DE4412484A1

DE4412484A1 - Reaktor und Verfahren zur Anreicherung von Flüssigkeiten mit Gasen

Info

Publication number: DE4412484A1
Application number: DE19944412484
Authority: DE
Inventors: Ivan Prof Dr Ing Sekoulov; Karl-Wilhelm Dr Oepke
Original assignee: OEPKE KARL WILHELM DR; SCHORLEMER LIESER FREIHERR VON
Current assignee: OEPKE KARL WILHELM DR; SCHORLEMER LIESER FREIHERR VON
Priority date: 1994-04-12
Filing date: 1994-04-12
Publication date: 1995-10-19

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Anreicherung von Flüssigkeiten mit Gasen mit wenigstens einem gaspermeablen Membranschlauch, in den das Gas über eine Gaszufuhrleitung einbringbar ist.

Die Begasung von Flüssigkeiten spielt insbesondere bei der Reinigung von Abwasser in Kläranlagen eine wichtige Rolle. Bekannte Kläranlagen nutzen die biologische Aktivität von Mi kroorganismen, um die im Abwasser enthaltene organische Ver schmutzung in mineralische Produkte und Biomasse umzusetzen. Die Mikroorganismen werden als suspendierte Organismen in Kontakt mit dem Abwasser gebracht (Belebungsverfahren) oder siedeln als sessile Organismen auf Trägermaterialien (Bio filmverfahren unter Nutzung von bspw. Tropfkörpern oder Festbettreaktoren). Da die Mikroorganismen zur Umsetzung der organischen Verschmutzung einen hohen Sauerstoffbedarf haben, ist bei beiden Reinigungsverfahren eine zusätzliche Versor gung des Abwassers mit Sauerstoff erforderlich. Die Sauer stoffversorgung erfolgt beim Belebungsverfahren üblicherweise durch Oberflächenbelüfter, durch die Wassertropfen aufgewir belt und mit atmosphärischer Luft gesättigt werden, oder durch Druckbelüftung, wobei Luft oder reiner Sauerstoff bspw. durch eine Druckrohrleitung in die Wasserphase eingeperlt wird. Bei Biofilmanlagen erfolgt die Sauerstoffversorgung durch natürliche Konvektion oder durch Belüftungseinrichtun gen. Der Wirkungsgrad dieser Verfahren ist jedoch relativ gering, so daß die Konzentration der Mikroorganismen durch den erreichbaren Sauerstoffeintrag begrenzt ist.

Aus der DE-A 40 38 514 ist ein Verfahren zur Anreicherung von Wasser mit Gas bekannt, bei dem das Wasser senkrecht nach unten strömt und dem Wasser hierbei Gas zugeführt wird. Das Wasser wird durch ein Schwebebett sich frei bewegender Partikel geleitet, die von den eingetragenen Gasblasen durchsetzt sind. Durch den intensiven Kontakt mit den Parti keln wird die Aufenthaltszeit der Blasen im Reaktor stark erhöht und die Stoffaustauschgeschwindigkeit entsprechend gesteigert. Zudem werden durch die intensiven Partikelbewe gungen im Einlaufbereich die Gasblasen verteilt und deren Wiedervereinigung verhindert. Der Gaseintrag kann dabei durch Eindüsung und/oder über gasdurchlässige Schlauch- oder Rohrmembranen aus Silikonkautschuk, wie sie bspw. aus der DE-C 31 22 186 bekannt sind, erfolgen. Der Sauerstoffeintrag ist jedoch abhängig von diversen Randbedingungen, wie Temperatur, Druck oder Gaszusammensetzung, so daß eine gleichmäßige Sauerstoffanreicherung nicht gewährleistet ist. Auch ist der Wirkungsgrad eines solchen Verfahrens nur begrenzt. Insbeson dere beim Belebungsverfahren hängt die Umsatzleistung von der Sauerstoffmenge ab, die die Mikroorganismen zur Umsetzung der organischen Verschmutzung benötigen. Die Effizienz der Anlage läßt sich somit durch eine Erhöhung der Sauerstoffeintrags leistung des Belüftungssystems verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Reaktor der ein gangs genannten Art derart weiterzubilden, daß der Sauer stoffeintrag und damit die Umsatzleistung der Anlage erhöht wird.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß der wenigstens eine Membranschlauch in einem von der Flüssigkeit durchströmten Rohr angeordnet ist und daß eine Vielzahl von Abschnitten des wenigstens einen Mem branschlauches oder eine Vielzahl von Membranschläuchen nebeneinander angeordnet ist. Durch die vielen nebeneinander angeordneten Abschnitte des Membranschlauches wird dessen Oberfläche in Bezug auf die vorbeiströmende Flüssigkeit wesentlich erhöht, so daß sich die aus dem Membranschlauch in die Flüssigkeit hineindiffundierende Gasmenge erheblich steigern läßt, während durch die Anordnung des Membran schlauchs in einem von der Flüssigkeit durchströmten Rohr gewährleistet wird, daß die Flüssigkeit über den Mem branschlauch strömt.

Die Anordnung des Schlauches in dem Rohr oder einem in das Rohr einsetzbaren Eintragselement kann bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung durch eine bspw. trommelartige Aufwicklung oder nach Art einer Ankerwicklung durch Aufwic keln auf ein insbesondere flüssigkeitsdurchlässiges Träger element erfolgen, auf dem eine Vielzahl von Schlauchlagen nebeneinander angeordnet werden können.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in dem Rohr ein Eintragselement vorgesehen, das erste und zweite vorzugsweise ringförmige, an die Gaszufuhrleitung anschließ bare Trägerrohre mit Anschlußstutzen für die Membranschläuche aufweist, wobei die ersten und zweiten Trägerrohre über die Membranschläuche miteinander verbunden sind.

Zur weiteren Erhöhung der Stoffaustauschfläche ist erfin dungsgemäß vorgesehen, daß das Trägerelement oder die ersten und zweiten Trägerrohre spiralförmig ausgebildet sind.

Um zu gewährleisten, daß die zwischen den ersten und zweiten Trägerrohren angeordneten Membranschläuche einen definierten Abstand voneinander haben und auch nicht abschnittweise aufeinander aufliegen, sind bei einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens einstellbare Distanzvorrichtungen vor gesehen und der Abstand zwischen den ersten und zweiten Trägerrohren derart gewählt, daß die Membranschläuche zwi schen den ersten und zweiten Trägerrohren im wesentlichen gespannt sind.

In den Auslaßstutzen der ersten und/oder zweiten Trägerrohre sind Ventile angeordnet, so daß die Gaszufuhr einzelner Membranschläuche geregelt werden kann und bei Beschädigung eines Membranschlauchs dieser von der Gaszufuhr abgekoppelt werden kann, ohne daß die anderen Membranschläuche davon betroffen wären.

Um zu gewährleisten, daß die gesamte Fläche des Membran schlauches von der Flüssigkeit umströmt wird, ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß auf dem Membranschlauch Abstandshalter angeordnet sind. Die Flüssigkeit kann den Membranschlauch somit von allen Seiten umströmen, so daß eine maximale Stoffaustauschoberfläche er reicht wird.

Die Abstandshalter sind vorzugsweise in bestimmten Abständen auf dem Membranschlauch arretiert, so daß ein Verschieben der Abstandshalter beim Aufwickeln des Membranschlauchs verhin dert wird. Dadurch wird gewährleistet, daß Teile des Membran schlauchs nicht abschnittweise übereinander liegen und die gesamte Oberfläche zum Stoffaustausch genutzt werden kann.

Da mit dem Reaktor Abwässer oder andere ggfs. aggressive Medien begast werden sollen, bestehen bei einer Weiterbildung der Erfindung die Abstandshalter aus nicht verrottendem Material, insbesondere aus nicht verrottendem Kunststoff.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Abstandshalter Kugeln mit einer Durchtrittsöffnung für den Membranschlauch, die ähnlich wie bei einem Abakus auf dem Membranschlauch angeordnet sind, so daß die übereinander gewickelten Lagen des Membranschlauches einen durch die Dicke der Kugeln bestimmten gleichmäßigen Abstand voneinander aufweisen.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dem Eintrags element ein Antriebselement, bspw. ein Propeller, ein Turbi nenrad oder dgl. zugeordnet. Durch die Erhöhung der Strö mungsgeschwindigkeit wird der Stoffübergang an der Phasen grenze zwischen Membranschlauch und Flüssigkeit verbessert, so daß die Eintragsleistung erhöht wird.

Erfindungsgemäß ist das Antriebselement über eine Antriebs welle mit einem Motor verbunden, wobei die Antriebswelle vorzugsweise entlang der Längsachse des Rohres verläuft. Beim Einschieben des Eintragselements zusammen mit Antriebselement und Antriebswelle entlang der Längsachse des Rohres wird dadurch eine einfache Montage der Vorrichtung erreicht.

Da das Rohr nicht immer von allen Seiten gleich gut zugäng lich ist, ist gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfin dung vorgesehen, daß das Eintragselement quer zur Längsachse des Rohres in das Rohr einschiebbar ist. Bei der Anordnung des Eintragselements in dem Rohr ist vor allem darauf zu achten, daß der Strömungswiderstand des Eintragselements möglichst gering ist, um den Flüssigkeitsstrom nicht unnötig zu behindern.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Antriebselement ein in Strömungsrichtung verdichten des Turbinenrad, das in dem Eintragselement angeordnet und von einem flüssigkeitsdurchlässigen Rohr umgeben ist, um welches der Membranschlauch gewickelt ist. Beim Durchströmen des Turbinenrades wird die Flüssigkeit nach außen durch das flüssigkeitsdurchlässige Rohr geleitet und umströmt den dort angeordneten Membranschlauch, so daß das Gas in die Flüssig keit hineindiffundieren kann.

Da die Umsatzleistung der Mikroorganismen und deren Konzen tration von der Höhe des Sauerstoffeintrages abhängt, waren bisher für die Sauerstoffanreicherung von Abwasser Behand lungszeiten von bis zu 10 Stunden erforderlich. Um diesen Zeitaufwand zu verringern ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Rohr mehrere, bspw. spiral- oder mäanderförmig hinterein ander geschaltete Windungen aufweist, in denen die Ein tragselemente angeordnet sind. Beim Durchströmen des Rohres fließt somit die Flüssigkeit an einer Vielzahl von Eintrags elementen vorbei, so daß eine wesentlich höhere Gasanreiche rung und damit Reduzierung der Standzeiten ermöglicht wird.

Eine einfache Montage der Eintragselemente in einem derart geformten Rohr wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Eintragselemente in geraden Abschnitten der Windungen an geordnet und in Axialrichtung aus dem Rohr herausziehbar sind. Durch die Bestückung des Rohres mit den Eintrags- und Antriebselementen in Axialrichtung wird außerdem eine kompak te Bauweise ermöglicht.

Um die Gaseintragsleistung weiter zu erhöhen, ist erfin dungsgemäß vorgesehen, daß in einem vorzugsweise geraden Ab schnitt des Rohres mehrere Eintragselemente hintereinander angeordnet sind, und daß die Membranschläuche der Eintrags elemente über Verbindungsleitungen miteinander verbunden sind, so daß alle hintereinander angeordneten Eintragselemen te gemeinsam mit Gas versorgt werden können.

Bei einer Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens sind den hintereinander angeordneten Eintragselementen jeweils An triebselemente zugeordnet, die über eine gemeinsame Antriebs welle mit dem Motor verbunden sind. Eine solche Einheit mehrerer Eintrags- und Antriebselemente läßt sich als Ganzes in das Rohr einführen, so daß eine einfache Montage gewähr leistet ist. Gleichzeitig ermöglichen die den einzelnen Eintragselementen zugeordneten Antriebselemente eine defi nierte Strömungsgeschwindigkeit, so daß der Stoffübergang verbessert wird.

Eine einfache Gasversorgung der Gaszufuhrleitungen der einzelnen Eintragselemente wird bei einer bevorzugten Aus führungsform der Erfindung dadurch erreicht, daß die Gaszu fuhrleitungen mit einer gemeinsamen Ringleitung für die Gasversorgung verbunden sind.

Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, daß der zur Gas versorgung mit seinem einen Ende bzw. über das erste Träger rohr mit der Gaszufuhrleitung verbundene Membranschlauch mit seinem anderen Ende bzw. über das zweite Trägerrohr zur Gaszufuhrleitung zurückgeführt wird. Durch die Rückführung des Membranschlauchs wird ein ständiges Durchströmen des Membranschlauchs bewirkt, das Bewegung in die Gassäule innerhalb des Schlauchsystems bringt und somit zu einer gleichmäßigen Gaskonzentration im Membranschlauch führt.

Reicht die Länge des Rohres nicht aus, um in einer Flüssig keit eine ausreichende Gasmenge einzubringen, so ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Rohr einen geschlossenen Kreislauf bildet, in den über eine Zufuhrlei tung Flüssigkeit zu- bzw. über eine Auslaßleitung abgeführt wird. Die Flüssigkeit kann bei dieser Ausführungsform mittels einer Pumpe so lange in dem Kreislauf umgewälzt werden, bis eine ausreichende Gaskonzentration in der Flüssigkeit er reicht ist. Durch das Vorsehen der Eintragselemente mit den Membranschläuchen kann auch bei einem solchen diskontinuier lichen Betrieb die erforderliche Standzeit zur Begasung der Flüssigkeit gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen wesentlich verkürzt werden.

Abwasser aber auch Rohwasser ist in hohem Maße mit Stickstoff belastet. Der Stickstoff liegt im Abwasser in der Regel als Ammonium (NH₄) vor, das von speziellen Bakterien (Nitrifikan ten) in einem aeroben Prozeß unter Sauerstoffatmung zu Nitrat verarbeitet wird. Um die Stickstoffbelastung des Wassers zu verringern, wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung ein Verfahren zur Denitrifikation von Wasser mit einem oben beschriebenen Reaktor vorgeschlagen, bei dem der Reaktor oder einzelne Reaktorelemente, wie einzelne Eintragselemente oder mehrere, bspw. in einzelnen Windungen hintereinander geschal tete Eintragselemente zunächst mit einer hohen Gasmenge, insbesondere Sauerstoff beaufschlagt werden, und daß dann der Gaseintrag verringert oder beendet wird. Durch die Versorgung der Bakterien mit unterschiedlichen Gasmengen ändert sich der Stoffwechselprozeß. Bei starkem Gas- bzw. Sauerstoffeintrag wird der Stoffwechselprozeß beschleunigt, indem die Bakterien den zusätzlichen Sauerstoff verzehren und das Ammonium in Nitrat umwandeln. Bei Sauerstoffentzug werden die Bakterien dagegen die im Wasser enthaltenen Nitrate und andere Stoffe verzehren, um den Stoffwechselprozeß fortsetzen zu können.

Der Nitratabbau läßt sich erfindungsgemäß dadurch erhöhen, daß der Wechsel der Gaseintragsmenge abrupt erfolgt. Dadurch wird den Bakterien die Möglichkeit genommen, sich auf den Wechsel in der Gaszufuhr einzustellen und sie werden sich aggressiv auf die Nitrate und andere Stoffe stürzen.

Durch eine erfindungsgemäß vorgesehene biologisch orientierte sequentielle Steuerung der Gasversorgung in den einzelnen Reaktorteilen wird eine Dynamik im Stoffwechselprozeß er zeugt, die den Nitratabbau zusätzlich erhöht.

Neben der Verwendung eines oben beschriebenen Reaktors zur Reinigung von Abwässern läßt sich der Reaktor auch zur Belüftung von Oberflächenwasser einsetzen. Bei einer erfin dungsgemäßen Verwendung wird dabei ein Rohrabschnitt, in dem wenigstens ein mit einer Sauerstoffquelle verbundenes Ein tragselement mit einem zugeordneten Antriebselement angeord net ist, in ein Wasserreservoir eingesetzt und das Wasser durch das Antriebselement über das Eintragselement geleitet.

Je nach Größe des Wasserreservoirs müssen dabei erhebliche Wassermengen verarbeitet werden. Dazu kann das Eintragsele ment solange in dem Reservoir verbleiben, bis der gewünschte Sauerstoffgehalt im Wasser erreicht ist. Ggf. muß lediglich der Sauerstoffvorrat regelmäßig aufgefüllt werden.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Verwendung wird in die Flüssigkeit Ozon oder ein anderes keimtötendes Gas einge bracht, um die Flüssigkeit zu entkeimen.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den An sprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reaktor mit einem ersten Eintragselement,

Fig. 2 schematisch die Aufwicklung eines Membran schlauchs auf einem Trägerelement,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Eintragselements,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch ein Eintragselement gemäß Fig. 3,

Fig. 5 einen schematischen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reaktor mit einer weiteren Ausführungsform eines Eintragselements,

Fig. 6 schematisch die Hintereinanderschaltung mehrerer Eintragselemente in einem erfin dungsgemäßen Reaktor,

Fig. 7 eine schematische teilweise geschnitte Sei tenansicht eines erfindungsgemäßen Reaktors,

Fig. 8 eine Draufsicht auf den Reaktor gemäß Fig. 7,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reak tors,

Fig. 10 schematisch einen Ausschnitt aus einer weite ren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors mit quer eingeschobenen Eintrags element, und

Fig. 11 schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung bei der Verwendung des Reaktors zur Belüftung von Oberflächenwasser.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Reaktor ist in einem Rohr 1 ein Eintragselement 2 angeordnet, das im wesent lichen aus einem Membranschlauch 3 besteht, der um eine Stange 4 oder dgl. gewickelt ist.

Der Membranschlauch 3 besteht bspw. aus gaspermeablen Sili konkautschuk und wird über eine Zufuhrleitung 5 mit Gas, insbesondere mit Sauerstoff, versorgt. Das Rohr 1 wird von einer Flüssigkeit, insbesondere zu klärendem Abwasser durch flossen, das durch das Eintragselement 2 und über den Mem branschlauch 3 strömt und durch Diffusion den Sauerstoff aus dem Membranschlauch 3 aufnimmt.

Um die für den Stoffaustausch zur Verfügung stehende Ober fläche des Membranschlauches 3 möglichst groß zu halten, ist der Membranschlauch 3 trommelartig um die Stange 4 oder dgl. gewickelt. Dabei ist es jedoch erforderlich, daß zwischen den einzelnen Lagen des Membranschlauches 3 ein Abstand erhalten bleibt, damit das Abwasser das Eintragselement 2 durchströmen und die gesamte Oberfläche des Membranschlauchs 3 für den Stoffaustausch genutzt werden kann. Dieser Abstand wird dadurch gewährleistet, daß auf dem Membranschlauch 3, ähnlich wie bei einem Abakus, in bestimmten Abständen Kugeln 6 angeordnet sind. Die in der Zeichnung nur vereinzelt dar gestellten Kugeln 6 weisen eine Durchtrittsöffnung 7 für den Membranschlauch 3 auf, so daß sie über den gesamten Umfang des Membranschlauches 3 als Abstandshalter dienen. Die Flüssigkeit kann nun durch die zwischen den einzelnen Lagen des Membranschlauches 3 verbliebenen Freiräume strömen und durch Diffusion 3 Sauerstoff aufnehmen. Die Kugeln 6 sind auf dem Membranschlauch 3, bspw. durch Kleben, arretiert und bestehen aus nicht verrottendem Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material.

Die Flüssigkeit in dem Rohr 1 wird über ein bspw. als Propel ler 8 ausgebildetes Antriebselement angetrieben, um die Stoffübergangsbedingungen an der Phasengrenze zwischen Membranschlauch 3 und Flüssigkeit zu verbessern. Der Propel ler 8 ist über eine in Längsrichtung des Rohres 1 verlaufende Antriebswelle 9 mit einem Motor 10 verbunden, der außerhalb des Rohres 1 angeordnet ist. Ebenso kann der Motor 10 aber auch direkt an dem Eintragselement 2 angeordnet sein.

Die gesamte Einheit von Eintragselement 2, Antriebswelle 9 und Propeller 8 läßt sich in Axialrichtung aus dem Rohr 1 herausziehen, so daß eine einfache Montage und Wartung ermöglicht wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist statt der trommelartigen Aufwicklung des Membranschlauchs 3 vorgesehen, den Membranschlauch 3 nach Art einer Ankerwicklung um ein flüssigkeitsdurchlässiges Trägerelement 11, bspw. aus einem Drahtgeflecht, zu wickeln. Die einzelnen Abschnitte des Membranschlauchs 3 werden spiralförmig um den Wickelkern gelegt, wobei zwischen den einzelnen Schlauchlagen ein Abstand vorgesehen ist, um ein Aneinanderliegen der Schlauch abschnitte zu vermeiden.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Eintragselement 12 weist erste und zweite ringförmige Träger rohre 13, 14 auf, die an die Gaszufuhrleitung 5 angeschlossen sind. Die ersten und zweiten Trägerrohre 13, 14 sind in Fließrichtung hintereinander angeordnet und über Membran schläuche 15 miteinander verbunden. Die Membranschläuche 15 sind über Anschlußstutzen 16, 17 (Fig. 4) mit den Träger rohren 13, 14 verbunden, wobei die Gaszufuhr über in den Anschlußstutzen 16, 17 vorgesehene Ventile 18, 19 regelbar ist. Ist bspw. ein Membranschlauch 15 defekt, so kann die Gaszufuhr speziell für diesen Membranschlauch 15 unterbrochen werden, ohne daß die anderen Membranschläuche 15 davon betroffen würden. Über einstellbare Distanzvorrichtungen 20 kann der Abstand zwischen den ersten und zweiten Trägerrohren 13, 14 derart eingestellt werden, daß die Membranschläuche 15 gespannt sind und dadurch einen definierten Abstand vonein ander haben.

Wie in Fig. 3 dargestellt, können mehrere erste und zweite Trägerrohre 13, 14 konzentrisch um die Längsachse des Rohres 1 oder des Eintragselements 12 angeordnet sein, so daß sich die Anzahl der Membranschläuche 15 und damit die Stoffaus tauschoberfläche erhöhen läßt. Ebensogut können selbstver ständlich die ersten und zweiten Trägerrohre 13, 14 spiral förmig ausgebildet sein, um mehr Membranschläuche 15 vorsehen zu können. Eine analoge Ausbildung des Trägerelements 11 gemäß Fig. 2 in Form konzentrischer oder spiralförmiger Röhren ist ebenfalls möglich.

Bei der in Fig. 5 dargestellten weiteren Ausführungsform weist ein in das Rohr 1 einsetzbares Eintragselement 21 ein in Strömungsrichtung verdichtendes Turbinenrad 22 auf, das in diesem Fall gleichzeitig als Antriebselement für die Strömung dient. Das Turbinenrad 22 ist von einem flüssigkeitsdurch lässigen Rohr 23 umgeben, um das ein Membranschlauch 24 in ähnlicher Weise wie bei Fig. 1 beschrieben gewickelt ist. Aufgrund der Verdichtung der Flüssigkeit durch das Turbinen rad 22 wird die Flüssigkeit nach außen durch das Rohr 23 über den Membranschlauch 24 geleitet und nimmt das Gas, insbeson dere Sauerstoff, durch Diffusion auf.

Zur Erhöhung des Sauerstoffeintrags ist, wie in Fig. 6 dargestellt, vorgesehen, daß in einem Abschnitt des Rohres 1 mehrere Eintragselemente 2, 12, 21 hintereinander geschaltet werden. Die Eintragselemente 2, 12, 21 können dabei wie bei den Fig. 1 bis 5 beschrieben ausgestaltet sein und sind in Fig. 6 nur als Blackbox dargestellt. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit sind in der Zeichnung die als Blackbox dargestellten Eintragselemente 2, 12, 21 lediglich mit dem Bezugszeichen 2 versehen, auf das auch im folgenden stellver tretend Bezug genommen wird. Um eine gemeinsame Sauerstoff zufuhr zu den Membranschläuchen der hintereinandergeschalte ten Eintragselemente 2 zu ermöglichen, sind zwischen den Eintragselementen 2 Verbindungsleitungen 25 vorgesehen, über die der Sauerstoff von einem Eintragselement 2 zum nächsten geleitet wird.

Die Flüssigkeit wird durch Antriebselemente, insbesondere Propeller 8, angetrieben, die den einzelnen Eintragselementen 2 zugeordnet sind, so daß die Flüssigkeit die Eintragselemen te 2 durchströmt und mit Gas angereichert wird. Die Propeller 8 sind über eine gemeinsame Antriebswelle 9 mit dem Motor 10 verbunden. Die gesamte Einheit der Eintragselemente 2, der Propeller 8 und der Antriebswelle 9 läßt sich gemeinsam in Axialrichtung aus dem Rohr 1 herausziehen.

In den Fig. 7 und 8 ist ein erfindungsgemäßer Reaktor dar gestellt, bei dem das Rohr 1 spiralförmig mit mehreren Windungen 26 ausgebildet ist. In vorzugsweise geraden Ab schnitten der Windungen 26 sind ein oder mehrere Eintrags elemente 2 angeordnet, die von der zu begasenden Flüssigkeit durchströmt werden. Wie sich insbesondere aus Fig. 8 ergibt, ist durch eine derartige spiralförmige Ausbildung des Rohres 1 eine äußerst kompakte Ausführung des Reaktors ermöglicht. Auf kleinem Raum läßt sich eine sehr lange Flüssigkeitsbega sungsstrecke anordnen, so daß große Flüssigkeitsmengen verarbeitet werden können.

Den Eintragselementen 2 sind über Antriebswellen 9 mit Motoren 10 verbundene Propeller 8 zugeordnet, die sich zusammen mit den Eintragselementen 2 nach oben aus den Windungen 26 des Rohres 1 herausziehen lassen. Dadurch wird trotz der kompakten Bauweise eine leichte Zugänglichkeit bei Montage und Wartung der Eintragselemente 2 und der Propeller 8 ermöglicht.

Die Sauerstoffversorgung der Eintragselemente 2 erfolgt über eine gemeinsame Ringleitung 27, an die die Gaszufuhrleitungen 5 angeschlossen sind. Die Membranschläuche 3 der Eintrags elemente 2 sind in nicht dargestellter Weise zu den Gaszu fuhrleitungen zurückgeführt, um einen gleichbleibenden Sauerstoffeintrag in die Flüssigkeit zu erreichen.

In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Reaktors dargestellt, bei dem das Rohr 1 in mäander förmigen Windungen 28 geführt ist, in denen jeweils ein Eintragselement 2 angeordnet ist. Auch hierbei wird auf engstem Raum eine möglichst lange Begasungsstrecke mit mehreren hintereinander angeordneten Eintragselementen 2 ermöglicht.

Wie sich aus Fig. 9 ergibt, kann das Rohr 1 des Reaktors einen Kreislauf bilden, dem über eine Zufuhrleitung 29 Flüssigkeit zugeführt wird, die dann mittels einer Pumpe 30 umgewälzt und nach Erreichen einer gewünschten Sauerstoffkon zentration über eine Auslaßleitung 31 abgeführt wird. Glei ches gilt selbstverständlich für die Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8. Die Führung der Flüssigkeit im Kreislauf wird bei einer hohen Schmutzbelastung erforderlich, wenn ein kontinuierlicher Betrieb für den Abbau der Verschmutzung nicht ausreicht.

Bei dem in Fig. 10 dargestellten Ausschnitt aus einem erfin dungsgemäßen Reaktor ist ein Eintragselement 32, das ähnlich wie das Eintragselement 2 aufgebaut ist, quer zur Rohrachse in das Rohr 1 eingeschoben. Die Längs- oder Quereinbringung des Eintragselements 2, 12, 21 oder 32 hängt von den äußeren Gegebenheiten ab, bei denen der Reaktor eingesetzt werden soll. Bei beiden Varianten ist lediglich darauf zu achten, daß der durch die Eintragselemente 2, 12, 21, 32 gebildete Strömungswiderstand möglichst gering ist.

Die übliche Verwendung des erfindungsgemäßen Reaktors liegt vornehmlich in der Sauerstoffanreicherung von zu klärendem Abwasser. Durch die große Diffusionsoberfläche des aufgewic kelten Membranschlauches 3, 15, 24 kann die Sauerstoffein tragsleistung gegenüber herkömmlichen Anlagen wesentlich erhöht werden. Eine zusätzliche Verbesserung der Sauerstoff eintragsleistung erfolgt durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Eintragselemente 2, 12, 21, 32 die nacheinander von dem Abwasser durchströmt werden. Während bei normalen Klär anlagen die Standzeit bis zur Erreichung einer ausreichenden Reinigung etwa 10 Stunden beträgt, ist sie bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Reaktors bis auf 2 Stunden verkürz bar, da aufgrund des besseren Sauerstoffeintrages höhere Raum-/ Umsatzleistungen erreicht werden. Je nach Belastung des zu klärenden Abwassers kann dabei in kontinuierlichem Betrieb gearbeitet werden oder es ist ein diskontinuierliches Umwälzen des Abwassers erforderlich, bis der gewünschte Reinigungsgrad erreicht ist. Beim kontinuierlichen Betrieb sind in den Fig. 7 und 9 dargestellte Ventile 33, 34 in der Zufuhrleitung 29 bzw. der Auslaßleitung 31 geöffnet, während sie beim Umwälzen im diskontinuierlichen Betrieb jeweils geschlossen sind.

Da die Sauerstoffanreicherung des Abwassers in dem Rohr 1 in einem gekapselten System erfolgt, steht das zu klärende Abwasser nicht in direktem Kontakt mit Umgebungsluft. Der erfindungsgemäße Reaktor läßt sich somit in unmittelbarer Nähe von Siedlungen anordnen, ohne daß es zu Geruchsbelästi gungen der Anwohner kommt. Durch eine solche direkte Zuord nung einzelner Reaktoren zu Wohngebieten verringern sich die Transportwege des Abwassers, so daß sich die erforderlichen Kosten beträchtlich reduzieren lassen. Aufgrund der kompakten Ausbildung des Reaktors kann dieser in einem Container untergebracht werden und je nach Bedarf zu den gewünschten Einsatzorten transportiert werden.

Abwasser aber auch Rohwasser ist in hohem Maße mit Stickstoff belastet. Der Stickstoff liegt im Abwasser in der Regel als Ammonium (NH₄) vor, das von speziellen Bakterien (Nitrifikan ten) von einem aeroben Prozeß unter Sauerstoffatmung zu Nitrat verarbeitet wird. Um die Stickstoffbelastung des Wassers zu verringern, wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Reaktor oder einzelne Reaktorelemente, wie einzelne Eintragselemente oder mehrere, bspw. in einzelnen Windungen hintereinander geschaltete Eintragselemente zu nächst mit einer hohen Sauerstoffmenge beaufschlagt und dann der Sauerstoffeintrag abrupt beendet. Durch die Versorgung der Bakterien mit unterschiedlichen Gasmengen ändert sich der Stoffwechselprozeß. Bei starkem Gas- bzw. Sauerstoffeintrag wird der Stoffwechselprozeß beschleunigt, indem die Bakterien den zusätzlichen Sauerstoff verzehren und das Ammonium in Nitrat verwandeln. Bei Sauerstoffentzug verzehren die Bakte rien dagegen die im Wasser enthaltenen Nitrate und andere Stoffe, um den Stoffwechselprozeß fortsetzen zu können. Durch die abrupte Beendigung der Sauerstoffzufuhr wird den Bakte rien die Möglichkeit genommen, sich auf den Wechsel in der Gaszufuhr einzustellen und sie stürzen sich aggressiv auf die Nitrate und andere Stoffe. Durch eine biologisch orientierte sequentielle Steuerung der Gasversorgung in den einzelnen Reaktorteilen wird eine Dynamik im Stoffwechselprozeß er zeugt, die den Nitratabbau zusätzlich erhöht.

Neben der Klärung von Abwasser kann die Erfindung aber auch auf verschiedensten anderen Gebieten eingesetzt werden. So spielt bspw. bei der Wasseraufbereitung die Begasung von Flüssigkeiten eine große Rolle. Aufgrund der Umweltbelastung drohen eine Vielzahl von Teichen, Seen oder sogar ganzen Fjorden umzukippen. Dies ist auf einen zu geringen Sauer stoffgehalt des Wassers zurückzuführen. Mit der Erfindung kann auf einfache Weise Sauerstoff in derartige Gewässer eingebracht werden, ohne aufwendige Installationen vornehmen zu müssen.

In Fig. 11 ist schematisch dargestellt, wie ein erfindungs gemäßer Reaktor zur Belüftung von Oberflächenwasser einge setzt werden kann. Ein Rohrabschnitt 35 wird an einem Schwimmelement 36 befestigt, in dem auch ausreichende Sauer stoffvorräte aufgenommen sein können und in ein Wasserreser voir 37 eingesetzt. In dem Rohrabschnitt 35 ist in o.b. Weise wenigstens ein nicht dargestelltes Eintragselement aufgenom men. Die Flüssigkeit wird durch einen ebenfalls nicht dar gestellten Propeller oder dgl. Antriebselement durch das Ein tragselement geleitet und nimmt über den Membranschlauch Sauerstoff auf.

Der Reaktor kann mit dem Schwimmelement 36 beliebig auf der Oberfläche verschoben werden und der Rohrabschnitt 35 kann in die gewünschte Tiefe abgesenkt werden. In manchen Seen ist nämlich bereits jegliches Leben in tieferen Schichten auf grund Sauerstoffmangels abgestorben, während in oberen Wasserschichten noch ausreichend Sauerstoff vorhanden ist. Mit der Erfindung kann somit auch gezielt Sauerstoff in gewünschte Wasserschichten eingebracht werden.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit der Erfindung liegt in der Begasung von Trinkwasser bspw. mit Ozon zur Entkeimung.

Schließlich läßt sich der erfindungsgemäße Reaktor auch auf umgekehrtem Wege zur Entgasung oder Denitrifikation von Flüssigkeiten nutzen. Dazu wird ein Eintragselement mit dem Membranschlauch in die zu entgasende Flüssigkeit eingesetzt und entzieht der Flüssigkeit durch Adsorption in den Membran schlauch das oder die gewünschten Elemente. Ein wichtiger Einsatzbereich dieser Verwendung ist bspw. die Grundwasser entgiftung.

Bezugszeichenliste

1 Rohr
2 Eintragselement
3 Membranschlauch
4 Stange
5 Gaszufuhrleitung
6 Kugel
7 Durchtrittsöffnung
8 Propeller
9 Antriebswelle
10 Motor
11 Trägerelement
12 Eintragselement
13 erstes Trägerrohr
14 zweites Trägerrohr
15 Membranschläuche
16 Anschlußstutzen
17 Anschlußstutzen
18 Ventile
19 Ventile
20 Distanzvorrichtung
21 Eintragselement
22 Turbinenrad
23 Rohr
24 Membranschlauch
25 Verbindungsleitung
26 Windungen
27 Ringleitung
28 Windungen
29 Zufuhrleitung
30 Pumpe
31 Auslaßleitung
32 Eintragselement
33 Ventil
34 Ventil
35 Rohrabschnitt
36 Schwimmelement
37 Wasserreservoir

Claims

1. Reaktor zur Anreicherung von Flüssigkeiten mit Gasen mit wenigstens einem gaspermeablen Membranschlauch (3, 15, 24), in den das Gas über eine Gaszufuhrleitung (5) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Membran schlauch (3, 15, 24) in einem von der Flüssigkeit durchström ten Rohr (1) angeordnet ist und daß eine Vielzahl von Ab schnitten des wenigstens einen Membranschlauchs (3, 24) oder eine Vielzahl von Membranschläuchen (15) nebeneinander angeordnet sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranschlauch (3, 24) in dem Rohr (1) oder einem in das Rohr (1) einsetzbaren Eintragselement (2, 12, 32) bspw. trommelartig aufgewickelt ist.

3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranschlauch (3, 24) in dem Rohr (1) oder einem in das Rohr (1) einsetzbaren Eintragselement (2, 21, 32) nach Art einer Ankerwicklung auf ein insbesondere flüssigkeitsdurch lässiges Trägerelement (11) aufgewickelt ist.

4. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rohr (1) ein Eintragselement (12) vorgesehen ist, daß das Eintragselement (12) erste und zweite vorzugsweise ringförmi ge, an die Gaszufuhrleitung (5) anschließbare Trägerrohre (13, 14) mit Anschlußstutzen (16, 17) für die Membranschläu che (15) aufweist, und daß die ersten und zweiten Trägerrohre (13, 14) über die Membranschläuche (15) miteinander verbunden sind.

5. Reaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (11) oder die ersten und zweiten Trägerrohre (13, 14) spiralförmig ausgebildet sind.

6. Reaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Trägerelemente (11) oder erste und zweite Träger rohre (13, 14) konzentrisch um die Längsachse des Rohres (1) oder des Eintragselements (2, 12, 21, 32) angeordnet sind.

7. Reaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ersten und zweiten Träger rohren (13, 14) einstellbare Distanzvorrichtungen (20) vorgesehen sind und daß der Abstand zwischen den ersten und zweiten Trägerrohren (13, 14) derart gewählt ist, daß die Membranschläuche (15) zwischen den ersten und zweiten Träger rohren (13, 14) im wesentlichen gespannt sind.

8. Reaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß in den Auslaßstutzen (16, 17) der ersten und/oder zweiten Trägerrohre (13, 14) Ventile (18, 19) angeordnet sind.

9. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Membranschlauch (3, 24) Ab standshalter angeordnet sind.

10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter auf dem Membranschlauch (3, 24) in bestimmten Abständen arretiert sind.

11. Reaktor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter aus nicht verrottendem Material, insbesondere nicht verrottendem Kunststoff, bestehen.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter Kugeln (6) mit einer Durchtrittsöffnung (7) für den Membranschlauch (3, 24) sind.

13. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eintragselement (2, 12, 21, 32) ein Antriebselement (8, 22) zugeordnet ist.

14. Reaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement ein Propeller (8), Turbinenrad oder dgl. ist.

15. Reaktor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeich net, daß das Antriebselement (8) über eine Antriebswelle (9) mit einem Motor (10) verbunden ist, wobei die Antriebswelle (9) vorzugsweise entlang der Längsachse des Rohres (1) verläuft.

16. Reaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement ein in Strömungsrichtung verdichtendes Turbinenrad (22) ist, das in dem Eintragselement (21) an geordnet und von einem flüssigkeitsdurchlässigen Rohr (23) umgeben ist, um welches der Membranschlauch (24) gewickelt ist.

17. Reaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintragselement (2, 12, 21) mit dem Antriebselement (8, 22) entlang der Längsachse des Rohres (1) in das Rohr (1) einschiebbar ist.

18. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintragselement (2, 12, 21, 32) quer zur Längsachse des Rohres (1) in das Rohr (1) einschiebbar ist.

19. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) mehrere bspw. spiral- oder mäanderförmig hintereinander geschaltete Windungen (26, 28) aufweist, in denen die Eintragselemente (2, 12, 21, 32) angeordnet sind.

20. Reaktor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintragselemente (2, 12, 21, 32) in geraden Abschnitten der Windungen (26, 28) angeordnet und in Axialrichtung aus dem Rohr (1) herausziehbar sind.

21. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in einem vorzugsweise geraden Abschnitt des Rohres (1) mehrere Eintragselemente (2, 12, 21, 32) hintereinander angeordnet sind, und daß die Membranschläuche (3, 15, 24) der Eintragselemente (2, 12, 21, 32) über Verbin dungsleitungen (25) miteinander verbunden sind.

22. Reaktor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß den hintereinander angeordneten Eintragselementen (2, 12, 32) jeweils Antriebselemente (8) zugeordnet sind, die über eine gemeinsame Antriebswelle (9) mit dem Motor (10) verbunden sind.

23. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhrleitungen (5) der Eintrags elemente (2, 12, 21, 32) mit einer gemeinsamen Ringleitung (27) für die Gasversorgung verbunden sind.

24. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Gasversorgung mit seinem einen Ende bzw. über das erste Trägerrohr (13) mit der Gaszufuhr leitung (5) verbundene Membranschlauch (3, 24) mit seinem anderen Ende bzw. über das zweite Trägerrohr (14) zur Gaszu fuhrleitung (5) zurückgeführt ist.

25. Reaktor nach Anspruch 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) einen geschlossenen Kreislauf bildet, mit einer Zufuhrleitung (29) und einer Auslaßleitung (31) für die Flüssigkeit sowie einer Pumpe (30).

26. Verfahren insbesondere zur Denitrifikation von Abwasser und/ oder Rohwasser mittels eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor oder einzelne Reaktorelemente, wie einzelne Eintragselemente (2, 12, 21, 32) oder mehrere, bspw. in einzelnen Windungen (26, 28) hintereinander geschaltete Eintragselemente (2, 12, 21, 32) zunächst mit einer hohen Gasmenge, insbesondere Sauerstoff beaufschlagt werden, und daß dann der Gaseintrag verringert oder beendet wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel der Gaseintragsmenge abrupt erfolgt.

28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeich net, daß die Gasversorgung der hintereinandergeschalteten Eintragselemente (2, 12, 21, 32) oder Gruppen von Eintrags elementen (2, 12, 21, 32) vorzugsweise biologisch orientiert sequentiell gesteuert wird.

29. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Belüftung von Oberflächenwasser, dadurch gekennzeich net, daß ein Rohrabschnitt (35), in dem wenigstens ein Eintragselement (2, 12, 32) mit einem zugeordneten Antriebs element (8) angeordnet ist, in ein Wasserreservoir (37) eingesetzt wird, und daß das Wasser durch das Antriebselement (8) über das Eintragselement (2, 12, 32) geleitet wird.

30. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Entkeimung von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß über den Membranschlauch (3, 15, 24) Ozon oder andere keimtötende Gasse in die Flüssigkeit eingebracht werden.