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Dokumentenidentifikation DE102005050997B4 04.10.2007
Titel Verfahren und Reaktor zur anaeroben Behandlung von Abwasser
Anmelder Aquatyx Wassertechnik GmbH, 88212 Ravensburg, DE
Erfinder Knörle, Ulrich, 88289 Waldburg, DE;
Widak, Klaus, 88048 Friedrichshafen, DE
Vertreter Zounek, Plate, Schweitzer Patentanwaltskanzlei, 65203 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 25.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005050997
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.10.2007
IPC-Hauptklasse C02F 3/28(2006.01)A, F, I, 20051025, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C12P 5/02(2006.01)A, L, I, 20051025, B, H, DE   C12M 1/107(2006.01)A, L, I, 20051025, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anaeroben Behandlung von Abwasser mittels eines anaeroben Aufström-Schlammbettes UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) in einem Reaktor, durch Flotations-Trennung von Reaktorwasser, Biomasse und Biogas in einem ersten Abscheider, Trennung von Reaktorwasser und Biogas in einem zweiten Abscheider oberhalb des ersten Abscheiders, wobei ein Teil der als Schlamm oder Pelletschlämmung vorliegenden Biomasse im Kreislauf innerhalb des Reaktors geführt wird sowie einen Reaktor zur anaeroben Behandlung von Abwasser.

Das UASB-Verfahren wird bevorzugt eingesetzt zur Behandlung von Abwasser, das mit organischen Verunreinigungen belastet ist, wobei die Verunreinigungen in gelöster und ungelöster Form vorliegen. Das Anaerobic Sludge Blanket oder anaerobe Schlammbett enthält verschiedene Bakterienspezies, von denen einige zunächst die ungelösten organischen Verunreinigungen teilweise in wasserlösliche Stoffe – hauptsächlich organische Fettsäuren umsetzen und hydrolisieren. Hieran anschließend werden die gelösten Stoffe durch im Schlammbett enthaltene anaerobe Mikroorganismen in Biogas umgewandelt und so das Abwasser gereinigt. Biogas ist ein Gasgemisch aus den Bestandteilen Methan und Kohlendioxid sowie Schwefelwasserstoff und anderen Spurengasen. Wird nun vorausgesetzt, daß genügend Biomasse für den Abbau der im Wasser enthaltenen Stoffe verfügbar ist, ergibt sich die optimale hydraulische Aufenthaltszeit für das zu reinigende Wasser im Reaktor aus dem Verschmutzungsgrad, ausgedrückt beispielsweise als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und dem gewünschten Reinigungsgrad. Es ist bekannt, daß unter günstigen Bedingungen bereits bei hydraulischen Aufenthaltszeiten im Bereich von wenigen Stunden Reinigungsgrade von mehr als 90% erreichbar sind.

Derart hohe Leistungen lassen sich jedoch nur dann dauerhaft erzielen, wenn es gelingt, eine ausreichend große Menge an Biomasse dauerhaft im Reaktor zu halten oder gar einen Biomasse-Zuwachs zu erreichen. Die Wachstumsrate der anaeroben Biomasse liegt im Bereich von ca. 0,05·d–1 und ist damit im Vergleich mit aerober Biomasse um ca. eine Größenordnung geringer. Es ist sicherzustellen, daß zumindest gleich viel Biomasse im Reaktor neu gebildet wird, wie ständig ausgeschwemmt wird. Im ungünstigsten Fall eines hohen hydraulischen Durchflusses mit einer niedrigen CSB-Konzentration ergibt sich ein erhöhtes Risiko für ein Ausschwemmen von Biomasse aus dem Reaktor, da die Bildungsrate für neue Biomasse auch abhängig vom zur Verfügung stehenden Substrat bzw. dem CSB des zugeführten Abwassers ist. Hieraus ist ersichtlich, daß der effektiven Biomasse-Rückhaltung eine entscheidende Bedeutung in Bezug auf die Leistungsfähigkeit eines anaeroben Reaktors zukommt.

In bekannten Anaerob-Reaktoren treten aufgrund der intensiven Produktion von Biogas hohe Aufströmgeschwindigkeiten von mehreren m/h auf. Sofern die Mikroorganismen nicht durch besondere Kultivierung auf speziellen Trägern fixiert sind, bewirkt die hohe Aufströmgeschwindigkeit eine Selektion von Spezies, die natürliche Aggregate bilden. Dieser Selektionsprozeß beruht darauf, daß Spezies die keine Aggregate bilden, leichter sind, daher vermehrt aus dem Reaktor geschwemmt und schließlich von den aggregierenden Spezies verdrängt werden. Dieser Selektionsprozeß erstreckt sich über Zeiträume von mehreren Monaten bis einigen Jahren und führt zur Bildung einer speziellen Schlammform, die gemeinhin als granulierter Schlamm oder auch „Pelletschlamm" bezeichnet wird. Diese „Pellets" haben eine Sinkgeschwindigkeit im Wasser von 50 bis 150 m/h, wohingegen Schlammflocken mit ca. 1 m/h absinken.

Typischerweise liegen die Schlammpellets als kugel- oder linsenförmiges Granulat mit Durchmessern von ca. 0,5 bis 2 mm vor. Das Granulat besteht in der Regel aus einem porösen Kalkgerüst, das im Laufe des Selektionsprozesses gebildet wird. Die Bakterien siedeln dabei nicht nur auf der Oberfläche des Granulats – wie beispielsweise bei einem massiven, geschlossenen Trägergranulat eines Festbett-Reaktors – sondern sind auch auf den inneren Oberflächen des Kalkgerüstes zu finden.

Durch die Tätigkeit der Mikroorganismen wird Biogas gebildet, das einerseits als Gasblasen aufsteigt, andererseits auch an der Biomasse anhaftet. Durch die teilweise Umhüllung der Pellets mit Biogas sinkt das spezifische Gewicht der Pellets unter die Dichte von Wasser und die Pellets steigen auf. Die nach oben treibenden Pellets werden durch entsprechend angeordnete Gashauben eingefangen und geben dort nach und nach das Gas wieder ab. Die Ablösung des Gases vom einzelnen Pellet wird durch den im Reaktor nach oben hin abnehmenden hydrostatischen Druck dadurch verstärkt, daß das Gas kompressibel ist und sich bei abnehmendem äußeren Druck ausdehnt. Die am Pellet anhaftenden Gasblasen werden mit abnehmendem Druck größer. Die aufgrund der Auftriebsbewegung im Wasser einwirkenden Reibungs- und Scherkräfte haben damit eine größere Angriffsfläche und die Ablösung der Gasblase vom Pellet wird begünstigt. Durch das Ablösen des Gases vom einzelnen Pellet steigt das spezifische Gewicht des Pellets wieder an, so daß dieses in den unteren Bereich des Reaktors zurücksinkt, wo der Prozeß von Neuem beginnt. Durch die Gasbildung und -ablösung von Pellets kommt ein Kreislauf aus Flotation und Sedimentation in Gang.

Für die Umsetzung der organischen Verunreinigungen spielt der Stofftransport bzw. die Diffusion an der Oberfläche der Schlammpellets eine maßgebliche Rolle. Die Stärke des Diffusionsstromes eines bestimmten Stoffes ist proportional zu dessen Konzentrationsgefälle vom Abwasser zu den Mikroorganismen im Schlammpellet. Letzteres ist teilweise von einer Hülle aus anhaftendem Biogas umgeben. Das Konzentrationsgefälle und die Diffusion sind umgekehrt proportional zur Dicke dieser anhaftenden Gashülle. Der Umsatz von organischen Verbindungen und damit verbunden die Effizienz des Reinigungsverfahrens läßt sich somit steigern, indem die den Schlammpellets anhaftende Hülle aus Biogas möglichst schnell abgelöst wird. Es ist hinlänglich bekannt, daß die den Schlammpellets anhaftende Gashülle durch hohe Turbulenz, d.h. durch große Geschwindigkeitsgradienten verringert wird. Allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, daß zu heftige Umwälzungen im Reaktor und die damit verbundenen mechanischen Scherkräfte den Wachstumsprozeß der Schlammpellets nachhaltig stören oder verhindern können. Im Extremfall kann das fragile Granulat sogar zerstört werden. Dementsprechend ist eine effektive Umwälzung bzw. Kreislaufführung der Biomasse mit schonender Gasabscheidung erstrebenswert.

EP 0 170 332 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur anaeroben Behandlung von Abwasser mittels UASB, bei dem ein Behälter verwendet wird, in dessen unteren Bereich das zu reinigende Abwasser geleitet und aus dessen oberen Bereich das gereinigte Abwasser abgeleitet wird. Im Behälter sind anaerobe Mikroorganismen tätig. Zwischen dem Abwassereinlaß und dem Überlauf für das gereinigte Abwasser befinden sich im Behälter übereinandergestapelte Gassammler in Form von Hauben, deren oberer Bereich über eine Leitung mit einer Gas-Schlamm-Trenneinrichtung verbunden ist. Durch die Tätigkeit der Mikroorganismen wird Gas erzeugt, das sich am Schlamm anlagert, so daß dieser als sogenannter Schwimmschlamm nach oben aufschwimmt. Dieser Schwimmschlamm wird durch die Haube eingefangen und gibt nach und nach sein Gas wieder ab, so daß er wieder schwerer wird und als sogenannter Sinkschlamm zurück auf den Boden sinkt. Das von den Pellets abgegebene Gas steigt zusammen mit den von den Hauben eingefangenen, freien Gasblasen weiter in den Leitungen nach oben und reißt dabei Schwimmschlammpartikel und Flüssigkeit mit, die in der Gas-Schlamm-Trennkammer abgetrennt werden. Das Gas wird zweckmäßigerweise abgeführt, während die mitgerissene Flüssigkeit, die auch Schlammpartikel enthalten kann, in eine Falleitung gelangt, die zurück auf den Boden des Behälters führt. Dadurch soll der Sinkschlamm am Boden aufgewirbelt werden, was zu einer Auflockerung der Schlammzone im Bodenbereich und einer besseren Vermischung der Mikroorganismen mit dem ankommenden Abwasser führen soll. Da Wasser jedoch relativ schwer ist, ist die Menge des durch das aufschwimmende Gas transportierbaren Abwassers und somit auch die Verwirbelungsleistung des rückgeführten Abwassers begrenzt. Weiterhin ist bekannt, daß Abwasserreaktoren dieser Art über Reaktorhöhen von mindestens 11 m verfügen müssen, bevor der dort beschriebene Effekt eintritt.

EP 0 244 029 A1 beschreibt einen UASB-Reaktor der mit einer Vorrichtung zur Trennung der drei Phasen Wasser, Schlamm und Biogas ausgestattet ist. Die Trennvorrichtung umfaßt Gashauben, die über Durchtrittsöffnungen mit einem Gassammelkasten verbunden sind, wobei die Durchtrittsöffnungen im oberen Bereich der Gashauben unterhalb des Haubenfirstes angeordnet sind. Zusätzlich ist jede Gashaube im Inneren mit Rückhaltekästen ausgerüstet. Die Rückhaltekästen und die Durchtrittsöffnung sind so gestaltet, daß sich ein Gaspolster ausbildet, welches als Barriere für Wasser und Schlamm fungiert.

WO 99/51532 lehrt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur anaeroben Reinigung von Abwasser in einem Abwasser und Schlamm aufnehmenden Behälter unter Gasentwicklung. Das sich entwickelnde Gas wird durch einen Gassammler aufgefangen und der durch das aufsteigende Gas angetriebene Kreislauf wird zum Auflockern des auf den Boden des Behälters abgesunkenen Sinkschlamms verwendet. Durch einen Gashebeeffekt des aufsteigenden Gases wird der Sinkschlamm vom Boden abgesaugt und getrennt vom Abwasser in den oberen Bereich des Behälters und zurück in das Abwasser geleitet.

DE- 199 31 085 A1 unterscheidet sich von der zuvor abgehandelten WO99/51532 A1 dadurch, dass eine Ansaugöffnung einer Steigleitung bzw. eine Ansaugleitung im oberen Bereich eines Behälters mündet, unterhalb der Überlaufs für das gereinigte Wasser, d.h. knapp unterhalb des Wasserspiegels. Dies bedeutet, dass sich die Ansaugöffnung oberhalb der beiden Sammelsysteme befindet, die übereinander angeordnet sind. Das untere Sammelsystem dient zur Sammlung von Gas und schwimmfähigem Schlamm und steht in Strömungsverbindung mit zumindest der Steigleitung, um die flüssige Schlammmischung durch die Auftriebswirkung des Gases nach oben zu bewegen, wobei die Steigleitung in eine Gas und Flüssigkeit voneinander trennende Trenneinrichtung mündet. Ein Mischer am Ausgang des unteren Sammelsystems zum Vermischen von Gas und Schlamm zu einem Reaktorwasser freiem Gemenge, das der Trennvorrichtung zugeführt wird, ist nicht vorhanden.

Die DE 40 42 223 A1 betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen mechanischen und anaeroben Reinigung sinkstoffhaltigen Abwassers in einem Reaktor. Das sinkstoffhaltige Abwasser strömt in die Beruhigungszone des Reaktors so ein, dass die Beruhigungszone im wesentlichen frei von Turbulenzen bleibt und die Sinkstoffe in der Beruhigungszone sedimentieren. Das von den Sinkstoffen im wesentlichen gereinigte Abwasser reagiert in der Reaktionszone des Reaktors mit Biomasse, wobei Biomasse sowie Schweb- und Schwimmstoffe des Abwassers flotieren und der chemische Sauerstoffbedarf des Abwassers verringert wird. Nach der Flotation wird eine wesentliche Menge der Biomasse von der Flotte getrennt und die Biomasse dem Reinigungsprozess wieder zur Verfügung gestellt sowie die Flotte mit dem im Sauerstoffbedarf verminderten Abwasser isoliert. Bei dem Verfahren wird eine einzelne Gasabscheidungseinrichtung eingesetzt. Es sind Rückhaltevorrichtungen vorhanden, die zusammen mit einer Wand eines Gassammeldomes sowie im einzelnen nicht dargestellten Vorrichtungen Gas- und auch Schwimm- oder Schwebstoffe zurückhalten.

EP 0 711 732 A2 beschreibt ein Modul für einen Reaktor zur anaeroben Reinigung von Abwasser, enthaltend eine den Wasserstand im Modul festlegende obere Überlaufschwelle für das gereinigte Abwasser, mehrere über den ganzen Modulquerschnitt gestaffelt angeordnete Auffanghauben für Biogas mit einer Ableitung in einen Gassammelraum und eine obere Abzugsleitung für die von den Abzugshauben nicht erfaßte Abluft. Oberhalb des jeweiligen Abscheiders wird die biogasreiche Luft in einen Gassammelraum geführt. Die Entnahme des Biogases aus den Auffanghauben erfolgt über eine kurze Rohrleitung.

Untersuchungen haben gezeigt, daß lediglich 10 bis 20 % der im Reaktor vorhandenen Biomasse aktiv am Reinigungsprozeß teilnimmt. 80 bis 90 % der vorhandenen Biomasse liefert praktisch keinen Beitrag zur Reinigung des Abwassers. Dementsprechend kommt der Rückführung von Biomasse sowie der schonenden Abscheidung von Biogas eine entscheidende Bedeutung für die Leistungsfähigkeit des UASB-Verfahrens zu.

Die bekannten Verfahren offenbaren keine Methode zur effektiven und schonenden Rückführung von Biomasse. Aufgrund ihrer Konstruktion mit verwinkelten und engen Leitungen begünstigen die bekannten Vorrichtungen Verstopfungen durch mitgeführten Schlamm. Im Fall einer Verstopfung sind die kritischen Anlagenteile von außen praktisch nur mit Spezialwerkzeugen, wie z.B. gekrümmten oder flexiblen Schiebern zugänglich, was Reinigung und Wartung erheblich erschwert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Reaktor zur anaeroben Behandlung von Abwasser bereitzustellen, bei denen ein größerer Anteil der im Schlammbett vorhandenen Biomasse aktiv an der Reinigung des Abwassers beteiligt wird, eine teilweise Vermischung von Biogas und Biomasse vor dem Eintritt in einen Steigleitung zu einem Gasseparator unter Vermeidung von Verstopfungen der Steigleitung erfolgt und der Durchsatz an Biomasse durch einen Gasseparator erhöht wird. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Weise durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

  • (a) Vermischung von Biogas und Biomasse zu einem Biogemenge nach dem Austritt aus dem ersten Abscheider,
  • (b) Förderung des Biogemenges und des im zweiten Abscheider abgetrennten Biogases zu einem Gasabscheider,
  • (c) Abscheidung des Biogases, das im Verfahrensschritt (b) anfällt, im Gasabscheider unter Freisetzung der Biomasse, und
  • (d) Rückführung der freigesetzten Biomasse bis unterhalb des Schlammbettes UASB.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Anteil von rückgeführter zu gesamter Biomasse im Reaktor pro Tag größer 0,1·d–1, insbesondere größer 2·d–1 und besonders bevorzugt größer 10·d–1.

Ferner hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, einen Reaktor zur anaeroben Behandlung von Abwasser mittels eines anaeroben Aufström-Schlammbettes (Upflow Anaerobic Sludge Blanket = UASB) zu schaffen, umfassend einen Reaktortank. Leitungen, einen Abwassermischer, einen ersten und mindestens einen zweiten Abscheider zur Flotationstrennung von Reaktorwasser, Biomasse und Biogas, wobei der zweite Abscheider vertikal über dem ersten Abscheider angeordnet ist, jeder Abscheider eine oder mehrere Gashauben aufweist und die Gashauben des ersten Abscheiders mit einem oder mehreren Mischern zur Vermischung von Biomasse und Biogas zu einem Biogemenge verbunden sind und die Mischer über eine Leitung an einen Gasseparator zur Trennung von Biomasse und Biogas angeschlossen sind.

Neben hoher Effizienz und Durchsatz ermöglicht die Erfindung eine einfache und kostengünstige Konstruktion eines Reaktors mit geringer Verstopfungsneigung, direktem Zugang zu kritischen Anlagenteilen und damit verbunden verringertem Wartungsaufwand.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 einen Reaktor mit Biomasse-Kreislauf

2 Gashauben eines ersten und eines weiteren Abscheiders

3a-3b Gashauben mit gemeinsamem Mischer

3c-3d Gashauben mit separaten Mischern

4a-4d Vermischung von Biogas und Biomasse in einem Mischer

5a-5d verschiedene erfindungsgemäße Mischer

6a-6b Mischer mit Rückhaltekasten und Wartungsöffnung

7 Abscheider mit übereinander angeordneten Gashauben

8 Mischer mit zwei Einlaßkanälen

1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Reaktor, umfassend einen Reaktortank 1, Leitungen 22 bis 26, einen Abwassermischer 2, einen ersten und einen zweiten Abscheider 33, 35 zur Trennung von Reaktorwasser 7, Biomasse 8 und Biogas 9, einen Mischer 5 zur Vermischung von Biomasse 8 und Biogas 9 und einen Gasseparator 6 zur Trennung von Biomasse 8 und Biogas 9. Der zweite Abscheider 35 ist vertikal über dem ersten Abscheider 33 angeordnet. Jeder Abscheider 33, 35 weist mindestens eine Gashaube 3, 4 auf, wobei die Gashaube(n) 3 des ersten Abscheiders 33 mit dem Mischer 5 verbunden ist/sind. Über die Leitung 22 wird dem Reaktor organisch belastetes Abwasser zugeführt und von dem in einer Bodenzone 30 angeordneten Abwassermischer 2 unter leichter Wirbelbildung in eine Fermentationszone 31 abgegeben. Gereinigtes Abwasser wird über die im oberen Bereich des Reaktors angeordnete Leitung 25 abgeführt. In der Fermentationszone 31 befindet sich die Biomasse 8 als Bett aus Schlamm oder Granulatschlämmung. Die in der Biomasse 8 enthaltenen Bakterien bauen die organischen Inhaltsstoffe des Abwassers ab, wobei Biogas 9 gebildet wird. In der Fermentationszone 31 geht das Biogas 9 teilweise in Lösung in das Reaktorwasser 7 über, zum anderen Teil bildet es feine Bläschen die an der Biomasse 8 haften oder frei im Reaktorwasser 7 aufsteigen. Die an der Bildung von Biogas 9 beteiligte Biomasse 8 wird durch das anhaftende Biogas 9 leichter als das Reaktorwasser 7 und beginnt ebenso wie die freien Gasbläschen aus der Fermentationszone 31 in eine erste Driftzone 32 aufzusteigen. Das von der Biomasse 8 erzeugte Biogas 9 verursacht eine aufwärts gerichtete Strömung sowohl von Biomasse 8 wie auch von Reaktorwasser 7.

Oberhalb der ersten Driftzone 32 ist der erste Abscheider 33 mit einer oder mehreren Gashauben 3 (siehe 2) angeordnet. Die freien Bläschen aus Biogas 9 fangen sich in den Gashauben 3 und bilden ein Gaspolster. Direkt unterhalb des Gaspolsters bildet sich eine Flotationsschicht bestehend aus mit Biogas 9 durchsetzter Biomasse 8. Aus den Gashauben 3 strömen Biomasse 8 und Biogas 9 in den Mischer 5. Der Mischer 5 weist eine besondere Gestalt auf, die in Verbindung mit den hydrostatischen Druckverhältnissen und der Strömungsdynamik im Mischer 5 bzw. in der mit dem Mischer 5 verbundenen Leitung 23 eine intensive Vermischung und/oder Verwirbelung von Biomasse 8 und Biogas 9 zu einem Biogemenge bewirkt. Vom Mischer 5 wird das Biogemenge über die Leitung 23 in den Gasseparator 6 gefördert. Wie zuvor die Vermischung beruht die Förderung des Biogemenges auf den hydrostatischen und strömungsdynamischen Verhältnissen, die im folgenden kurz erörtert werden. In den Gashauben 3 herrscht ein Druck, der sich aus der Summe der über dem Abscheider 33 lastenden hydrostatischen Säule aus Reaktorwasser 7 und dem Umgebungsdruck von 1 atm ergibt und der je nach Füllhöhe des Reaktors bis zu 2 atm beträgt. Demgegenüber fällt der Druck in der Leitung 23 stetig ab auf den Druckwert in dem mit Leitung 23 verbundenen Abscheider 35. Der Abscheider 35 ist nahe der Oberfläche der Wassersäule angeordnet, so daß der dort herrschende Gesamtdruck nur geringfügig höher als der Umgebungsdruck von 1 atm ist. Vom Abscheider 35 zum Gasseparator 6 fällt der Druck gegebenenfalls weiter auf 1 atm ab. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Druck im Gasseparator 6 über ein Durchflußregelventil 27 in der Leitung 26 steuerbar. Hierbei dient das Durchflußregelventil 27 primär zur Steuerung des Volumens des abfließenden Biogases 9 und damit zur Steuerung der Dicke der Gaspolster in den Gashauben 3, 4.

Die Förderung in der Leitung 23 basiert auf dem Prinzip der kommunizierenden Röhren, wobei die Flüssigkeitssäule im Reaktor über dem Abscheider 33 dem ersten Arm eines U-förmigen Rohres, die mit Biogemenge und Biogas 9 gefüllte Leitung 23 dem zweiten Arm und die Gashauben 3 mit den Mischern 5 dem gekrümmten Teil des U entsprechen. Die Leitung 23 verläuft im Reaktortank 1, wie 1 zeigt. Ebenso ist es vorgesehen, daß die Leitung 23 teilweise oder vollständig außerhalb des Reaktortanks 1 angeordnet ist.

Neben dem Prinzip der kommunizierenden Röhren kann auch die strömungsdynamische Mitführung des Biogemenges durch schnell strömendes Biogas 9 genutzt werden. Ein hohe Gasbildungsrate im Reaktor in Verbindung mit kleinem Querschnitt der Leitung 23 bewirkt hohe Geschwindigkeit und Turbulenz im abströmenden Biogas 9, wodurch das Biogemenge in dem Mischer 5 und in der Leitung 23 mitgerissen wird. Um die strömungsdynamische Förderung des Biogemenges zu verstärken, ist es vorteilhaft, den Querschnitt der Leitung 23 um einen Faktor 1 : 60 bis 1 : 400 kleiner als den Querschnitt des Reaktortanks zu dimensionieren. Die Mischer 5 und die Leitung 23 befinden sich bevorzugt im Reaktortank 1, können jedoch ebenso zum Teil oder vollständig außerhalb des Reaktortanks 1 angeordnet sein.

Der Großteil der mit Biogas 9 durchsetzten flotierenden Biomasse 8 wird im Abscheider 33 aufgefangen und zum Gasseparator 6 gefördert. Das Reaktorwasser 7, das durch den Abscheider 33 hindurch in eine zweite Driftzone 34 gelangt, führt nur eine geringe Menge flotierender Biomasse 8 mit. In der Driftzone 34 nimmt der hydrostatische Druck stetig bis auf 1 atm ab. Hierdurch bildet das der flotierenden Biomasse 8 anhaftende Biogas 9 zunehmend größere Blasen, die sich schließlich ablösen. Durch die Ablösung des Biogases 9 nimmt das spezifische Gewicht der Biomasse 8 wieder zu, so daß diese auf den Boden des Reaktors zurücksinkt. Die Abschirmung durch den ersten Abscheider 33 in Verbindung mit der erhöhten Gasabgabe in der Driftzone 34 bewirkt, daß das Reaktorwasser 7, das an die Oberfläche der Wassersäule im Reaktor gelangt und über die Leitung 25 abgeführt wird, praktisch frei von Biomasse 8 ist. Das in den Gashauben 4 gesammelte Biogas 9 strömt über die Leitung 23 in den Gasseparator 6. Die Gashauben 4 sind in einem geringen Abstand unterhalb der Oberfläche der Wassersäule im Reaktor angeordnet, so daß der hydrostatische Druck geringfügig höher als 1 atm ist, wodurch das Biogas 9 aus den Gashauben 4 zum Gasseparator 6 gefördert wird.

Im Gasseparator 6 werden die im Biogemenge enthaltene Biomasse 8 und das Biogas 9 getrennt. Aus dem Gasseparator 6 fließt die Biomasse 8 unter Einwirkung der Schwerkraft über die Leitung 24 in den Reaktor zurück. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Leitung 24 mit Leitung 22 verbunden, so daß die rückgeführte Biomasse 8 mit zufließendem Abwasser vermischt wird.

2 zeigt einen Schnitt durch die Abscheider 33, 35 mit den Gashauben 3, 4. Bevorzugt sind die Gashauben 3, 4 Hohlkörper mit einer polygonalen oder halbkreisartig gekrümmten Hüllwand in Form eines umgekehrten V oder umgekehrten U mit einer nach unten weisenden Öffnung 18. Jede der Gashauben 3 ist durch ebene Stirnwände begrenzt, wobei mindestens eine Stirnwand eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen 19 für Biomasse 8 und Biogas 9 aufweist. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung bilden die Mischer 5 mindestens eine der Stirnwände der Gashauben 3. In Ausgestaltung der Erfindung sind die Durchtrittsöffnungen (19) im oberen Bereich der Stirnwand unterhalb des Firstes der Gashauben (3) angeordnet. Ähnlich zu den Gashauben 3 sind auch die Gashauben 4 durch ebene Stirnwände begrenzt, wobei mindestens eine Stirnwand Durchtrittsöffnungen 21 für Biogas 9 aufweist. Das in den Gashauben 4 gesammelte Biogas 9 gelangt über die Durchtrittsöffnungen 21 und die Leitung 23 in den Gasseparator 6. Die Durchtrittsöffnungen 21 sind mittels separater Verbindungsleitungen oder mittels Sammelleitungen an die Leitung 23 angeschlossen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Durchtrittsöffnungen (21) im oberen Bereich der Stirnwand unterhalb des Firstes der Gashauben (4) angeordnet. Wie in 2 dargestellt, sind die Gashauben 3, 4 in jedem der Abscheider 33, 35 in zwei oder mehreren übereinander liegenden horizontalen Ebenen angeordnet. In einer Ebene sind die Gashauben 3, 4 jeweils parallel und voneinander beabstandet angeordnet. Durch die Spalte zwischen benachbarten Gashauben 3, 4 tritt aufsteigendes Reaktorwasser 7 hindurch und strömt nach oben. In jedem der Abscheider 33, 35 sind die Reihen der Gashauben 3, 4 in übereinander liegenden Ebenen derart zueinander versetzt, daß die vertikalen Projektionen der Öffnungen 18 der Gashauben 3, 4 eine geschlossene Fläche bilden, die den Innenquerschnitt des Reaktortanks 1 teilweise oder vollständig abdeckt. Durch diese labyrinthartige Anordnung der Gashauben 3, 4 werden Biomasse 8 und Biogas 9 praktisch vollständig aufgefangen.

Wie in 3a in Draufsicht und in 3b in Seitenansicht gezeigt, umfaßt die Erfindung eine Ausführungsform mit einem ersten Abscheider 33, bei dem mehrere – z.B. in einer horizontalen Ebene angeordnete – Gashauben 3 mit dem Mischer 5 verbunden sind. Des weiteren können auch die in zwei oder mehreren horizontalen Ebenen übereinander angeordneten Gashauben 3 mit einem gemeinsamen Mischer 5 verbunden sein (siehe 7).

Eine alternative, in den 3c und 3d in Draufsicht und Seitenansicht dargestellte Ausführungsform der Erfindung betrifft einen ersten Abscheider 33 bei dem die Gashauben 3 jeweils mit separaten Mischern 5 verbunden sind. In dieser Ausführungsform sind die Mischer 5 z.B. über eine Sammelleitung oder über separate Verbindungsleitungen an die Leitung 23 angeschlossen.

Die 4a bis 4d illustrieren die Funktionsweise der Mischer 5. Die Mischer 5 sind Hohlkörper mit einem oder mehreren Einlässen 10 für Biomasse 8 und Biogas 9, einer oder mehreren Durchführungen 11 und einem oder mehreren Kanälen 20 sowie einer oder mehreren Auslaßöffnungen 12, die über die Leitung 23 mit dem Gasseparator 6 verbunden sind. In dem in den 4a bis 4d gezeigten Beispiel bildet der Mischer 5 eine stirnseitige Begrenzung der Gashauben 3. Das in den Gashauben 3 aufgefangene Biogas 9 und die darunter liegende Schicht aus flotierender Biomasse 8 strömen durch die Einlässe 10 in den Mischer 5. In 4a ist eine Situation dargestellt, in der die im Mischer 5 befindliche Biomasse 8 den Kanal 20 verschließt, so daß das Biogas 9 daran gehindert ist, über die Auslaßöffnung 12 abzuströmen. Durch die fortgesetzte Gasbildung im Reaktor wächst die Dicke des Gaspolsters in der Gashaube 3 stetig an, der Pegel der Biomasse 8 wird unter die Einlässe 10 abgesenkt und im Mischer 5 wird die Biomasse 8 – wie in 4b und 4c gezeigt – über den Kanal 20 und die Auslaßöffnung 12 aus dem Mischer 5 verdrängt und über die Leitung 23 in den Gasseparator 6 gefördert. In Folge kann Biogas 9 in verstärktem Maße abströmen, wodurch das Gaspolster in der Gashaube 3 abnimmt, der Pegel der flotierenden Biomasse 8 ansteigt und – wie in 4d dargestellt – erneut Biomassse 8 in den Mischer 5 strömt.

5a bis 5d zeigen weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Mischern 5, bei denen die Einlässe 10 untere und obere Begrenzungen 14, 15 und die Durchführungen 11 obere Begrenzungen 17 aufweisen und die Begrenzungen 17 der Durchführungen 11 tiefer als die oberen Begrenzungen 15 der Einlässe 10 angeordnet sind. Die Kanäle 20 sind beispielsweise jeweils rohrförmig und verlaufen geradlinig vertikal nach oben. Bei den Weiterbildungen gemäß den 5a, 5b und 5d sind die Mischer 5 so gestaltet, daß die oberen Begrenzungen 17 der Durchführungen 11 tiefer als die unteren Begrenzungen 14 der Einlässe 10 angeordnet sind. 5d illustriert einen Mischer 5, der als U-förmiges Rohr ausgestaltet ist.

6a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Mischer 5 auf ihrer Innenseite mit einem oder mehreren Rückhaltekästen 13 ausgestattet sind. Die Rückhaltekästen 13 umschließen die Einlässe 10 und weisen an ihrer Unterseite Öffnungen 16 auf, die tiefer als die Einlässe 10 angeordnet sind. Durch die Öffnungen 16 und die Durchführungen 11 gelangt das Biogemenge in die Kanäle 20.

6b illustriert ein weitere, auf die einfache Wartung und Reinigung der Mischer 5 und der Leitung 23 gerichtete Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform sind die Mischer 5 an ihrer Unterseite mit einer Wartungsöffnung 29' und einem Deckel 29'' ausgestattet, wobei der Deckel 29'' die Wartungsöffnung 29' gasdicht verschließt.

7 veranschaulicht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der der Mischer 5 innerhalb des Reaktortanks 1 angeordnet und mit einer nach unten weisenden Öffnung 28 versehen ist. Wie in 7 gezeigt, ist der Mischer 5 mit in zwei (oder mehreren) horizontalen Ebenen angeordneten Gashauben 3 verbunden. Alternativ hierzu können die Gashauben 3 jeweils mit separaten Mischern 5 der in 7 gezeigten Bauform versehen sein.

In 8 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Mischer 5 dargestellt, bei der die Einlässe 10 einen ersten Einlaßkanal 20' für Biogas und einen zweiten Einlaßkanal 20'' für Biomasse umfassen. Die Einlaßkanäle 20', 20'' sind horizontal angeordnet oder in Richtung der Durchführung 11 abwärts geneigt. Der erste Einlaßkanal 20' ist oberhalb von dem zweiten Einlaßkanal 20'' angeordnet und die obere Begrenzung 17 der Durchführung 11 liegt unterhalb der unteren Begrenzung 14 des zweiten Einlaßkanals.


Anspruch[de]
Verfahren zur anaeroben Behandlung von Abwasser mittels eines anaeroben Aufström-Schlammbettes UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) in einem Reaktor, durch Flotations-Trennung von Reaktorwasser, Biomasse und Biogas in einem ersten Abscheider, Trennung von Reaktorwasser und Biogas in einem zweiten Abscheider oberhalb des ersten Abscheiders, wobei ein Teil der als Schlamm oder Pelletschlämmung vorliegenden Biomasse im Kreislauf innerhalb des Reaktors geführt wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

(a) Vermischung von Biogas und Biomasse zu einem Biogemenge nach dem Austritt aus dem ersten Abscheider,

(b) Förderung des Biogemenges und des im zweiten Abscheider abgetrennten Biogases zu einem Gasabscheider,

(c) Abscheidung des Biogases, das im Verfahrensschritt (b) anfällt, im Gasabscheider unter Freisetzung der Biomasse, und

(d) Rückführung der freigesetzten Biomasse bis unterhalb des Schlammbettes UASB.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) Biogas und Biomasse hydrostatisch gemischt und/oder strömungsdynamisch miteinander verwirbelt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Biogemenge in Schritt (b) hydrostatisch und/oder strömungsdynamisch gefördert wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (d) die rückgeführte Biomasse mit Abwasser vermischt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von rückgeführter zu gesamter Biomasse im Reaktor pro Tag größer 0,1·d–1, insbesondere größer 2·d–1 und besonders bevorzugt größer 10·d–1 ist. Reaktor zur anaeroben Behandlung von Abwasser mittels eines anaeroben Aufström-Schlammbettes (Upflow Anaerobic Sludge Blanket = UASB), umfassend einen Reaktortank (1), Leitungen (22 bis 26), einen Abwassermischer (2), einen ersten und mindestens einen zweiten Abscheider (33, 35) zur Flotations-Trennung von Reaktorwasser (7), Biomasse (8) und Biogas (9), wobei der zweite Abscheider (35) vertikal über dem ersten Abscheider (33) angeordnet ist, jeder Abscheider (33, 35) eine oder mehrere Gashauben (3, 4) aufweist und die Gashauben (3) des ersten Abscheiders (33) mit einem oder mehreren Mischern (5) zur Vermischung von Biomasse (8) und Biogas (9) zu einem Biogemenge verbunden sind und die Mischer (5) über eine Leitung (23) an einen Gasseparator (6) zur Trennung von Biomasse (8) und Biogas (9) angeschlossen sind. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischer (5) mittels separater Verbindungsleitungen oder mittels Sammelleitungen an die Leitung (23) angeschlossen sind. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Leitung (23) um einen Faktor 1 : 60 bis 1 : 400 kleiner als der Querschnitt des Reaktortanks (1) ist. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (23) teilweise oder vollständig außerhalb des Reaktortanks (1) angeordnet ist. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischer (5) Hohlkörper sind mit einem oder mehreren Einlässen (10) für Biomasse (8) und Biogas (9), einer oder mehreren Durchführungen (11) und einer oder mehreren Auslaßöffnungen (12), wobei die Einlässe (10) untere und obere Begrenzungen (14, 15) und die Durchführungen (11) obere Begrenzungen (17) aufweisen und die Begrenzungen (17) tiefer als die Begrenzungen (15) und tiefer als die Auslaßöffnungen (12) angeordnet sind. Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Begrenzungen (17) der Durchführungen (11) tiefer als die unteren Begrenzungen (14) der Einlässe (10) angeordnet sind. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Mischer (5) auf seiner Innenseite mit einem oder mehreren Rückhaltekästen (13) ausgestattet ist, dass die Rückhaltekästen (13) die Einlässe (10) umschließen, dass die Unterseiten der Rückhaltekästen (13) Öffnungen (16) aufweisen und dass die Öffnungen (16) tiefer als die unteren Begrenzungen (14) der Einlässe (10) und tiefer als die Auslaßöffnungen (12) angeordnet sind. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe (10) einen ersten Einlaßkanal (20') für Biogas und einen zweiten Einlaßkanal (20'') für Biomasse umfassen, dass die Einlaßkanäle (20', 20'') horizontal angeordnet oder in Richtung der Durchführung (11) abwärts geneigt sind und dass der erste Einlaßkanal (20') über dem zweiten Einlaßkanal (20'') angeordnet ist. Reaktor nach den Ansprüchen 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischer (5) mit Wartungsöffnungen (29') und Deckeln (29'') ausgestattet sind, wobei die Deckel (29'') die Wartungsöffnungen (29') gasdicht verschließen. Reaktor nach den Ansprüchen 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischer (5) teilweise oder vollständig außerhalb des Reaktortanks (1) angeordnet sind. Reaktor nach den Ansprüchen 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischer (5) innerhalb des Reaktortanks (1) angeordnet sind. Reaktor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischer (5) eine oder mehrere nach unten weisende Öffnungen (28) aufweisen. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gashauben (3, 4) Hohlkörper mit einer polygonalen oder halbkreisartig gekrümmten Hüllwand in Form eines umgekehrten V oder umgekehrten U mit einer nach unten weisenden Öffnung (18) sind. Reaktor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Gashauben (3) durch zwei ebene Stirnwände begrenzt sind, wobei mindestens eine Stirnwand eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen (19) für Biomasse (8) und Biogas (9) aufweist. Reaktor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (19) im oberen Bereich der Stirnwand unterhalb des Firstes der Gashauben (3) angeordnet sind. Reaktor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Gashauben (3) durch ebene Stirnwände begrenzt sind, wobei die Mischer (5) mindestens eine der stirnseitigen Begrenzungen der Gashauben bilden. Reaktor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Gashauben (4) durch ebene Stirnwände begrenzt sind, dass mindestens eine Stirnwand Durchtrittsöffnungen (21) für Biogas (9) aufweist und dass die Durchtrittsöffnungen (21) über die Leitung (23) mit dem Gasseparator (6) verbunden sind, wobei die Durchtrittsöffnungen (21) über separate Verbindungsleitungen oder über Sammelleitungen an die Leitung (23) angeschlossen sind. Reaktor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (21) im oberen Bereich der Stirnwand unterhalb des Firstes der Gashauben (4) angeordnet sind. Reaktor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Gashauben (3, 4) in den Abscheidern (33, 35) in zwei oder mehreren übereinander liegenden horizontalen Ebenen angeordnet sind, dass die Gashauben (3, 4) einer Ebene parallel und voneinander beabstandet angeordnet sind, dass zwischen benachbarten Gashauben (3, 4) einer Ebene ein Spalt für den Durchtritt von Reaktorwasser (7) vorhanden ist und dass in jedem der Abscheider (33, 35) die Reihen der Gashauben (3, 4) in übereinander liegenden Ebenen derart zueinander versetzt sind, dass die vertikalen Projektionen der Öffnungen (18) der Gashauben (3, 4) eine geschlossene Fläche bilden, die den Innenquerschnitt des Reaktortanks (1) teilweise oder vollständig abdeckt. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasseparator (6) im Reaktortank (1) und oberhalb des obersten Abscheiders (35) angeordnet ist. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasseparator (6) außerhalb des Reaktortanks (1) und oberhalb des obersten Abscheiders (35) angeordnet ist. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasseparator (6) über die Leitungen (24, 22) mit dem Abwassermischer (2) verbunden ist. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasseparator (6) zur Ableitung von Biogas (9) mit der Leitung (26) verbunden ist. Reaktor nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (26) mit einem Durchflußregelventil (27) ausgerüstet ist.






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