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