DE4130492C2 - Bioreaktor insbesondere zur Abwasserbehandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor, insbesondere zur Abwasserbehandlung, dessen Reaktorraum mit einem mit Mikroben besiedelten Mikrobenkulturträgerstoff teilweise gefüllt ist, dem bodenseitig ein zu behandelnder Flüssigkeits-Zulaufstrom zugeführt wird, sowie bodenseitig durch einen Düsenstock ein Druckgas blasenförmig zugeführt wird, und dessen Reaktorraum einen Flüssigkeitsaustritt zur kontinuierlichen Abführung des behandelten Flüssigkeitsstromes aufweist.

Es ist aus DE OS 26 27 231 bekannt, eine Flüssigkeit, die mit gelösten oder suspendierten Feststoffen belastet ist, in einer Reaktionskammer mit Luft oder Sauerstoff in Blasenform zu durchmischen, so daß die Ballaststoffe oxydiert und abgebaut werden.

Es ist weiterhin aus DE 36 00 484 A1 bekannt, in einem teilweise mit einer zu behandelnden Flüssigkeit gefüllten Reaktionsraum ein Filterbett anzuordnen, in das bodenseitig feinporige Gasdüsen hineinragen, durch die ein Reaktionsgas zugeführt wird. Die Gasblasen steigen im Gegenstrom zu der Flüssigkeit durch das Filterbett; wegen ihrer Größe haben sie jedoch nur eine geringe biologische Wirksamkeit, und es liegt eine von oben nach unten zunehmende und somit die Wirksamkeit der Reaktion einschränkende Gaslösungskonzentration vor.

Es ist weiterhin aus DE 35 01 175 C2 bekannt, in einem unter einem erhöhten Mischdruck stehenden Lösungsreaktor eine abgesättigte Flüssigkeit mit einem Reaktionsgas, z. B. Sauerstoff oder Luft, zu erzeugen und diese Lösung als übersättigte Lösung in einen unter einem niedrigeren Druck stehenden biologischen Reaktor als das Reaktionsmedium einzuleiten. Hierbei entsteht eine extrem feine emulsionsartige Gasverteilung in der Reaktionszone, die insbes. die biologische Verwertbarkeit durch Mikrolebewesen erhöht. Es besteht jedoch im Bioreaktor ein hohes Konzentrationsgefälle des Reaktionsmittels, wodurch dessen Wirksamkeit räumlich beschränkt ist, und die sehr feinen Gasblasen, die bei der Entspannung der übersättigten Lösung entstehen, vermögen nur leichte Schwebstoffe zu flotieren und aufzulockern.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen mit auf einem Trägerstoff angesiedelten Mikrobenkulturen arbeitenden Reaktor zu offenbaren, der einen weitgehend homogenen, hochgradigen Versorgungszustand des gesamten Reaktorraumes mit dem Reaktionsmittel erbringt.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß der Reaktorraum bodenseitig eine Zuführung aufweist durch die laufend ein mit einem Reaktionsgas übersättigtes Reaktionsmedium in diesen eingeleitet wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Trennung der Funktionen, nämlich der Transport- und Durchmischungsfunktion, mittels grober Gasblasen von der Oxydations- und Ernährungsfunktion mittels der Mikroblasen der übersättigten Lösung wird bei geringem Raumbedarf und geringem Energieaufwand eine hohe Reaktorleistung und eine weitgehende Ausnutzung des Reaktionsgases erreicht.

Der Boden des Reaktors ist zu einem Ringdüsenstock hin verjüngt ausgestaltet, indem innerhalb desselben ein stehender Innenkegel und um ihn ein nach oben geöffneter Hohlkegel angeordnet sind. Die Neigungswinkel der beiden Kegel sind so gehalten, daß die Gasblasenströmung seitlich divergierend im Zusammenwirken mit dem körnigen Feststoff, der als Kulturenträger dient, den gesamten Reaktionsbereich auflockernd aufsteigend durchsetzt. Eine Stromrückführung erfolgt im Innenbereich des Reaktors in einen Fallrohr, das obenseitig konisch erweitert in einen Ringspalt mit einem auf der Spitze stehenden kegelförmigen Einsatz endet, in das die nach oben entgaste Reaktorflüssigkeit eintritt und dann rezirkuliert. Das innere Fallrohr endet oberhalb des unteren Innenkegels, aus dessen Spitzenbereich die übersättigte Gaslösung austritt, die durch den Fallstrom mitgerissen wird und sich dann am Kegel seitlich verteilt, wonach sie, durch den aufsteigenden Gasblasenstrom angetrieben, mit den Kulturträgermaterial intensiv vermischt wird und dadurch während des Aufsteigens von der Kultur aufgenommen wird. Die Gasausscheidung aus der übersättigten Lösung findet zum großen Teil unmittelbar an den Feststoffoberflächen statt, wo die Kultur angesiedelt ist, so daß eine intensive Umsetzung des Gases erfolgt. Falls kein Kulturträgerstoff eingesetzt ist, findet die Gasausscheidung und Gasaufnahme unmittelbar an den organischen Schwebstoffen statt.

Der obere kegelförmige Einsatz weist an seinem unteren Ende eine Austrittsöffnung auf, durch die die biologisch gereinigte Flüssigkeit nach oben abgezogen wird. Über der Austrittsöffnung ist zweckmäßig ein trichterförmiger Restgasabzug angeordnet, so daß die abgezogene Flüssigkeit weitgehend blasenfrei anfällt. Auch restliche Schwebstoffe und Kulturträgerkörner trennen sich von der abfließenden Flüsigkeit in der Übergangszone des in den Ringspalt eingezogenen Fallstromes und in einer Sedimentationszone oberhalb der Austrittsöffnung, so daß der austretende Abflußstrom einen hohen Reinheitsgrad aufweist.

Die Dosierung des Luftblasenstromes wird abhängig von dem Erreichen einer vollständigen Auflockerung des Kulturbettes vorgenommen. Der Zustrom von neuer zu reinigender Flüssigkeit bestimmt sich aus der spezifischen Schadstofflast und der jeweiligen Reaktorleistung sowie dem geforderten Reinheitsgrad der Abflußflüssigkeit. Zur Bestimmung der Steuergrößen dienen bekannte Meßmittel, die in der Zu- und Abflußleitung angeordnet sind. Die Dosierung der Reaktionslösung bestimmt sich aus der Reaktorleistung und aus dem jeweils geforderten Sättigungsgrad der Abflußflüssigkeit mit den Reaktionsgas, der ebenfalls in bekannter Weise laufend gemessen wird.

Bei der Regelung des Zuflusses und der Dosierung der Reaktionslösung ist zu berücksichtigen, daß der Sättigungsgrad mit Reaktionsgas im Ausfluß sich nach einer Dosierungsänderung bereits nach einem Reaktordurchlauf merklich verändert, jedoch der Reinigungsgrad bei einen geänderten Zulauf oder einer geänderten Schmutzlast sich im wesentlichen erst nach mehreren Umläufen, nämlich der mittleren Verweilzeit der Flüssigkeit im Reaktor, merklich verändert und stabilisiert. Aus diesem Grund sind PID-Regelungcharakteristiken mit entsprechenden Zeitkonstanten zweckmäßig vorzusehen, wobei die Dosierung der Reaktionslösung in einem inneren Regelkreis und die des Zuflusses der Rohflüssigkeit in einem äußeren Regelkreis bestimmt werden.

Vorteilhaft ist auch je ein Temperatursensor im Reaktionsraum und im Zulauf vorgesehen, deren Differenzsignal ein Maß für die Reaktoraktivität ergibt, abhänig von der in Verbindung mit der Umgebungstemperatur die Bemessung des Zulaufstromes und die Dosierung des Reaktionsmediums vorgegeben wird.

Die Vorgabe des Reinigungsgrades hat einen entscheidenden Einfluß auf die notwendige Verweilzeit der zugeführten Flüssigkeit im Reaktionsbereich, wobei die spezifischen Abbaukinetiken der einzelnen Stoffe durch die jeweils zugehörigen Mikroorganismen und die Umgebungsbedingungen, das Lebensmilieu, wesentliche Einflußfaktoren sind.

Bei einer Schadstoffbeseitigung aus belastetem Abwasser ist entscheidend für eine hohe Reaktionsleistung, daß ein hohes Sauerstoffangebot vorliegt. Aus diesem Grund wird als Reaktionslösung eine mit technischem Sauerstoff übersättigte Lösung zugeführt, der durch die erfindungsgemäße Vorrichtungsausgestaltung weitgehend ausnutzbar ist. Für die Umwälzbewegung durch die aufsteigenden Blasen ist es ausreichend und kostenungünstiger, Druckluft statt reinen Sauerstoff zuzuführen, deren Sauerstoffanteil einen weiteren Beitrag zur Mikrobenbeatmung geben kann. Bei der biologischen Umsetzung im Reaktor entstehen je nach der Reaktionsart Kohlenoxid, Methan und Stickstoffabgase, die blasenförmig aufsteigend ebenfalls zur Umwälzung des Reaktorinhalts beitragen.

Der Zustrom der Rohflüssigkeit ist vorteilhaft in einem Vormischer mit der Druckluft zusammengeführt, so daß ein Flüssigkeits-Luftgemisch durch den Ringdüsenstock von unten in den Reaktionsraum einströmt, so daß auch die Strömung des Zulaufstromes den Umlauf im Reaktor antreibt und andererseits die Luftblasenverteilung den Zulaufstrom sofort aufteilt.

Außer zur Abwasserreinigung läßt sich der Reaktor auch für andere biologische oder chemische Prozesse verwenden, wobei entsprechende Einsatzstoffe, Flüssigkeiten und Gase zuzuführen sind. Der Reaktor läßt sich mit einen Deckel verschließen, wobei das anfallende Reaktionsgas aus dem oberen Raum abgezogen werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Anlagenschema mit einem senkrechten Schnitt durch den Reaktionsraum.

Fig. 1 zeigt eine Zusammenstellung der Gesamtvorrichtung. Der vertikal stehende zylindrische Reaktor (A) ist axial geschnitten dargestellt. Diesem vorgeschaltet ist ein Druckluftzustrommischer (B) sowie eine Gassättigungsvorrichtung (C). Der Reaktor (A) ist bodenseitig verjüngt, wozu er einen Mittelkonus (K) und einen trichterförmigen Randbereich (T) aufweist. Zwischen diesen ist unten ein Ringdüsenstock (3) angeordnet, der von dem Zustrommischer (B) gespeist ist. Der Innenraum des Mittelkonus (K) ist an die Gassättigungsvorrichtung (C) über ein Reduzierventil (R) angeschlossen. Im Spitzenbereich des Mittelkonus (K) sind Zuführungsöffnungen (4) eingebracht, durch die die durch die Druckreduzierung mit dem Reaktionsgas übersättigte Lösung in den Reaktionsraum (6) eintritt.

Mittig im Reaktor (A) befindet sich ein Fallrohr (8), das oberhalb des Mittelkonus (K) endet und obenendig einen Einlauftrichter (E) trägt, in den ein Innenkonus (I) hineinragt, so daß ein Ringspalt (10) dort besteht. Der Innenkonus (I) weist an seiner Spitze eine Austrittsöffnung (11) auf, durch die behandelte Flüssigkeit zu einem Austrittsstutzen (12) nach oben abgeleitet wird. Über der Austrittsöffnung (11) befindet sich ein Gasabzug (13), der in ein Sammelrohr (9) angeschlossen ist. In dem Austrittsraum (7) vor dem Austrittsstutzen (12) sedimentieren verbliebene entgaste Feststoffe und sinken zurück in den Fallstrom im Fallrohr (8).

Der Reaktionsraum (6) ist mit einem Gemisch aus einem Kulturträgerstoff, z. B. Sand, der mit Mikroben besiedelt ist, und der biologisch zu behandelnden Flüssigkeit, z. B. organisch belastetem Abwasser, sowie Gasblasen gefüllt. Die Gasblasen steigen aus dem Düsenstock (3) kommend, sich verteilend und das Reaktionsgemisch auflockernd sowie nach oben fördernd auf. Weitere aufsteigende Gasblasen entstehen aus dem bei der Reaktion gebildeten Abgasen.

Der Zustrom (Z) der zu behandelnden Flüssigkeit wird in dem Zustrommischer (B) in bekannter Weise mit einem unter Druck stehenden Gas, z. B. Druckluft, das am Druckgasanschluß (1) einem Düsenstock (D) zugeführt wird, intensiv vermischt und teilweise gesättigt. Dieses Flüssigkeits-Gasgemisch wird über eine Zuleitung (2) dem Ringdüsenstock (3) zugeführt.

Der Gassättigungsvorrichtung (C) bekannter Bauweise wird eine Flüssigkeit (F) und ein Gas (G) eingangsseitig unter Druck zugeführt, so daß ausgangsseitig vor dem Reduzierventil (R) eine unter Druck stehende, mit dem Reaktionsgas (G), z. B. Sauerstoff, gesättigte Lösung (L) ansteht, die hinter dem Reduzierventil (R) als mit dem Reaktionsgas übersättiges Reaktionsmittel (Ü) in den Reaktor eintritt.

Die Regelung des Betriebes des Reaktors erfolgt über eine Steuervorrichtung (ST). Diese erhält die Betriebs- und Grenzwerte über eine Eingabetastatur (35) und die laufenden Temperatur- und Belastungsstoffwerte von einem Zulauftemperatursensor (30) und mindestens einen Zulauf- Ballaststoffsensor (31) sowie einem Abflußtemperatursensor (32), einem Abfluß-Ballaststoffsensor (33) und einem Abfluß-Reaktionsmittelsättigungs-Sensor (34). Aus deren Eingangsgrößen werden jeweils die optimalen Dosiervorgaben ermittel, die die Steuervorrichtung (ST) an die Dosierventile (21, 22) der Druckluftzufuhr und des Zustromes (Z) sowie an das Reduzierventil (R) ausgibt.

Die zylindrische und konzentrische Konstruktion läßt sich fachmännisch auf eine andere Querschnittsform und eine asymmetrische Anordnung abwandeln.

Claims (12)

1. Bioreaktor, dessen Reaktorraum (6) mit einem mit Mikroben besiedelten Mikrobenkulturträgerstoff teilweise gefüllt ist, dem bodenseitig ein zu behandelnder Flüssigkeits-Zulaufstrom (Z) zugeführt wird, sowie bodenseitig durch einen Düsenstock (3) ein Druckgas (1) blasenförmig zugeführt wird, und dessen Reaktorraum (6) einen Flüssigkeitsaustritt (12) zur kontinuierlichen Abführung des behandelten Flüssigkeitsstromes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorraum (6) bodenseitig eine Zuführung (4) aufweist, durch die laufend ein mit einem Reaktionsgas (G) übersättigtes Reaktionsmedium (Ü) in diesen eingeleitet wird.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorraum (6) im Bereich der Zuführung (4) des Reaktionsmediums erhaben, und im Bereich des Düsenstocks (3) abgesenkt ist.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktorraum (6) ein Fallrohr (8) angeordnet ist, das unten nahe der Zuführung (4) des Reaktionsmediums (Ü) und abseits des Düsenstocks (3) endet und oben in einem Einlauftrichter (E) endet, in dem ein Einsatz (I), einen Einlaufspalt (10) belassend angeordnet ist, an dem sich untenseitig eine Austrittsöffnung (11) befindet, die mit dem Flüssigkeitsaustritt (12) verbunden ist.

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsaustritt (12) aus dem Reaktor oberhalb der Austrittsöffnung (11) des Einsatzes (I) angeordnet ist und über der Austrittsöffnung (11) ein Gassammeltrichter (13) mit einer Abgasleitung (9) angeordnet ist.

5. Reaktor nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorraum (6) zylindrisch, senkrecht stehend ist, das Fallrohr (8) koaxial darin angeordnet ist und der Düsenstock (3) ringförmig ist.

6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorboden innerhalb des Ringdüsenstockes (3) als Konus (K) ausgebildet ist, in dessen Spitzenbereich die Zuführung (4) eingebracht ist, und der Reaktorboden außerhalb des Ringdüsenstocks (3) als ein diesen umgebender Trichter (T) ausgebildet ist.

7. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitszulaufstrom (Z) in einem Druckgasmischer (B) mit dem Druckgas (1) vermischt und die so entstandene Mischung dem Düsenstock (3) zugeführt wird.

8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas (G) unter einem Überdruck in einer Gassättigungsvorrichtung (C) in einer Flüssigkeit (F) bis zu deren Sättigung gelöst wird und die entstandene Lösung (L) über ein Reduzierventil (R) als das übersättigte Reaktionsmedium (Ü) der Zuführung (4) zugeleitet wird.

9. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zulaufstrom (Z) und in dem Flüssigkeitsaustritt (12) jeweils mindestens ein Belastungsstoffsensor (31, 33) und ggf. je ein Temperatursensor (30, 32) und austrittsseitig ein Reaktionsmittel-Sättigungssensor (34) angeordnet sind, deren Signale einer Steuervorrichtung (ST) zugeführt sind, die ausgangsseitig abhängig von deren Sensorsignalen und Betriebsvorgabedaten das Reduzierveneil (R), ein Zulaufdosierventil (21) und ein Druckgasdosierventil (20) einen optimalen Betrieb regelnd steuert.

10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (ST) das Reduzierventil (R) in einer inneren Regelschleife unter Berücksichtigung einer Durchlaufzeit der Flüssigkeit durch den Reaktorraum (6) abhängig von dem Signal des Sättigungssensors (34) und Temperaturmeßsignalen der Temperatursensoren (30, 32) bedarfsgerecht beaufschlagt und in einer äußeren Regelschleife unter Berücksichtigung der mitteleren Verweilzeit der Flüssigkeit in dem Reaktorraum (6) abhängig von den Signalen der Belastungsstoffsensoren (31, 33) bedarfsgerecht das Zulaufdosierventil (21) beaufschlagt und weiterhin das Druckgasdosierventil (20) einer der Betriebsvorgaben gemäß derart beaufschlagt, daß der Mikrobenkulturträgerstoff in dem gesamten Reaktorraum (6) durch Gasblasen aufgelockert ist.

11. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Regelkreise eine PID- Charakteristik aufweisen.

12. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgas (1) Druckluft ist, das Reaktionsgas (G) technischer Sauerstoff ist, der Zustrom (Z) schadstoffbelastetes Wasser ist und der Kulturträgerstoff Sand ist.