PROCESS AND APPARATUS FOR MAINTANING A FINE GAS DISPERSION IN LIQUIDS

Abstract: 1. Process for maintaining a fine gas dispersion in liquids, wherein the gases are fed into the upper half of a vertically arranged circulation device under simultaneous mechanical revolution with a defined velocity of flow and by defined hydrostatic pressure, characterized in that the produced microbubbles are transported against their lifting force and with a greater velocity of flow in the down stream than in the up stream into the lower horizontal part of the device and in that pulsations and microwhirls are produced in the riser part of the device and afterwards an outgassing of the liquid takes place.

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer Feinstdispersion von Gasen in Flüssigkeiten Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufrechterhaltung einer Feinstdispersion von Gasen in Flüssigkeiten und auf eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, wobei insbesondere an die aerobe Abwas ser- und Klärschlammbehandlung sowie Rlärschlammverwer- tung und -entsorgung gedacht ist. Bei vorbekannten Verfahren werden Gase, Luft oder Sauerstoff, unter Druck, unter Ueberwindung des hydrostatischen Druckes, in Klärbecken oder Türme eingebracht, wobei die Auftriebskraft der Gasbläschen eine kurze biologische Reaktionszeit bewirkt, was zu einer langen Be handlungsdauer für die gewünschte biologische Reaktion in der Flüssigkeit führt. Die Verwendung von Umwälzpumpen und Rührern unter Zufuhr von Gasen ist ebenfalls bekannt, ebenso Oberflächen- und Submersbelüftung. Ausser der erforderlichen langen Behandlungszeit ist allen diesen bekannten Verfahren gemeinsam, dass sie einerseits einen aufwendigen Bau- und Platzbedarf und andererseits einen hohen Energieaufwand benötigen. Es ist demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Ausführung anzugeben, mittels welcher eine Feinstdispersion von Gasen in einer Flüssigkeit erreicht und aufrechterhalten werden kann, womit die biologisch erforderliche Behandlungszeit und der Energiebedarf erniedrigt werden und somit eine wesentliche Verringerung des Aufwandes an Baukosten und des Platzbedarfs für Kläranlagen oder Reinigungs- und Prozessanlagen erreicht wird. Diese Aufgabe wird mit einem in den Ansprüchen beschriebenen Verfahren und Vorrichtung gelöst. Die Erfindung wird im folgenden anhand einer einzigen .#i#nung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, das schematisch einen Bio-Umlaufreaktor dar stellt. Man erkennt den vertikal angeord#neten Bio-Umlaufreaktor 1 mit einem Gaseinlass 2, der in vorliegendem Fall als Submersbelüfter 3 ausgebildet ist.,Dieser weist eine angepasste Diffusionsrotorgestaltung und Strömungsleitein ric-htung auf, um unmittel-bar unter der Flüssigkeitsober fläche Gase, vorzugsweise Luft, bei geringst vorhandenem hydrostatischen Druck unter gleichzeitiger Umwälzung der Flüssigkeit, somit bei geringstem Energieaufwand in 'de finierbarer Menge einzutragen. Die Leistung des Submersbelüfters muss ausreichend sein, um die als Mikrobläs chen feinstdispergierte Luft entgegen der Auftriebskraft nach abwärts zu befördern, wobei die Strömungsrichtung der Dispersion in diesem Falle im Gegenuhrzeigersinn, siehe Pfeil, verläuft. Im vertikalen Teil 4, in welchem sich die Dispersion nach abwärts bewegt, befindet sich ein Wärmeaustauscher 5, mit welchem entweder Fremdwärme, die ¯bei der Anfahrphase eventuell benötigt wird, zuge führt oder Prozesswärme abgeführt werden kann, die durch die bakterielle Reaktion entsteht. Im unteren horizonta len Teil 6 befindet sich eine Umwälzeinrichtung 7, die beispielsweise ein Schneckenförderer oder dergleichen sein kann. Eine solche Umwälzeinrichtung wird benötigt, falls die Flüssigkeit hoch viskos ist, beispielsweise zäher Schlamm, während sie bei Abwässern, Molke oder an deren niedrig viskosen Flüssigkeiten nicht benötigt wird Im vertikalen Teil 8, in welchem die Dispersion nach oben strömt, sind Mittel 9 zur Erzeugung von Pulsationen und Mikrowirbel angeordnet. Diese Mittel haben die Auf gabe den Strömungsquerschnitt zu verengen und zu erweitern und können beispielsweise als wellrohrähnliche Hindernisse oder verschiedenste Schikanen ausgebildet sein. Die dadurch erzeugten Pulsationen und Mikrowirbel haben die Aufgabe, die Koaleszenz der Mikrobläschen entscheidend zu verhindern und durch immer wieder erfolgendes Zerteilen der Gasbläschen die Kontaktzeit zwischen Gas und Flüssigkeit bei grösster Phasengrenzfläche zu ver längeren und durch wechselnden Druckaufbau und Entspannung einen erhöhten Reaktionsgrad zu erreichen. Am Ende des vertikalen Teils 8 befindet sich ein Flüssigkeitsablauf 10 mit einer Entgasungseinrichtung 11. Die Entgasungseinrichtung kann aus einem Zyklon oder einer ähnlichen Einrichtung bestehen, die dazu geeignet ist, das in der Flüssigkeit vorhandene Gas möglichst vollständig zu entfernen, damit nur entgaste Flüssigkeit dem Submersbelüfter zum erneuten Gaseintrag zugeführt wird. Zwischen dem Flüssigkeitsablauf 10 und dem Gaseinlass 2 befindet sich der Flüssigkeitseinlass 12 mit einer Regel- und Dosiereinrichtung, um jeweils die für das Verfahren günstigste Menge der zu behandelnden Flüssigkeit zuführen zu können. Dem Submersbelüfter 3 wird die Luft über eine Regeleinrichtung 13 zugeführt, die vorzugsweise den An saugguerschnitt der Gaszufuhr steuert, um die erforderliche Gasmenge oder Zusammensetzung beeinflussen zu kön nen. Der abwärtsführende Teil 4 des Reaktors weist einen vielfach kleineren Querschnitt auf als der aufwärtsfüh- rende Teil 8, vorzugsweise einen vier bis acht Mal kleineren Querschnitt. Dadurch wird erreicht, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Abwärtsstrom wesentlich erhöht wird. Dies ist erforderlich, um in definierter Geschwindigkeit den Auftrieb der Gasbläschen zu überwinden und die Mikrobläschen möglichst in voller Zahl unter dem zusätzlichen hydrostatischen Druck, der durch die Bauhöhe gegeben ist, in die untere horizontale Querverbindung 6 mitzureissen. Durch diese Bauweise wird die für die biologische Reaktion erwünschte lange Kontaktzeit zwischen Gas und Flüssigkeit erreicht, die dann durch die Verringerung der Umwälzgeschwindigkeit in der Aufstiegsphase infolge des grösseren Durchmessers und Volumens noch wesentlich erhöht wird. Aus obiger Beschreibung.geht hervor, dass die durch den Submersbelüfter eingebrachte Luft in Form von Gasbläschen im abwärts gerichteten Teil infolge des zunehmenden hydrostatischen Drucks zu immer kleiner werdenden -Mikrobläschen verkleinert werden, wodurch der Sauerstofftransfer wesentlich erhöht wird, und dass diese Mikrobläschen durch die Hindernisse 9 daran gehindert werden, sich zu vereinigen, wodurch die grosse Xontaktflä- che erhalten bleibt. Dies führt dazu, dass die Sauer stoff-Eintragsleistung durch Luftzufuhr, bei vergleichbarem Energieaufwand, um ein Vielfaches erhöht und maximale Sauerstoffnutzung erreicht werden konnte und sich die biologisch erforderliche Behandlungszeit der Flüssigkeit um ein Vielfaches erniedrigte. In diesem Bioreaktor können Abwässer und Klärschlämme im aerob-mesophilen oder wahlweise im aerob-thermophilen Bereich gefahren werden. Eine Bauhöhe von 4 bis 8 m, vorzugsweise 6 m, hat sich als günstig erwiesen, doch kommen selbstverständlich auch andere Dimensionen in Frage. Während es vorteilhaft ist, den Gaseinlass im horizontalen Teil des Reaktors anzuordnen, ist es auch möglich, diesen an einem anderen Ort in der oberen Hälfte des Reaktors vorzusehen, wobei allerdings ein höherer Energieaufwand zum Einbringen erforderlich ist. Ausserdem ist es nicht unbedingt erforderlich, einen Submersbelüfter zu verwenden Andere bekannte Einrichtungen zum Einbringen und Mischen von Gasen können auch verwendet wer den. Es sind auch andere Querschnittsrelationen zwischen dem abwärts und aufwärtsführenden Teil möglich, doch sollte der Querschnitt des abwärtsführenden Teils nicht grösser sein als derjenige des aufwärtsführenden Teils. Das oben beschriebene Verfahren und die Vorrichtung ist nicht nur für die Behandlung von Abwässer und Klärschläm- men geeignet, sondern beispielsweise auch zur Behandlung von Flüssigmist, Molke und Schlempe. Der Wärmeaustauscher muss sich nicht notwendigerweise im abwärtsführenden Teil befinden und kann auch an einem anderen Ort angeordnet sein. Die Vorrichtung kann auch als unter Ueberdruck stehender Reaktor gefahren werden. Infolge der wesentlichen Verkleinerung der Anlagen und der dadurch erzielbaren Einsparung an Aufwand bei Industrie- und Kommunalkläranlagen und anderen Anlagen ist es möglich, diese vermehrt in Industrie und kleinen Gemeinden einzusetzen,

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Aufrechterhaltung einer Feinstdisper sion von Gasen in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeich net, dass die Gase in der oberen Hälfte einer verti kal angeordneten Umlaufvorrichtung unter gleichzei tigem mechanischen Umwälzen eingebracht werden und die entstandenen Mikrobläschen entgegen ihrer Auf triebskraft mit einer definierten Strömungsgeschwin digkeit und bei definiertem hydrostatischen Druck in den unteren horizontalen Teil der Vorrichtung beför dert werden und dass im aufwärtsführenden Teil der Vorrichtung Pulsationen und Mikrowirbel erzeugt wer den und anschliessend eine Entgasung der Flüssigkeit erfolgt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase mittels eines Submersbelüfters in die obere Horizontalverbindung der Umlaufvorrichtung eingebracht werden 3. Vertikal angeordnete Umlaufvorrichtung zur Ausfüh rung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Gaseinlass und einem Flüssigkeitseinlass und -auslass, dadurch gekennzeichnet, dass der abwärts führende Teil (4), einen kleineren oder höchstens gleichen Querschnitt aufweist als der aufwärtsfüh rende Teil (8), dass der Gaseinlass (2) in der obe ren Hälfte angeordnet ist, und der aufwärtsführende Teil Mittel (9) zur Erzeugung von Pulsationen und Mikrowirbeln aufweist. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass (2) ein Submersbelüfter (3) ist und im oberen horizontalen Verbindungsteil angeord net ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, dass der Querschnitt des abwärtsführenden Teils (4) vier bis acht Mal kleiner ist als derjeni ge des aufwärtsführenden Teils (8). 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da durch gekennzeichnet, dass sie einen Wärmeaustau scher (5) aufweist. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass die Mittel (9) zur Erzeu gung von Pulsationen und Mikrowirbel wellrohrähnli che Hindernisse enthalten. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da durch gekennzeichnet, dass sie eine Umwälzeinrich tung (7) aufweist. 9.. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, da durch gekennzeichnet, dass die Entgasungseinrichtung (11), insbesondere Zyklon, am Flüssigkeitsauslass (10) angeordnet ist. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, da durch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitseinlass (12) eine Regel- und Dosiereinrichtung aufweist. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, da durch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass (2) eine Regeleinrichtung (13) für die Gaszufuhr aufweist. 12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass bei Ueberdruck gearbeitet wird.

Inventors: BREUER, HANS, RINDELAUB, FRANK, VELEBIL, GERHARD
Applicants: BRV TECHNOLOGIE-SYSTEME AG
Application year: 1982
Main classification: C02F3
IPC codes: C02F3, B01F5, C02F1