes des Saugrohres
oder innerhalb des unteren Endes des Saugrohres.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung erfolgt der Strom des Gases/Luft aus der Düse in Aufwärtsrichtung.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird der Strom des Gases/Luft aus der Düse nur durch
das Saugrohr begrenzt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das Gas/Luft
wenigstens eine Reaktantenkomponente.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist
das Reaktantengas aus der Gruppe gewählt, die Sauerstoff und Wasserstoff
enthält.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Mikroben aus einer Gruppe ausgewählt, die Sulfide
oxidierende Bakterien, Eisen oxidierende Bakterien, Mangan oxidierende
Bakterien und Schwefel reduzierende Bakterien umfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei den genannten Mikroben um Sulfide
oxidierende Bakterien und das genannte Gas enthält Sauerstoff.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei den genannten Mikroben um Eisen
oxidierende Bakterien und das genannte Gas enthält Sauerstoff.
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In einer Ausführungsform der Erfindung handelt
es sich bei den genannten Mikroben um Mangan oxidierende Bakterien
und das genannte Gas enthält
Sauerstoff.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei den genannten Mikroben um Schwefel
reduzierende Bakterien und das genannte Gas enthält Wasserstoff und das genannte
feste Produkt enthält
Metallsulfide.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist das Feststoffbett eine spezifische Dichte geringer
als die des zu behandelnden Abwassers auf.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist das Feststoffbett eine spezifische Dichte zwischen
0,90 und 0,99 auf.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung besteht das Feststoffbett aus Polyethylen mit geringer
Dichte (LDPE).
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung enthält
das Feststoffbett Filtermaterial.
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In einer Ausführungsform der Erfindung handelt
es sich bei dem Filtermaterial um Kaolin.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung besteht das Feststoffbett aus Polyethylen mit geringer
Dichte, das Kaolin als Filtermaterial enthält.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung schwebt das Feststoffbett eingetaucht in die Flüssigkeit
in dem Kessel.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung besteht das Feststoffbett aus Partikeln mit einer
Größe zwischen
1 mm und 10 mm.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist
das schwebende Feststoffbett verteilt.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden die Partikel durch aus den Düsen strömende Luft
in vertikalen Kreisläufen
innerhalb des Reaktors zirkuliert.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird das Feststoffbett von den festen Reaktionsprodukten
durch die Wirkung von Auftrieb abgelöst.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist es den festen Reaktionsprodukten erlaubt, sich abzusetzen
und sie werden von der Düse
entfernt.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden überschüssige Mikroben,
Feststoffe oder inerte Materialien schwerer als Wasser durch wirkende
Scherkräfte
abgelöst.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die genannte Vorrichtung in einen schwebenden Bioträger-Feststoff-Bereich,
einen Gewinnungsbereich und einen Absetzbereich aufgeteilt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann
ein Teil des behandelten Wassers, das durch das Bett mit dem Feststoffträger getreten
ist, zu dem Reaktionskessel zurückgeführt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung befindet sich unter dem unteren Niveau des Saugrohres
und unter dem Niveau, auf dem Luft in den unteren Bereich des Reaktionskessels
eingeführt
wird, eine turbulenzfreie Zone, die ein Setzen der Feststoffe des
Reinigungsprozesses oder inerter Materialien, die schwerer als Wasser
sind, ermöglicht
oder die es ermöglicht,
dass ein Übermaß an Mikroben
an dem Träger durch
die Scherkräfte
auf dem mit Mikroben beladenen Träger abgelöst wird, wobei gleichzeitig
das Feststoffbett durch Auftrieb induzierte Flotation abgesondert
wird.
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Durch die Verwendung des Verfahrens
und der Vorrichtung dieser Erfindung ist es möglich, Reaktionen zur Reinigung
von Abwasser durchzuführen,
wobei biologisch beeinflusste aerobe Reaktionen eingesetzt werden,
die zur Produktion oder Abscheidung von Feststoffen führen. Ein
gutes Beispiel für
eine derartige Reaktion ist die biologische Teiloxidation von Sulfid
zu Schwefel. Ein weiteres Beispiel ist die biologische Oxdiation
von gelöstem
Eisen im Eisen(II)-Zustand zu Eisen(III), das sich in Form von Oxiden
und Wasserstoffen abscheidet. Ein anderes Beispiel ist die Reduzierung
von Schwermetallsulfate enthaltendem Abwasser zu Schwefelabscheidungen,
wobei Schwefel reduzierende Bakterien eingesetzt werden und der
Reaktant ein wasserstoffhaltiges Gas ist. Derartige Abwasserfeststoffe
können
einfach zusammen mit dem behandelten Wasser zur folgenden Trennung
aus der Vorrichtung entfernt werden, während die biologischen Wirkstoffe, welche
die Reaktionen katalysieren, in dem Reaktionskessel gehalten werden.
Das Verfahren dieser Erfindung ermöglicht die Durchführung der
oben genannten Prozesse bei hohen Reaktionsraten durch Halten der
gewünschten
Population an Mikroorganismen innerhalb des Reaktors, während eine
Ablagerung und Verunreinigung der inerten Produkte verhindert wird.
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Ausführliche
Beschreibung der Figuren
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In 1 ist
der Reaktorkessel 1 dargestellt. Der Kessel kann eine übliche,
sich zylindrisch erstreckende Ausführung haben, aber kann je nach
Nutzen auch jede andere gewünschte
Form aufweisen. Der Kessel ist zur Einfuhr der flüssigen Reaktanten,
wobei es sich hauptsächlich
um das zu behandelnde Abwasser (Materialfluss mit Pfeil A) handelt,
mit einer Düse 2 durch
seine Wände
ausgestattet. Die Position der Düse 2 ist beliebig.
Der Kessel 1 ist mit einer Düse 3 zur Entfernung
von reagierter Flüssigkeit,
wobei es sich hauptsächlich
um behandeltes Abwasser (Materialfluss Pfeil B) handelt, ausgestattet.
Die Position der Düse 3 liegt
vorzugsweise in dem Bereich 8 und sollte einen Mechanismus
zum Halten eines konstanten Flüssigkeitsniveaus in
dem Kessel 1 aufweisen. Ein derartiger Mechanismus kann
eine einfache erhöhte Öffnung mit
einem Siphonöffner 12 sein.
Der Kessel hat ein oder mehrere innen befestigte Saugrohre 7.
Dies sind Rohre, die an beiden Enden offen sind. Das Saugrohr befindet
sich am Boden des Kessels und ist begrenzt durch den Flüssigkeitsstand
im Kessel. Das Saugrohr ist ferner vorzugsweise begrenzt auf den
Bereich weit über
dem Boden des Kessels, so dass sich eine Zone 11 und eine
Zone 8 ausbildet. Der Kessel weist eine weitere Düse 4 zur Einfuhr
von Gas oder Luft (Materialfluss Pfeil C) auf. Diese Düse setzt
sich innerhalb des Kessels fort, um in einer Position innerhalb
oder direkt unterhalb des unteren Endes des Saugrohres 7 zu
enden. Der Kessel wird zum Sammeln von abgesetzten Feststoffen vorzugsweise
mit einem konischen Unterteil 10 ausgeführt. Eine andere Düse 5,
die optional ist, befindet sich zur Entfernung von abgesetzten Feststoffen
(Materialfluss Pfeil D) im unteren Bereich des Kessels. Der Kessel
kann zur Leitungsführung
des Abgases optional mit einer Abdeckung und einer Düse 6 ausgeführt sein.
Diese Gase können
durch Mittel einer Pumpe 14 zu einer Düse 4 im Kreislauf
geführt
werden (Materialfluss Pfeil G). Der Kessel ist gefüllt mit
Bioträgerpartikeln,
die eine Größe von 0,1
mm bis 10 mm haben und aus einem Material bestehen, dass in der
Flüssigkeit
in dem Kessel schwebt. Dadurch formen die Partikel ein schwebendes
Bett 9.
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2 zeigt
die verschiedenen Flussrichtungen innerhalb des Reaktors während des
Betriebes. Nach Einfuhr von Gas in den Kessel durch die Düse 4 steigt
das Gas in Blasen durch das Saugrohr 7, um aus der Flüssigkeit
und aus dem Kessel durch 6 zu entweichen. Der Blasenaufstieg
erzeugt eine umlaufende Strömung
in der Flüssigkeit
im Kessel, wobei die Richtungen durch die Pfeile F gekennzeichnet
sind. Die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes
hängt von
der Begasungsrate und dem relativen Querschnitt des Saugrohres und
des Kessels ab. In der Vorrichtung der Erfindung hat der Flüssigkeitsstrom
eine ausreichende Geschwindigkeit, um das Bett der Bioträgerpartikel
mit sich zu tragen, das sich dann ausweitet, um die untere Grenze
des Saugrohres zu erreichen. Einmal unter dem Niveau des Saugrohres
verändert
die Flüssigkeitsgeschwindigkeit
die Richtung und orientiert sich zusammen mit dem Gasfluss durch
das Saugrohr aufwärts.
Als Ergebnis verändern
auch die Bioträgerpartikel
die Richtung in der Zone 11, die als Gewinnungszone bezeichnet
wird, und sie bilden ein zirkulierendes Bett, indem sie sich aufwärts durch
das Saugrohr bewegen. Der Kessel erstreckt sich unterhalb der Zone 11,
um eine Zone 8 zu bilden, in der sich Feststoffprodukte
absetzen. Falls erforderliche können Einbauten 13 vorgesehen
werden, um die Trennung von Feststoffprodukten von den flüssigen Abwässern zu
fördern.
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Die Erfindung wird zusätzlich durch
die folgenden Beispiele beschrieben, die zur Erläuterung angegeben werden und
die Erfindung daher in keiner Weise einschränken.
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Beispiel 1
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Biokatalysatoren, üblicherweise
lebensfähige
Mikroorganismen, werden als Biofilm auf den "leichter als Wasser"-Bioträgerpartikeln
gehalten. Das Wachstum des Biofilms wird natürlich dadurch erreicht, dass
die Bioträgerpartikel
für eine
bestimmte Zeit mit einer Suspension aus den erforderlichen Organismen
und unter den richtigen Wachstumsbedingungen in dem Reaktor gehalten
werden. In einer anderen Ausführungsform der
Erfindung werden die Bioträger,
auf denen der Biofilm bereits kultiviert ist, in den Kessel geladen.
Die entscheidene Eigenschaft der Bioträgerpartikel ist es, dass ihre
spezifische Dichte ist geringer als die der Flüssigkeit in dem Reaktorkessel,
was die Bildung eines schwebendes Bettes aus Partikeln bewirkt.
Jegliche Bewegung des Bettes wird Feststoffe schwerer als Flüssigkeit
von dem Bett lösen,
und sie setzen sich am Boden des Kessels ab. Die Zufuhr von Gas
in den Kessel so, so dass aufsteigende Gasblasen innerhalb des Saugrohres
bleiben, führt
zu einer umlaufenden Flüssigkeitsströmung in
Aufwärtsrichtung
innerhalb des Saugrohres und zu einer Abwärtsrichtung außerhalb
des Saugrohres. Diese zirkulierende Bewegung ist eine Folge aus
der hydrostatischen Druckdifferenz zwischen Innen und Außen des
Saugrohres aufgrund der Begasung. Die zirkulierende Bewegung reißt, wenn
ausreichen stark, das schwebende Bioträgerbett mit sich. Dadurch wird
eine gute Vermischung der Bettpartikel mit des Gasblasen und dem
Flüssigkeitsstrom
erreicht. Es ermöglicht
ferner die Ablösung
von Bioträgern
von inerten Partikeln oder Feststoffen in der Flüssigkeit oder gebildet durch
die Reaktion. In allen vorstellbaren praktischen Anwendungen sind
die Feststoffe schwerer als die Flüssigkeit im Innern des Reaktors
und sie sind daher bestrebt, abzusinken, während die Bioträgerpartikel
bestrebt sind, zu schweben. Der Bioträger selbst ist in einem bewegtem
Zustand und wird permanent durch den Kontakt mit sich selbst abgerieben,
und dies ist der Mechanismus, der ein Wachstum des Biofilms in einem
solchen Ausmaß verhindert,
dass es den Massentransfer von Reaktanten in das Innere des Biofilms
oder von Produkten zur Außenseite
des Biofilms verlangsamen könnte.
Die konstante Bewegung erleichtert ferner die Entfernung von Feststoffen
aus dem Biofilm. Der Reaktor kann Einlass- und Auslassdüsen sowohl
für einen
kontinuierlichen Zu- und Ausfluss von Flüssigkeit, als auch zur Ausfuhr
von jeglichen abgesetzten Feststoffen haben. Dadurch kann die Vorrichtung
alle gesetzten Ziele erfüllen.
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Ein umgekehrter Fließbett-Kreislaufreaktor
(RFLR) mit Abmessungen, wie sie weiter unten angegeben werden, wurde
erreichtet, und seine Leistung bei der biologischen Oxidation von
Sulfide enthaltendem Abwasser zur Abscheidung von Schwefel wurde
untersucht.
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Das Abwasser hatte die unten angegebene
Zusammensetzung. Der Durchfluss des Reaktors wurde auf verschiedene
Stufen eingestellt, um eine bestimmte Sulfidladung definiert als
Gramm Sulfide pro Tag eingeführt
in ein Reaktorvolumen von einem Liter zu erreichen. Der Durchfluss
wurde erhöht,
wenn eine feste Leistung an Sulfidumwandlung erreicht war. Das Ziel
des Experiments war es, die maximale Sulfidbeladungsrate festzustellen,
die mit dem Prozess erreicht werden kann.
Substanz | Konz.
mg/l |
Natriumsulfid | 584,1 |
Natriumbicarbonat | 67,01 |
Dikaliumwasserstoffphosphat | 92,3 |
Kaliumdiwasserstoffphosphat | 92,3 |
Magensiumsulfat,
7 H2O | 18,4 |
eingestellter
pH-Wert des Mediums für
Experimente ohne aktive pH-Steuerung
der Reaktor-Spurenstofflösung | 7,5 |
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Die Reaktorspezifikationen sind wie
folgt:
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- 1. Flüssigkeitsvolumen
im Reaktor: 550 ml 2. Durchmesser: 50 mm
- 3. Füllhöhe der Flüssigkeit
im Reaktor: 480 mm
- 4. Durchmesser des Saugrohres: Di 15
mm, Da 25 mm
- 5. Länge
des Saugrohres: 460 mm
- 6. Volumen der Bioträgerpartikel
im stationären
Zustand: 125 ml
- 7. Stationäre
Bettlänge
beim Abschalten (diese Bettlänge
steht nicht in Verbindung mit der Hauptmasse, da die Bettlänge innerhalb
des Saugrohres nicht die gleiche sein wird wie in dem ringförmigen Zwischenraum. Trotzdem
stellt diese Bettlänge
eine bessere Schätzung
des aktiven Reaktorvolumens dar, wobei angenommen wird, dass die
stationäre
Bettlänge
ein Maximum von 50% des Gesamtvolumens des Reaktors einnehmen kann):
150 mm
- 8. Mittlere Abmessung der Bioträgerpartikel: 2 mm
- 9. Luftdurchsatz zur Erzeugung des Kreislaufflusses
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Die Spezifikationen der Bioträgerpartikel
sind wie folgt:
- 1. Material: LDPE mit 25 Gew.%
Kaolinfüller
- 2. Dichte der Partikel; 990 g/ml
- 3. Durch Extrusion hergestellt in langen Streifen und auf Größe geschnitten
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Währen
des Betriebs werden die Partikel fluidisiert und durch die hindurchperlenden
Gasblasen im Kreislauf getragen. Dieser Reaktor ermöglicht eine
größere Oxidation,
wenn dies erforderlich ist. Der Arbeitsbereich ist ferner nicht
durch das Erfordernis begrenzt, Partikel auszutragen.
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Das Steuerungssystem hält das Redoxpotenzial
durch Steuerung der Zuflusspumpe aurfecht. Wenn das Redoxpotenzial
zu gering ist, stoppt die Pumpe. Die Redox-Elektrode ist so angebracht,
dass sie vor Durchlüftungsblasen
geschützt
ist, die eine Schwankung der Werte verursachen. Ein pH-Steuerungssystem wurde
verwendet, um den Reaktor-pH-Wert automatisch zu steuern, der aufgrund
der Umwandlung von Sulfiden in Schwefel während einiger Versuche stieg.
Die pH-Elektrode wurde direkt innerhalb des Reaktors angebracht.
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Der RFLR erreicht folgende Leistung:
- 1. Sulfidbeladungsrate größer als 20 kg/m3/d
sogar bei Reaktor-pH > 9,5
- 2. Sulfidentfernungsleistung größer als 99%
- 3. Schwefelausbeute: kann 80% überschreiten, wurde aber in
größeren Systemen
nicht bestätigt
- 4. Prozessstabilität – hydrodynamische
Stabilität – sehr gut
- 5. Prozessstabilität – Prozessstabilität – kann durch
Redox gesteuert werden
- 6. Systemstart – einfach
- 7. Produktschwefel: kann leicht aus dem System entfernt werden
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Dieses Beispiel zeigt die verbesserte
Leistung des Prozesses aufgrund der hohen Sulfidbeladungsrate und
der Sulfidumwandlungsleistung. Fachleute werden anerkennen, dass
Sulfidbeladungsraten mit hoher Umwandlung jenseits von 5 kg/m3/d herkömmlicherweise
nicht praktizierbar sind. Dieses Beispiel zeigt die Erreichung der
Ziele durch das Reaktorsystem.
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Die vorliegende Erfindung hat die
folgenden Vorteile gegenüber
anderen Systemen:
- 1. Weiter Bereich an Arbeitsbedingungen,
unter denen Bioträgerpartikel
in dem Reaktionskessel gehalten werden
- 2. Gut definiertes Strömungsmuster
innerhalb des Reaktionskessels, was einen Scale-up und eine Technik für verschiedene
Anwendungen ermöglicht
- 3. Effiziente Entfernung von allen Feststoffprodukten aus dem
Reaktor und Widergewinnung der Feststoffe, falls sie von Wert sind
- 4. Kein speziell konstruiertes Flüssigkeitsversorgungssystem
erforderlich, um eine gleichmäßige Fluidisierung
zu erreichen
- 5. Durchlüftungs-
und Sauerstoffzufuhr können
erhöht
werden, ohne dass dies durch die Hydrodynamik des Reaktors beeinträchtigt wird
- 6. Kein externer Pumpenkreislauf erforderlich
- 7. Hohe Energieeffizienz im Vergleich mit Fließbettreaktoren
- 8. Bioträgermaterialien
und -größen können aus
einem weiten Bereich an Auftriebmaterialien gewählt werden, ohne dass dies
durch die Hydrodynamik des Reaktors beschränkt ist
- 9. Größere Toleranz
gegenüber
ungleichmäßigen Partikelgrößen der
Bioträgerpartikel
- 10. Reinigung von Wasser auf ein annehmbares Maß auf kontinuierlicher
Basis
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Zusammenfassung
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Die Erfindung betrifft einen biologischen
Prozess zur kontinuierlichen Reinigung von Abwasser durch Umwandlung
seiner Bestandteile in feste Formen, die einfach abgetrennt werden
können
durch die Verwendung von haltbaren biologischen Katalysatoren und
einen neuen Reaktor, der im Folgenden als "umgekehrter Fließbett-Kreislaufreaktor" (RFLR) bezeichnet
wird, zur Durchführung
des oben genannten Prozesses.