DE2429793A1 - Verfahren zur selbsttaetigen regelung eines behandlungssystemes fuer produkte mit gasen, insbesondere zur biologischen wasserbehandlung - Google Patents

Description

v.25.Juni 1973 in Frankreich Anm.No.: E.N. 73 23.074

Die Erfindung betrifft ein selbsttätiges Regelungsverfahren für ein System zur Behandlung von Produkten mit Gas, wobei diese Behandlung während der Durchleitung von Gas über diese Produkte erfolgt, die im Wiederspiel zu den Restgasen oder Parasiten mit den eigentlichen Behandlungsgasen zur Vermischung gelangen. Hierbei stellen die so vermischten Gase eine Atmosphäre dar, die wieder in die zu behandelnden Produkte eingeleitet werden, um die während des ersten Durchganges nicht erschöpften Behandlungsgase auszunutzen.

509812/0964 " ² "

Das automatische Regelverfahren nach der Erfindung wird hier näher im Rahmen eines biologischen Behandlungssystems für Wässer mittels reinen Sauerstoffs oder sauerstoffangereicherter Luft beschrieben. Es versteht sich, daß es sich auch durchaus auf die Behandlung von anderen Produkten als Wasser oder auf Behandlungen unter Anwendung von anderen Behandlungsgasen als Sauerstoff anwenden läßt.

Die Erfindung betrifft ebenfalls die Behandlungsysteme unter Anwendung des automatischen Regelverfahrens der Erfindung, wobei es sich um biologische Behandlungssysteme für Wasser oder andere Behandlungssysteme von Produkten mittels Gas handeln kann. In dem biologischen Behandlungssystem für Wässer werden die Behandlungsgase, wie reiner Sauerstoff oder angereicherte Luft, mit den zu behandelnden Wässern in Kontakt gebracht, die in einem Becken umlaufen, dessen oberer Teil abgeschlossen ist, um die nicht an Sauerstoff erschöpften Gase wiedergewinnen oder im allgemeinen wieder benutzen zu können. Während der biologischen Reaktion wird der Sauerstoff durch die Bakterien und die anderen Mikroorganismen verbraucht und durch Kohlendioxidgas ersetzt, das durch die Zellatmung erzeugt wird; außerdem bringt das eintretende Wasser Stickstoff ein, der zum Teil in die im oberen Teil des Beckens befindliche Atmosphäre gelangen kann.

Bei den vorhandenen Behandlungssystemen sind die Behandlungsgase, im vorliegenden Fall Sauerstoff, die zu den zu behandeln-

— 3 ""

509812/0964

den Produkten geschickt werden, niemals durch die Behandlung vollständig ausgenutzt. Ein Teil dieser Behandlungsgase geht nämlich in die Atmosphäre des Beckens. Wenn irgendeine Recyclierung dieser Atmosphäre nicht vorgesehen ist, werden diese Behandlungsgase praktisch nicht ausgenutzt. Ledigliih ein sehr kleiner Teil wirkt auf die freie Oberfläche der zu behandelnden Produkte ein.

Um die Ausbeute ein wenig zu verbessern ist es bekannt, eine Recyclierung der Beckenatmosphäre vorzusehen, d.h. diese Atmosphäre zurückzugewinnen und wieder, beispielsweise mittels eines Kompressors, in das zu behandelnde Produkt einzublasen, um eine Ausnutzung der Behandlungsgase, die sie enthält, zu versuchen. Trotz dieser Recyclierung ist die Ausbeute solcher Systeme nicht besonders gut; um eine Ausbeute in der Größenordnung von 90 % der benutzten Menge Behandlungsgas zu erreichen, würde es notwendig sein, mehrere AusnutzungsStadien oder eine Wiederbenutzung nicht erschöpften Behandlungsgases auf andere Welse vorzusehen. Es ist klar, daß solche. Verfahren zu schweren und umständlichen Behandlungsanlagen führen würden.

Aufgabe der Erfindung ist daher ein selbsttätiges Regelverfahren für Behandlungssysterne, das eine beträchtliche Erhöhung der Ausnutzung der Behandlungsgase und infolgedessen eine Steigerung der Ausbeute der Behandlungsanlagen gestattet, während nur eine einzige Ausschöpfungsstufe der Gase durch eine einfache Recyclierung der Beekenatmosphäre vorgenommen

509812/09-64"

wird. Das Verfahren der Erfindung gestattet, eine Ausnutzung der Behandlungsgase von mindestens 95 % bis zu etwa 100 % zu erreichen.

Um zu solchen Ergebnissen zu gelangen, werden drei wichtige Parameter der Behandlungssysteme in Rechnung gezogen: Der Druck der Beckenatmosphäre, die Menge des Behandlungsgases, die sich in dieser Atmosphäre befindet, und die Menge der Behändlungsgase, die in den zu behandelnden Produkten vorliegen, bzw. der in Wasser gelöste Sauerstoff, wenn es sich um eine Sauerstoffbehandlung von Wässern handelt.

Das Verfahren nach der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß man diese drei Parameter in gewissen festgelegten Grenzen hält, die mit einer optimalen Ausnutzung der in die Behandlungsanlage eingeblasenen Behandlungsgase verträglich sind. Um diese drei Parameter innerhalb der betreffenden festgelegten Grenzen zu halten, wirkt man im Prinzip auf die Menge der eingeblasenen Behandlungsgase entweder unmittelbar ein, indem man die Strömungsmenge der Hauptquelle des Behandlungsgases regelt,oder man wirkt indirekt ein, indem man die Behandlungsgasmenge verändert, die in die Anlage durch die Hilfsquelle wieder eingeblasen wird, welche die Recyclierung der Beckenatmosphäre bewirkt, oder man macht gleichzeitig diese beiden Größen veränderlich. Es ist zu bemerken, daß die Menge Behandlungsgas, das in die Anlage von der Hilfsquelle eingeblasen wird, geregelt werden kann, indem man entweder die Recycliergeschwindigkeit variieren läßt

509812/0964

und ein konstantes Verhältnis an Behandlungsgas in der Beckenatmosphäre aufrechterhält, oder indem man eine konstante Recycliergeschwindigkeit aufrechterhält, aber die Menge des Behandlungsgases in der Beckenatmosphäre variieren läßt. Ein geeigneter Kompromiß für die Regelung dieser Größen, auf welchen^ das Verfahren der Erfindung beruht, gestattet, die drei Parameter in den festgelegten Grenzen zu halten und eine optimale Ausnutzung der Behandlungsgase zu erreichen. Behandlungssysteme unter Anwendung dieses Verfahrens, insbesondere biologische Abwasserbehändlungssysteme, sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Die folgende Beschreibung erläutert an Hand von Ausführungsbeispielen die Erfindung nebst anderen Aufgaben und Merkmalen .

Fig.l ist eine sehr vereinfachte schematische Darstellung einer Behändlungsanlage unter Anwendung des Verfahrens der Erfindung nach einer Ausführungsform,

Fig.2 ist eine sehr vereinfachte Darstellung einer Behandlundsanlage unter Anwendung des Verfahrens der Erfindung nach einer zweiten Ausfuhrungsform.

In beiden Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen dieselben Bauteile» In obm dargestellten Becken 1 zur Behandlung von Wässern 2 enthält der obere Teil eingeschlossen die Atmosphäre 3. Zu behandelndes Wasser tritt beispielsweise durch

- 6 509812/0964

eine Leitung 4 ein und nach Behandlung durch eine Leitung 5 aus. Der Zutritt der Behandlungsgase, wie reiner Sauerstoff oder angereicherte Luft erfolgt aus einer nicht dargestellten Hauptquelle durch die Leitung 6. Die Strömungsmenge
aus dieser Quelle wird duröh ein Ventil 7 gesteuert. Ein
Befehlsgeber 8 öffnet oder schließt das Ventil entsprechend dem Befehl, der von dem Regler 10 kommt. Die von dieser
Hauptquelle abgegebene Sauerstoffmenge wird als 0 1 bezeichnet. Sie wiEd durch die Leitung 9 in das Backen eingeleitet. Sie ist entweder 0 oder gleich 0 1, je nach der Befehlsgabe

Die Recyclierung der Atmosphäre 3 aus dem Becken erfolgt
durch eine Leitung 11 und einen Kompressor 12. Diese recyclierte Atmosphäre wird in das Becken beispielsweise durch
die Leitung 9 eingeführt. Die in das Becken von der Hilfsquelle eingeblasene Sauerstoffmenge 0 2 stellt diese Recyclierung dar. Sonit ist die durch Leitung 9 in das Becken eingeblasene gesamte Sauerstoffmenge 0 3 die Summe der von den beiden Quellen gelieferten Sauerstoffmenge, nämlich Hauptmenge 0 1 und Hilfsmenge 0 2, Um diese Gesamtmenge 0 3 veränderlich zu machen, kann man also mit 0 1 und/oder 0 2
spielen.

Das Verfahren nach der Erfindung besteht hauptsächlich, wie schon erwähnt, darin, daß man die Mengen 0 1 und 0 2 veränderlich macht, um innerhalb vorher festgelegter Grenzen die drei Parameter zu halten, die bestehen in dem Druck P der
Atmesphäre 3, den in dieser Menge enthaltenen Sauerstoff

509812/096A

O a und der in Wasser gelösten Sauerstoffmenge 0 e.

Man mißt also durch hier nicht näher beschriebene übliche Maßnahmen die drei Parameter P, 0 a und 0 e. Ein Regler 10, wie z.B. ein Rechenwerk, vergleicht diese gemessenen Werte mit den festgelegten Werten und regelt die Größen 0 1 und 0 2, wie noch näher erläutert werden soll. Grundsätzlich ist die Größe 0 1 entweder Null oder gleich einem konstanten Wert, wobei das Ventil 7 entweder geöffnet oder geschlossen ist. Was die Größe 0 2 betrifft, so hängt sie je nach der in Betrachtung kommenden Ausführungsform nach Fig.l oder Fig.2 von der Umlaufgeschwindigkeit der recyclierten Atmosphäre oder der in dieser Atmosphäre enthaltenen Sauerstoffmenge, d.h. dem Parameter 0 a, ab.

Die drei Parameter P, 0 a und Oe, die bei dem Vefahren der Erfindung zur Gewährleistung einer selbsttätigen Regelung des Systems zwecks optimaler Ausnutzung der Behandlungsgase benutzt werden, müssen wie gesagt in vorher festgelegten Grenzen bleiben, die in folgender Weise definiert sind.

Von der in Wasser gelösten Sauerstoffmenge 0 e hängt die Reinigung des Wassers durch biologische Reaktion ab. Für diese Größe definiert man drei Zonen, deren Grenzen zur Erläuterung angegeben werden: In einer ersten Zone, wo 0 e zwischen 0 und 2 bis 2,5 ppm liegen würde, würde die biologische Leistung vermindert sein. Es handelt sich hier um eine kritische Zone, in die herabzugehen kein Interesse be-

- 8 509812/09 6 6

steht. In einer zweiten Zone, wo 0 e oberhalb 5 oder 6 ppm liegen würde, würde man einen unnützen zusätzlichen energetischen Aufwand haben. Der so definierte Grenzwert stellt den Wert dar, den man bei minimaler Durchrührleistung während der Mindestbelastung an zu behandelnden Produkten erreicht. Schließlich ist eine dritte Zone zwischen den beiden ersten eingeschlossen, d.h. für welche 0 e zwischen etwa 2 und 6 ppm liegt, und dies ist die günstigste Arbeitszone, in der das biologische Leben befriedigende Bedingungen findet.

Der Sauerstoffgehalt 0 a, der recyclierten Atmosphäre gestattet, einen energetischen Gewinn während der Überführung zu definieren. Dieser Gehalt ist auf Grund der tiberführungskapazitäten des Systemes bei einem energetischen Mindestaufwand definiert, im Hinblick auf die Beachtung der Bedingungen des Parameters des in Wasser gelösten Sauerstoffes. Man arbeitet beispielsweise bei 45 bis 50 %, was einen Energiegewinn in der Größenordnung von mindestens 50 % gewährleistet.

Was den Druck P der recyclierten Atmosphäre betrifft, so soll er die allgemeine piezometrische Linie in bezug auf die geeignete Strömung der Wässer berücksichtigen, er darf niemals einen gewissen Sicherheitswert überschreiten. Sofern dieser Wert, der einem Wassergegendruck entspricht, nicht erreicht ist, haben die Gase keinen anderen Ausweg als die Auflösung in dem Wasser, um aus dem System auszutreten.

509812/0964 -. . " ⁹ "

Beispielsweise legt man 30 oder 40 cm Wassergegendruck fest.

Wenn die drei so definierten Parameter und ihre Sollwerte eingestellt sind, besteht das automatische Regelverfahren der Erfindung darin, daß man dauernd diese drei Parameter in dem betreffenden Behandlungssystem mißt und die Sauerstoff menge 0 3 regelt, damit ihre Sollwerte eingehalten werden. Dies geschieht durch ein Kadkadenabfiagesystern mit entsprechenden Befehlen, wie nunmehr beschrieben. Die Gesamtheit dieser Abfragungen und die Eingabe der entsprechenden Befehle an das Behandlungssystem erfolgen durch nicht in der Zeichnung dargestellte Meßgeräte für die Parameter und durch ein Rechen- und Regelwerk 10. Die Abfragungen für die drei "Parameter erfolgen vorteilhafterweise in der Reihenfolge: Druck P_r in der Atmosphäre enthaltener Sauerstoff 0 a, in Wasser gelöster Sauerstoff 0 e.

Erste Abfragung = Druck P.

Wenn der Druck P höher als sein vorstehend definierter Sollwert ist, beispielsweise P > 30, bewirkt das Regelwerk 10 die Schließung des Ventils 7, 0 1 ist Null, und nur 0 2 geht in die Sauerstoffspeisung der Anlage ein. Es arbeitet jetzt lediglich die Recyclierung "normal", d.h. diese liefert durch den Kompressor 12 mit einem konstanten Koeffizienten 0 a beispielsweise = 45 %, wie vorstehend definiert. Aus der Hauptquelle stömt nichts zu; das System wird nur mit Sauerstoff aus der Hilfsquelle gespeist.

509812/0964

Wenn der Druck P kleiner als sein Sollwert P ^ 30 im gewählten Beispiel ist, erfolgt die Abfragung des in der Atmosphäre enthaltenen Sauerstoffs 0 a. Zweite Abfragung: Sauerstoff in Atmosphäre 0 a.

Wenn 0 a größer ist als sein Sollwert, z.B. 45 %, hält das Rechenwerk 10 das Ventil 7 geschlossen. Es erfolgt lediglich "normale" Recyclierung. Wenn 0 a kleiner als sein Sollwert ist, erfolgt die Abfragung des im Wasser gelösten Sauerstoffs .

Dritte Abfragung: gelöster Sauerstoff 0 e.

Wenn 0 e sich in der vorstehend definierten zweiten Zone befindet, d.h. beispielsweise Oe 6 ppm beträgt, hält das Rechenwerk 10 das Ventil 7 dauernd geschlossen, und das System wird immer nur durch normale Recyclierung gespeist. Wenn 0 e kleiner als dieser die zweite Zone definierende Wert ist, so ist eine zusätzliche Sauerstoffzuführung zum System notwendig. Es können sich zwei Fälle ergeben.

In einem ersten Fall befindet sich Oe in der vorstehend definierten dritten Zone, d.h. in dem Beispiel ist 2,5^0 e

C 6 ppm. Das Rechenwerk 10 steuert über 8 die öffnung des Ventils 7, und die Sauerstoffergänzung wird von der Hauptquelle zugebracht und fügt sich der Hilfsquelle zu, welche die "normale" Recyclierung darstellt.

Im zweiten Fall befindet sich 0 e in der vorstehend defi. imBeis

nierten ersten Zon^. d.h. imBeispiel ist 0 e K 2,5 ppm.

- 11 -

In diese Falle steuert das Rechenwerk 10 über 8 nicht nur die öffnung des Ventils 7 und läßt von der Hauptquelle zuströmen/ sondern es steuert auch eine Vermehrung der von der Hilfsquelle im System zugebrachten Sauerstoffmenge 0 2. So ergeben sich also die beiden Varianten des Verfahrens der Erfindung und der sie benutzenden Systeme.

Bei einer ersten Abwandlung entsprechend dem Behandlungssystem der Fig.l wird die Steigerung der durch die Recyclierung, oder mit anderen Worten die Steigerung der von der Hilfsquelle in einer gegebenen Zeit zugelieferten Sauerstoffmenge 0 2, durch eine Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit der recyclierten Atmosphäre verwirklicht. Dies erfolgt durch Ingangsetzung eines zweiten Kompressors 14 für den Recyclierkreis. Diese auf Befehl des Rechenwerkes 10 durch die Steuerung 13 hervorgerufene Steuerung erfolgt gezeitet in der Weise, daß Ingangsetzungen des Kompressors 14 auf vorübergehende Meßschwankungen von 0 e vermieden werden. Wenn die Ingangsetzung dieses zweiten Kompressors 14 nicht genügt, um einen genügenden Wert für 0 e zu gewährleisten, wird ein dritter Kompressor 16 über 15 durch das Rechenwerk in derselben Weise wie der Kompressor 14 sichergestellt. Eine längere Verzögerung tritt dann auf, um dem Kompressor 14 Zeit für eine merkliche Wirkung zu lassen.

Bei der zweiten dem Behandlungssystem der Fig.2 entsprechenden Abwandlung bleibt die Umlttifgeschwindigkeit der £ecyclierten Atmosphäre konstant. Man erhöht die Verzögerungsfrei

- 12 5D9812/096A-

zugebrachte {Sauerstoffmenge 0 ·2. . durch _sdieiliilf squelle,;:die die Recyclie^Eung darstellt .^Hierzu-modif i.ziert* man ^ Sauerstoffkontrolle der

d.h. man erhöht den Sollwert des Parameters 0 a. Dies ist symbolisch _;dur^h die Steuerung XI ^

der gegeben,., _t : ·*?.;;; . ifor

Wie .maii tsiehtjr; wird bei;χb$idenv^artanten·:eine■_;ίQptiϊmal·e: Aws-^ ■■ nutzungöder^jB^handlungagase angestrebt^, indem "maiijdie Qas- - ,

grenzt j; Riese^g unj|^3(:r;-gew4s.sei|^besondeFe^,._:ge:4iiig[¥tS3en.£^±^e:':vAri: <|er:

führung. erfordern^ -idi^^nachstehend · be.s.ehriefeen /v?ir_;d, f_;

im oberen; leliferde?s;>: oor

Beckens befindliche Atmosphäre ein großes Gasvolumen darste^lleni:da^sdich durch einer
wertΐτΐΡ.y(^ :;30<^m vorlegenden.

zip^ a,lsi^eine "normale" eReeyeJiertiivg,überragt,s-öhifee; däß dief Hauptgu^elle-;Sauerstof-f -vii^fiert «{;er:st!er-flial;l·; dÄr. vorstehend ; beschriebenen c<

besitz-tgriXn- diessem^Fa;!! !^¹PI; :di#^;^WCh »das /Organ jl0 regelte "normale" Recyclierujig
Man muß dann in solchen Fällen, wo das Gasvoluaen der Beckenatmosphäre eine große Trägheit besitzt, dem System eine Sauerstoff ergänzung zubringen können. Zu diesem Zweck und obgleidi der Druck der Atmosphäre sich auf einem höheren Wert als der Sollwert befindet, nimmt man die zweite Abfragung vor.

50981

Wenn O a kleiner als der Sollwert ist, z.B. 45 % beträgt, hält man eine "normale" Recyclierung bei und öffnet das Ventil 7 auf Befehl des Rechenwerkes 10.

Wenn 0 a größer als dieser Sollwert ist, ist es zwecklos, das Ventil 7 zu öffnen: es genügt nämlich, die Umwälzgeschwindigkeit der recyclierten Atmosphäre zu steigern. Dies geschieht im Rahmen der Ausführungsformen der Fig.l, indem man das Ventil 7 geschlossen läßt und beispielsweise die Funktion des Hilfskompressors 14 regelt. Wenn man diese besonderen Funktionsbedingungen im Rahmen der zweiten Ausführungsform (Fig.2) realisierbar haben wollte, wäre es notwendig, daß ein Hilfskompressor im Recyclierkreis enthalten ist. Dies bedeutet eine gewisse Komplikation.- In solchen Fällen erscheint daher die erste Ausführungsform bevorzugt zu sein.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann insbesondere bei einer biologischen Wasserbehandlung mit Hilfe reinen Sauerstoffs angewandt werden. Eine solche Anlage besitzt nur einen Raum und gestattet die Behandlung der Wasser in einem einzigen Durchgang. Derartige Anlagen besitzen außerdem den zusätzlichen Vorteil, daß sie zur Rückgewinnung der Atmosphäre nur Säulen geringen Volumens erfordern.

- 14 -

509812/0964

Claims (3)

Patentansprüche

1.) Verfahren zur selbsttätigen Regelung eines Reaktionssystems zur Oxidation mittels reinem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft, wobei das Reaktionssystem sich in einem umschlossenen Raum befindet, in das als Behandlungsgase reiner Sauerstoff oder angereicherte Luft eingeblasen werden und die Atmosphäre den vom Reaktionssystem nicht besetzten Teil des Raumes ausfüllt, während das Reaktionssystem in solcher Weise recycliert wird, daß die nicht erschöpften Behandlungsgase wieder in das Reaktionssystem eingedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die in das System eingeblasenen oder recyclierten Behandlungsgasmengen (0 1 und 0 2) in Funktion von drei Systemparametern, nämlich Druck P der Beckenatmosphäre, in dieser Atmosphäre enthaltene Behandlungsgasmenge (0 a) und in dem Reaktionssystem vorhandene Behandlungsgasmenge (0 e) geregelt werden und die Kaskadenabfragung dieser dauernd gemessenen untrennbaren drei Parameter mit dem vorher festgelegten Sollwert verglichen wird, die einer optimalen Ausnutzung der Behandlungsgase entsprechen und das Ergebnis der Vergleiche die Mengen {0 1 und 0 2) von Behandlungsgas und Recycliergas regelt.

2.) Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichaat, daß der Vergleich der drei Systemparameter mit ihren Sollwerten in folgender Reihenfolge geschieht: Druck P der Atmosphäre, Menge des in der Atmosphäre (0 a) enthaltenen Behandlungsgaaes und schließlich Menge des in dem Reaktionssystem enthaltenen Behandlung^ s *, _{; Q g} g ^ - 15 -

2423793

3.) Verfahren nach Anj^priich \'-bdei? ϊ, tfaäiirdii gekennzeichnet, daß die Menge der durch die Recyclierung zugelieferten Be

-a 1 Μ®ϊ®ιχφ diesera^e^ fh^ipdigkeifc. geg^^er-^einer^findestie-,

fc^?^ is O)
5.0®

"normalen" Recyclierung entspricht, fich_p
des Mindestwertes der Menge (O 2) überträgt.

;3

L e e r s e i t e