DE4213814A1 - Stoffaustauschelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stoffaustauschelement zur Durch­ führung biologischer Prozesse, insbesondere zur biologischen Abgas- oder Abwasserreinigung, und/oder physikalischer und/oder chemischer Prozesse, bestehend aus einem von gekreuzten Gitter­ stegen gebildeten Gitter, über das eine Flüssigkeit strömt.

Stoffaustauschelemente werden in der Verfahrenstechnik für viele Zwecke verwendet. Beispielsweise werden zum Stoffaus­ tausch zwischen Gasen und Flüssigkeiten oftmals Füllkörper­ schüttungen oder fest installierte Platten eingesetzt, die mit der Flüssigkeit beaufschlagt werden. Das Gas wird durch die Schüttung oder über die Platten geleitet und tritt in Stoffaus­ tausch mit der auf den Füllkörpern der Schüttung oder den Platten befindlichen Flüssigkeit.

Auch der Einsatz von Stoffaustauschelementen zur Durchführung biologischer Prozesse, z. B. zur Abwasser- oder Abgasreinigung oder für Fermentationsprozesse, ist weit verbreitet. Dabei dient das Stoffaustauschelement zugleich als Trägermaterial für Biomasse. In den auf dem Trägermaterial angesiedelten Mikroorganismen laufen die biologischen Prozesse ab. Beispiels­ weise werden Abwasser- oder Abgasschadstoffe in einem Biofilm, der auf dem Trägermaterial anhaftet, abgebaut. Dabei finden auf dem Trägermaterial der Stoffaustausch und die Reaktion zwischen den beteiligten Reaktionspartnern, also den Mikro­ organismen, den Abwasser- bzw. Abgasinhaltsstoffen und ge­ gebenenfalls Nährstoffen und Sauerstoff statt.

Für die biologische Abgasreinigung wurden bisher hauptsächlich saugfähige Schüttmaterialien als Trägermaterial eingesetzt, wie z. B. Sinterglas, Glasschaum, Aktiv-Kohle, Gasbeton, Polyurethanschaumstoff, Rinde, Kompost etc. Dabei wird die Biomasse im allgemeinen durch Berieselung der Schüttung mit Klärschlamm oder einer Startkultur aufgebracht, oder sie ist auf biologisch organischen Trägern bereits vorhanden und adaptiert sich nach einiger Zeit an die Abgasschadstoffe.

Diese Materialien führen jedoch wegen ihrer Packungsdichte zu einem hohen spezifischen Druckverlust im Abgasstrom. Außerdem können sich in den Schüttungen zu nasse Zonen bilden, die an­ aerob und geruchsfördernd sind. Auch die Reinigung der Träger­ materialien von im Überschuß erzeugter Biomasse ist schwierig oder sogar unmöglich, da die Biomasse aus der Schüttung nicht herausgeschwemmt werden kann. Ferner ist wegen der wachsenden Biomasse keine dauerhaft homogene Konditionierung und Gasdurch­ strömung der Schüttung möglich.

Als Tropfkörpermaterial für die Abwasserreinigung sind auch Kunststoffgitter auf dem Markt, die in Zylinderform angeboten werden. Die Gitterstege bilden Quadrate, deren Seiten senk­ recht und parallel zur Strömungsrichtung des Abwassers stehen. Die Maschenweite des Gitters beträgt über 8 mm. Aus diesen Gründen können sich keine kapillaren Flüssigkeitsflächen zwischen den Gitterstegen bilden und es findet keine erneute Flüssigkeitsverteilung im Gitter statt.

Ein anderes auf dem Markt befindliches Tropfkörpermaterial besteht aus einem Gitter, bei dem die Gitterstege in einem Winkel von 40 bis 50° zueinander stehen. Die Gitterstege sind stumpf miteinander verbunden. Auch bei diesem Gittermaterial ist keine zufriedenstellende Flüssigkeitsverteilung zu erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stoffaustauschelement zur Verfügung zu stellen, das eine gleichmäßige, sich längs des Flüssigkeitsströmungsweges immer wieder erneuernde Flüssigkeitsverteilung und einen dauerhaft guten Stoffaustausch ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gitterstege an den Kreuzungsstellen aufeinander liegen und unter einem Winkel α von ca. 30 bis ca. 150° zueinander verlaufen und das Gitter eine Maschenweite bis ca. 8 mm aufweist.

Die aufeinanderliegenden Gitterstege bewirken eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über die gesamte Gitterfläche. Da die Gitterstege an den Kreuzungsstellen nicht stumpf mitein­ ander verbunden sind, sondern übereinander liegen, wird die Flüssigkeitsströmung nicht wie bei den bekannten Gittermateria­ lien an den Kreuzungsstellen unterbrochen, sondern erstreckt sich über die gesamte Gittersteglänge. Durch die Wahl der Maschenweite des Gitters bis ca. 8 mm, vorzugsweise ca. 2 bis ca. 8 mm, wird aufgrund von Kapillarkräften ein flächiges Flüssigkeitsvolumen zwischen den Gitterstegen aufgespannt. Somit steht ein Flüssigkeitsvolumen hoher Stoffaustauschfläche zur Verfügung, das durch herabrieselnde Flüssigkeit konvektiv durchströmt und damit durchmischt wird, so daß ein optimaler Stoffaustausch erzielt wird. Die Benetzung des Gitters kann durch oberflächenaktive Substanzen noch gefördert werden.

Zweckmäßigerweise wird das Gitter vertikal angeordnet und von oben mit einer Flüssigkeit beaufschlagt, die sich homogen über das Gitter verteilt und nach unten strömt. Prinzipiell ist es aber auch möglich, die Flüssigkeitsströmung auf andere Weise als durch Gravitation aufrechtzuerhalten, beispielsweise durch Einbau des Gitters in einen Strömungskanal.

Das erfindungsgemäße Stoffaustauschelement kann z. B. zum Stoffaustausch bei physikalischen und/oder chemischen Absorptionen eingesetzt werden. Hierzu wird das Gitter mit einer Waschflüssigkeit beaufschlagt und das zu behandelnde Gas vorzugsweise parallel zur Gitterebene über das Gitter geführt. Die Waschflüssigkeit absorbiert dabei Gasinhaltsstoffe.

Soll das Stoffaustauschelement zur biologischen Abwasser­ reinigung in Form eines Tropfkörpers eingesetzt werden, so wird auf dem Gitter Biomasse angesiedelt, die mit dem Abwasser berieselt wird. Das Abwasser verteilt sich gleichmäßig über das Gitter und spannt aufgrund von Kapillarkräften eine Flüssigkeitsfläche zwischen den Gitterstegen auf. Mit der Kapillarflüssigkeit, in der Biomasse suspendiert ist, steht ein biologisch aktives Medium zur Verfügung, das im Gegensatz zum stationären, festen Biofilm ständig konvektiv durchmischt wird, so daß ein optimaler Stoffaustausch zwischen den Mikro­ organismen, den Abwasserinhaltsstoffen und gegebenenfalls Nährstoffen und dem Sauerstoffin der Gasphase erreicht wird. Dabei ist die Reinigungsleistung dem Stofftransport und der Benetzungsfläche proportional. Bei herkömmlichen Füllkörpern tritt dieser Effekt nicht in dem Maße auf, da dort das Ab­ wasser in Rinnsalen abläuft.

Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Stoffaustauschelements zur biologischen Abgasreinigung wird das Gitter mit einer Konditionierflüssigkeit beaufschlagt, die die Mikroorganismen für den Schadstoffabbau und gegebenenfalls Nährsalze und pH-Korrekturmittel enthält. Das zu reinigende Abgas wird vorzugsweise parallel zur Gitterebene über das Gitter geführt. Die Konditionierflüssigkeit fließt die Gitterstege entlang und verteilt sich entsprechend dem Neigungswinkel α der Gitter­ stege über die gesamte Gitterfläche. Da die Gitterstege an den Kreuzungsstellen übereinander liegen und nicht wie bei her­ kömmlichen Gittern stumpf miteinander verbunden sind, wird die Flüssigkeitsströmung auch nicht an den Kreuzungsstellen der Gitterstege unterbrochen. Aufgrund von Kapillarkräften spannt die Flüssigkeit zwischen den Gitterstegen eine Mikroorgansimen­ suspension auf, so daß ein biologisch aktives Medium zur Ver­ fügung steht, das im Gegensatz zum stationären, festen Biofilm ständig konvektiv durchmischt wird. Es findet ein optimaler Stoffaustausch zwischen dem Abgas und der aufgespannten Mikro­ organismensuspension statt.

Das erfindungsgemäße Stoffaustauschelement kann auch für andere biologische Prozesse, z. B. zur Fermentation verwendet werden. Hierbei kann beispielsweise das Gitter mit einer Nährstoffe enthaltenden Mikroorganismensuspension beauschlagt werden, die sich gleichmäßig über das Gitter verteilt. Zur Förderung bestimmter biologischer Prozesse kann ein geeignetes z. B. sauerstoffhaltiges Gas über das Gitter geleitet werden.

Es ist auch möglich, Enzyme auf dem Stoffaustauschelement zu immobilisieren. Hierzu kann das Gitter mit einer Suspension beaufschlagt werden, die die Enzyme enthält.

Zur Durchführung chemischer Reaktionen kann man auch eine Katalysatorsuspension über das Gitter rieseln lassen.

Eine besonders günstige Verteilung der Flüssigkeit auf dem Gitter ergibt sich, wenn die Gitterstege in Strömungsrichtung der Flüssigkeit einen Winkel α von ca. 70° bis ca. 120° miteinander bilden. Die Gitterstege sind vorzugsweise um einen Winkel β von ca. 20° bis ca. 60° gegen die Vertikale geneigt.

Zweckmäßigerweise weisen die Gitterstege einen Rechteckquer­ schnitt mit einer Steghöhe von ca. 1 bis ca. 3 mm und einer Stegbreite von ca. 0, 5 bis ca. 3 mm auf. Außerdem sind die Gitterstege vorzugsweise in einem Winkel γ von ca. 30° bis ca. 45° gegen die Gittermittelebene geneigt, so daß die Flüssigkeit wie auf einer Rinne geführt wird. Nachdem ein Gittersteg gekreuzt wird, verjüngt sich vorteilhafterweise die Stegbreite zur Gittermittelebene hin, so daß ein Teil der Flüssigkeit auf die andere Gitterseite und damit in Gegen­ richtung fließen kann. Vorzugsweise werden die Gitterstege an den Übergängen zum nächsten Gittersteg auf der Stegunterseite wulstig. Durch diese Merkmale wird die Flüssigkeitsverteilung und Aufspannung der Flüssigkeit zwischen den Stegen noch weiter verbessert.

Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Stoffaustauschelements zur biologischen Abgas- oder Abwasserreinigung werden die Gitter­ maschen mit der Zeit durch einen wachsenden immobilen Biofilm ausgefüllt. An diesen Biofilm kann von der Vorder- und Rück­ seite Sauerstoff und Schadstoff gelangen, so daß eine hohe Aktivität erreicht wird. Bei Versuchen in einem Technikums­ reaktor wurde bereits eine Abbauleistung von ca. 170 g/m³× h für ein Aromatengemisch mit Xylol als Hauptkomponente erzielt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stoffaustausch­ elements besteht darin, daß der Biofilm nur eine geringe Haftfläche an dem Gitter aufweist und locker gebunden ist, so daß bei erhöhter Berieselungsdichte Überschußbiomasse abgespült werden kann.

Bei den bekannten ungeordneten Schüttungen können dagegen keine hohen Strömungsimpulskräfte aufgebracht werden, so daß die Biomasse schlechter abgelöst werden kann. Außerdem kann die Biomasse in Schüttungen an größeren zusammenhängenden Flächen anhaften und wird in Strömungstotzonen gar nicht erreicht.

Um die zur Verfügung stehende Stoffaustauschfläche zu vergrößern, werden zweckmäßigerweise mehrere Gitter in Form von ebenen Gitterplatten parallel nebeneinander angeordnet. Dabei sollte der Abstand der einzelnen Gitterplatten voneinander zwischen ca. 5 und ca. 50 mm betragen.

Unter dem Aspekt der guten Flüssigkeitsverteilung und Benetzung, sowie der geordneten Geometrie kann das Gitter bei allem Gas- Flüssigkeit-Stoffaustauschvorgängen vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere eignet es sich als Packungs­ material bei Absorbern, wobei das Gitter mit einer Absorptions­ flüssigkeit beaufschlagt wird und ein zu behandelndes Gas am Gitter entlanggeführt wird. Das Stoffaustauschelement kann aber auch als Packungsmaterial bei Gas-Flüssig-Reaktoren eingesetzt werden, wobei das Gitter mit einer Flüssigkeit, die einen der Reaktanten enthält, beaufschlagt wird und ein zu behandelndes Gas mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird.

Unter dem zusätzlichen Aspekt der Immobilisierung von Biomasse in den Maschen des Gitters mit beidseitigem Kontakt zum um­ gebenden Medium kann das Gitter als Trägermaterial für Bio­ masse zur biologischen Abwasser- und Abgasreinigung sowie zur Fermentation vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere eignet es sich als Tropfkörpermaterial zur biologischen Ab­ wasserreinigung, wobei das Abwasser von oben nach unten über das vertikal angeordnete Gitter strömen gelassen wird. Das Gitter kann aber auch in Submersreaktoren z. B. in Kläranlagen und Wasseraufbereitungsanlagen mit Vorteil eingesetzt werden.

Ganz besonders eignet sich das Gitter als Trägermaterial für Biomasse in einem biologischen Abgasfilter. Dabei wird das Gitter mit einer Biomasse und gegebenenfalls Nährstoffe enthaltenden Konditionierflüssigkeit beaufschlagt und das Abgas parallel zur Gitterebene über das Gitter geführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Ansicht des erfindungsgemäßen Gitters,

Fig. 2 Einen Schnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Gitter in Richtung A-A,

Fig. 3 Einen Schnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Gitter in Richtung B-B.

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist der Fall be­ schrieben, daß die Gitter zur biologischen Abgasreinigung in einem Biofilter eingesetzt werden. Hierzu werden die Gitter­ platten vertikal angeordnet und von oben mit einer Konditio­ nierflüssigkeit beaufschlagt, die Mikroorganismen für den Schadstoffabbau enthält. Weitere Mikroorganismen sind an den Gittern immobilisiert. In die Flüssigkeit können Nährsalze und pH-Korrekturmittel zugegeben werden, so daß das Biomasse­ wachstum und die Abbauleistung gesteuert werden können.

Das in Fig. 1 dargestellte Gitter besteht aus parallel ange­ ordneten Gitterstegen I, die mit ebenfalls parallel ange­ ordneten Gitterstegen II gekreuzt sind. An den Kreuzungs­ stellen X liegen die Gitterstege I und II aufeinander. Dies bewirkt, daß die Flüssigkeit F, mit der das Gitter im vor­ liegenden Fall von oben beaufschlagt wird, sich gleichmäßig über das gesamte Gitter verteilt.

Die Gitterstege I und II bilden untereinander einen Winkel α von ca. 70 bis ca. 120°. Der Neigungswinkel β der Stege zur Senkrechten beträgt ca. 30° bis ca. 60°. Das Gitter weist eine Maschenweite von ca. 1 bis ca. 8 mm auf.

Wird das Gitter zum Anfahren des Biofilters mit einer adaptierten, suspendierten Startkultur F berieselt, so kann das Biofilter sofort mit hoher Reinigungsleistung betrieben werden.

Hierbei sind folgende Effekte von Bedeutung:

Durch entsprechende Wahl der Maschenweite des Gitters wird aufgrund von Kapillarkräften eine Fläche der Mikroorganismen­ suspension zwischen den Gitterstegen I und II aufgespannt. Somit steht eine biologisch aktive Stoffaustauschfläche zur Verfügung, die im Gegensatz zum stationären, festen Biofilm, ständig konvektiv durchströmt wird. Auf diese Weise wird ein optimaler Stoffaustausch zwischen der aufgespannten Mikro­ organismensuspension und dem zu reinigenden Abgas, das parallel zur Gitterebene (also in der vorliegenden Zeichnung in der Blattebene) über das Gitter geführt wird, erzielt. Dabei ist die Reinigungsleistung dem Stofftransport und der Benetzungsfläche proportional. Auf herkömmlichen Füllkörpern tritt dieser Effekt zwar auch auf, aber da hier die Mikroorganismensuspension in Rinnsalen abläuft, sind die Benetzungsfläche und somit die Reinigungsleistung klein.

Die Gittermaschen werden mit der Zeit durch einen wachsenden Biofilm ausgefüllt, an den von der Vorder- und Rückseite Sauerstoff und Schadstoff gelangen können, wodurch die Abbauleistung erhöht wird.

Der Biofilm hat außerdem an dem erfindungsgemäßen Gitter nur eine geringe Haftfläche und ist locker gebunden, so daß Über­ schußbiomasse auf einfache Weise durch Erhöhung der Beriese­ lungsdichte abgespült werden kann. Dies ist ein Vorteil gegenüber solchen Biofiltern, bei denen ungeordnete Schüttungen als Trägermaterial für die Biomasse verwendet werden. Auf die ungeordneten Schüttungen können nämlich keine so hohen Strömungsimpulskräfte aufgebracht werden, daß die Biomasse abgelöst wird. Außerdem kann die Biomasse in Schüttungen an größeren zusammenhängenden Flächen anhaften und wird in Strömungstotzonen gar nicht erreicht.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Gitter in Richtung A-A gezeigt. Aus dieser Darstellung wird deutlich, daß die Gitterstege I und II in zwei aufeinander­ liegenden Ebenen liegen und nicht wie bei bekannten Tropf­ körpermaterialien in einer Ebene stumpf miteinander verbunden sind. Außerdem ist zu sehen, daß die Gitterstege II in einem Winkel γ von ca. 30 bis ca. 45° gegen die Gittermittelebene C geneigt sind, so daß die von oben nach unten über das Gitter fließende Flüssigkeit wie auf einer Rinne geführt wird.

Gemäß Fig. 3, die einen Schnitt durch das in Fig. 1 darge­ stellte Gitter in Richtung B-B zeigt, verjüngt sich die Steg­ breite des hier exemplarisch dargestellten Gittersteges I zur Gittermittelebene C hin, so daß ein Teil der Flüssigkeit auf die andere Gitterseite und damit in Gegenrichtung fließen kann.

Claims (12)

1. Stoffaustauschelement zur Durchführung biologischer Prozesse, insbesondere zur biologischen Abgas- oder Abwasserreinigung, und/oder physikalischer und/oder chemischer Prozesse, bestehend aus einem von gekreuzten Gitterstegen gebildeten Gitter, über das eine Flüssigkeit strömt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstege (I, II) an den Kreuzungsstellen (X) aufeinanderliegen und unter einem Winkel α von ca. 30° bis ca. 150° zueinander verlaufen und das Gitter eine Maschenweite bis ca. 8 mm aufweist.

2. Stoffaustauschelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gitter vertikal angeordnet ist.

3. Stoffaustauschelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gitter Biomasse angesiedelt ist.

4. Stoffaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α ca. 70 bis ca. 120° beträgt.

5. Stoffaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstege (I, II) im wesentlichen einen Rechteckquerschnitt mit einer Steghöhe von ca. 1 bis ca. 3 mm und einer Stegbreite von ca. 0,5 bis ca. 3 mm aufweisen.

6. Stoffaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Gitterstege (I, II) in einem Winkel γ von ca. 30° bis ca. 45° gegen die Gittermittelebene (C) geneigt sind, so daß eine Rinne für die Flüssigkeit gebildet wird.

7. Stoffaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gitter in Form von ebenen Gitterplatten parallel nebeneinander angeordnet sind.

8. Stoffaustauschelement nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gitterplatten in einem Abstand von ca. 5 bis ca. 50 mm voneinander entfernt angeordnet sind.

9. Verwendung des Stoffaustauschelements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Tropfkörpermaterial zur biologischen Abwasserreinigung, wobei das Abwasser von oben nach unten über das vertikal angeordnete Gitter strömen gelassen wird.

10. Verwendung des Stoffaustauschelements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Trägermaterial für Biomasse in einem biologischen Abgasfilter, wobei das Gitter mit einer Biomasse und gegebenenfalls Nährstoffe enthaltenden Konditionierflüssigkeit beaufschlagt wird und das Abgas parallel zur Gitterebene über die Stoffaustauschelemente geführt wird.

11. Verwendung des Stoffaustauschelements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Packungsmaterial bei Absorbern, wobei das Gitter mit einer Absorptionsflüssigkeit beaufschlagt wird und ein zu behandelndes Gas parallel zur Gitterebene geführt wird.

12. Verwendung des Stoffaustauschelements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Packungsmaterial bei Gas-Flüssig- Reaktoren, wobei das Gitter mit einer Flüssigkeit, die einen der Reaktanten enthält, beaufschlagt wird und ein zu behandelndes Gas mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird.