DE4008676A1 - Verfahren und vorrichtung zur aeroben abwasserbehandlung - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur aeroben abwasserbehandlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aeroben
Abwasserbehandlung durch Zugabe von
Oxidationsmitteln und Mischung desselben mit dem zu
abehandelnden Wassern, sowie eine Vorrichtung zu
seiner Durchführung.
Bei der aeroben Abwasserbehandlung besteht das
allgemeine Problem, ein sauerstofflieferndes
Oxidationsmittel in dem zu behandelnden Wasser zu
lösen und den Sauerstoff an die zu oxidierenden
Substanzen heranzubringen. Der eigentliche
Oxiditionsvorgang als exoterme Reaktion läuft
spontan ab. Üblicherweise wird eine solche
Abwasserbehandlung in Oxiditionsbecken oder
Oxiditionsteichen durchgeführt, daß heißt in flachen
Behältern mit geringer Wassersäule. Das zu
behandelnde Wasser wird in diese Becken oder Teiche
eingeleitet, und als Oxidationsmittel wird in aller
Regel Luft über ein Verteilersystem zugeführt.
Aufgabe dieses Verteilersystems ist es, die Luft in
Form von möglichst kleinen Bläschen einzutragen, da
die Lösung und damit die Ausnutzung des
eingetragenen Sauerstoffes wesentlich von der Größe
der Bläschen abhängt. Die mit den bekannten
Verteilersystemen erreichbare Bläschengröße ist für
einen hohen Sauerstoffeintrag noch zu groß, vor
allem deshalb, weil die Verweilzeit wegen der
geringen Wassersäule für einen effektiven
Sauerstoffaustausch nicht ausreicht.
Aus diesem Grunde wurde versucht, den Sauerstoffein
trag mit Hilfe von in die Reaktionsbecken
eingehängten Rührwerken, Propellern und
Ejektorbelüftern zu erhöhen. Beispiele dafür sind
der "Fuchs-Umwelsbelüfter" der Fa. F. G. W Fuchs Gas-
und Wassertechnik und der "Submersible Aerator"
PODB-I der Fa. Landia. Die mit diesen Einrichtungen
erreichbare Verbesserung des Sauerstoffeintrages ist
jedoch sehr begrenzt.
Es wurde daher mit Fermentern, d. h. geschlossenen
Behältern mit Rührwerken - teilweise großer Bauhöhe
- versucht, den Sauerstoffeintrag zu verbessern bzw.
zu optimieren (siehe hierzu Chemie-Technik 8.
Jahrgang "1979" Nr. 7, S. 330/331 und
Chemie-Ingenieurtechnik 51 "1979" Nr. 4, S. 288-294).
Dies geschah jedoch nur mit bedingtem Erfolg,
da auch hierbei immer noch ein zu großer Anteil des
eingetragenen Sauerstoffes ungenutzt bleibt.
Bei Verwendung von flüssigen oder in Flüssigkeiten
gelösten Oxidationsmitteln anstelle von Luft besteht
die Schwierigkeit, diese in den meist sehr hohen
Reaktionsbehältern gleichmäßig genug zu verteilen,
da es sich dabei um sehr kleine Mengen im Verhältnis
zu der zu behandelnden Wassermenge handelt.
Besonders problematisch ist ein Heranbringen des
Oxidationsmittels, d. h. des Sauerstoffes an die zu
oxidierenden Substanzen bei hochviskosen oder bei
schleimigen Substanzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den
Sauerstoffeintrag bei der aeroben Abwasserbehandlung
wesentlich zu verbessern und damit die
Abwasserbehandlung wirtschaftlicher zu machen und
zwar sowohl hinsichtlich der Betriebskosten als auch
der Investitionskosten.
Diese Aufgabe wir bei einem Verfahren der eingangs
beschriebenen Art dadurch gelöst, daß zu
behandelndes Wasser und Oxiditionsmittel im
Scherfeld einer Rotor-Stator-Maschine, wie sie
beispielsweise in der EP OS 87 10 85 684 beschrieben
ist, zugeführt werden, in welchem die Komponenten in
kleinste Mengeneinheiten zerteilt und unter der
Einwirkung hoher Scherkräfte und hochfrequenter
Wechselbeanspruchung intensiv gemischt werden und
daß während der Behandlung in diesem Scherfeld ein
hoher Leistungseintrag in das Gemisch erfolgt. Bei
einem solchen Verfahren wird durch die extrem hohe
Scherfrequenz, der diese Mischung ausgesetzt ist,
sowohl eine praktisch homogene Mischung des
Oxidationsmittels mit dem zu behandelnden Wasser,
als auch ein gegenüber den herkömmlichen Verfahren
wesentlich erhöhter Sauerstoffaustausch erreicht.
Diese Wirkung wird durch die erwähnte, hohe
Scherfrequenz und die extremen
Druck-Wechsel-Beanspruchungen durch die ineinander
greifenden Werkzeuge dieser Rotor-Stator-Maschine
erzielt. Dieses Druckwechselfeld beschleunigt die
Sauerstoff-Austausch-Vorgänge ganz erheblich. Die
beiden Komponenten werden beim Durchgang durch die
Bohrungen oder Zahnlücken der ineinandergreifenden
Werkzeugringe dieser Maschine bei Frequenzen
über 500 Hz in kleinste Volumeneinheiten zerteilt,
gemischt und umverteilt. Dies wird dadurch erreicht,
daß bei den sehr geringen Werkzeugabständen von
0,1 bis 0,5 mm wie sie in der Rotor-Stator-Maschine
realisiert sind, wirkliche Scherungen auftreten.
Neben der Verbesserung des Sauerstoffeintrages mit
einer optimalen Umverteilung als
verfahrenstechnischem Vorteil, d. h. einem sich in
Folge daraus ergebenden wesentlich verbesserten
biologischen Abbau, ergeben sich weitere Vorteile
wie eine Verringerung der Anlagengröße bzw. des
Anlagenvolumens, was gleichbedeutend ist mit
geringeren Baukosten oder aber die Möglichkeit einer
Leistungserhöhung bei bestehenden Anlagen, was bei
beengten Platzverhältnissen besonders wichtig sein
kann, und der mögliche Wegfall der sonst üblichen
Verteilereinrichtungen.
Bei Verwendung eines gasförmigen Oxiditionsmittels,
wobei es sich vorzugsweise um Luft oder ggf. um
reinen Sauerstoff handelt, wird das Gas im Scherfeld
der Rotor-Stator-Maschine in extrem kleine Bläschen
zerteilt, wie sie mit den bekannten Verfahren nicht
erreichbar sind. Durch die bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren erreichbaren sehr kleinen Bläschen ergibt
sich eine extrem große, aktive Austauschfläche.
Diese sehr kleinen Bläschen werden durch die mit
hoher Drehzahl (750 bis 7500 Umdrehungen pro
Minute) umlaufenden Werkzeuge mit dem zu
behandelnden Wasser, bei ständiger
Grenzflächenerneuerung mit einer Frequenz von 1-20 MHz
äußerst intensiv gemischt.
Im Scherfeld der Rotor-Stator-Maschine werden
ständig neue Grenzflächen zwischen Luft bzw.
Sauerstoff und dem zu behandelnden Wasser geschaffen
und bei ungesättigtes Wasser in Kontakt mit den
Gasbläschen gebracht. Die Wasserschicht, die sich
an den aktiven Flächen der Werkzeuge der
Rotor-Stator-Maschine ausbildet, wird sofort mit
Luft bzw. Sauerstoff gesättigt.
Eine wesentliche Größe beim Luft-/ bzw.
Sauerstoffeintrag ist die Leistungsdichte
(Leistungseintrag/m3). Anders formuliert: Bei
höherer Raumbelastung des Abwassers mit oxidierbarem
Material besteht ein höherer Sauerstoffverbrauch pro
Volumen- und Zeiteinheit. Davon wird die Baugröße
einer Abwasseranlage wesentlich beeinflußt. Bei
besserer Sauerstoffausnutzung ergeben sich kleinere
Reaktionsvolumina und somit geringere
Investitionskosten. Durch den Einsatz des
erfindungsgemäßen Verfahrens können bestehende
Abwasseranlagen wesentlich besser genutzt werden.
Bei Verwendung eines flüssigen oder einem in einer
Flüssigkeit gelösten Oxiditionsmittel, z. B.
Wasserstoffperoxid (H2O2) oder Kaliumpermanganat
(KMnO4) bietet das erfindungsgemäße Verfahren den
Vorteil einer bisher nicht erreichbaren, intensiven
Mischung des Oxidationsmittels mit dem zu
behandelnden Wasser. Durch die ständige Scherung und
Umverteilung unter der hochfrequenten
Wechselbeanspruchung im Scherfeld der
Rotor-Stator-Maschine wird das Oxidationsmittel in
einen äußerst intensiven Kontakt mit den zu
oxidierenden Stoffen gebracht. Daraus resultiert ein
sehr sparsamer Oxidationsmitteleinsatz bei
gleichzeitiger Steigerung der Effektivität der
Wasserreinigung.
Es kann vorteilhaft sein, sowohl gasförmige als auch
flüssige oder in Flüssigkeiten gelöste
Oxidationsmittel in Kombination einzusetzen.
Hierbei sorgen die hohen Scherkräfte und die hohe
Umverteilung, die mit der Rotor-Stator-Maschine
erreicht wird, für eine bisher nicht gekannte
Umsetzungsrate und Reaktionswirkung, da einerseits
die gasförmige Komponente sehr fein dispergiert
wird, was zu einer wesentlichen Vergrößerung der
Austauschfläche führt, und andererseits eine sehr
intensive Mischung der flüssigen Komponente mit dem
zu behandelnden Wasser, was zu einer wesentlichen
Steigerung des Sauerstoffeintrages führt.
Eine Möglichkeit zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die
gesamte Abwassermenge der Wirkung im Scherfeld der
Rotor-Stator-Maschine auszusetzen, so daß die oben
beschriebene Feinstverteilung des Oxidationsmittels
im Gesamtvolumenstrom des zu behandelnden Wasser
stattfindet und die mit Luft, Sauerstoff oder einem
sonstigen Oxidationsmittel angereicherte bzw.
gesättigte Flüssigkeit anschließend zur möglichst
vollständigen Oxidation der Schadstoffe in den
Reaktionsbehälter geleitet wird. Diese
Verfahrensführung eignet sich besonders für Abwässer
mit schleimigen Substanzen oder für hochviskose, zu
reinigende Flüssigkeiten.
Es kann jedoch von Vorteil sein, wenn nur eine
Teilmenge des zu behandelden Wasser der
Rotor-Stator-Maschine zugeführt und mit dem
Oxidationsmittel gemischt wird, und daß anschließend
dieses stark mit Sauerstoff angereicherte Gemisch
dem Hauptteil des zu behandelnden Wasser über ein
Verteilersystem im unteren Bereich eines
Reaktionsbehälters zugemischt wird. Diese
Alternative wird insbesondere dann zum Einsatz
kommen, wenn es sich um große, nicht so hoch
belastete Abwassermengen handelt. Der Vorteil
besteht darin, daß eine entsprechend kleinere
Rotor-Stator-Maschine verwendet werden kann, was
geringere Investitionskosten und einen niedrigeren
Stromverbrauch zur Folge hat; demgegenüber steht
allerdings bei Neuanlagen der für das
Verteilersystem notwendige Aufwand. Diese Variante
bietet sich aber vor allem für die Nachrüstung
bestehender Abwasseranlagen an, deren Wirkung durch
diese Maßnahme wesentlich verbessert wird. Es kann
damit zum einen sowohl die Reinigung verbessert als
auch der Durchsatz erhöht werden. Zum anderen ist es
durch diese Maßnahme möglich eine bestehende Anlage
ggf. mit höher belasteten Abwässer zu beaufschlagen.
Bei bestehenden Abwasseranlagen dürfte es günstige
sein, dem Reaktionsbehälter eine bestimmte
Wassermenge über eine Leitung zu entnehmen, dieser
die Oxidationsmittel in der Rotor-Stator-Maschine
zuzumischen und diese mit Oxidationsmitteln bzw.
Sauerstoff über die Sättigungsgrenze hinaus beladene
Teilmenge in die bereits vorhandene Zuführleitung
einzuspeisen.
Bei Neuanlagen bietet es sich dagegen an, einen
Teilstrom des zufließenden, zu behandelnden Wassers
der Rotor-Stator-Maschine zuzuführen und diesen
behandelten Teilstrom über ein damit wesentlich
kleineres Verteilersystem in den Reaktionsbehälter
einzuspeisen, während der weitaus größere
Abwasserstrom direkt und zwar ohne
Verteilereinrichtung in den Reaktionsbehälter
geführt wird.
Bei offenen Reaktionsbecken bringt der Einsatz
dieses Verfahrens noch einen weiteren Vorteil, daß
nämlich aufgrund des hohen Sauerstoffeintrages und
der verbesserten Effektivität der Oxidation durch
die hohe Umsetzungsrate die Geruchsbelästigung
wesentlich reduziert werden kann.
Zur Durchführung eines Verfahrens der oben genannten
Art eignet sich eine Vorrichtung bestehend aus einer
Zulaufleitung für das zu behandelnde Abwasser, einer
Rotor-Stator-Maschine, wie sie in der der EP OS
87 10 85 684 beschrieben ist, einem Reaktionsbehälter
sowie einer Einrichtung zur Zuführung des
Oxidationsmittels, wobei die konkrete Anordnung der
einzelnen Komponenten entsprechend dem jeweiligen
Anwendungsfall festgelegt wird.
Im Normalfall neu zu errichtende
Abwasserbehandlungsanlagen wird die Zuführleitung
für das zu behandelnde Wasser direkt mit dem
Einlaufstutzen der Rotor-Stator-Maschine und der
Auslaufstutzen der Rotor-Stator-Maschine direkt oder
über eine Rohrleitung mit dem Reaktionsbecken
verbunden. In diesem Falle d. h. bei
Neuinstallationen ist die Einspeisung des
Reaktionsmittels sowohl in die Zuführleitung als
auch direkt in die Rotor-Stator-Maschine aus
technischer Sicht gleichermaßen geeignet.
Es wird im Falle von flüssigen oder in einer
Flüssigkeit gelösten Reaktionsmitteln, ggf. der
Einspeisung mittels einer entsprechenden Einrichtung
dosiert in die Zuführleitung der Vorzug zu geben
sein, im Falle der Verwendung von gasförmigen
Oxidationsmitteln dagegen eher der Einspeisung
direkt in die Rotor-Stator-Maschine.
Bei einer Einspeisung direkt in die
Rotor-Stator-Maschine ist diese der EP OS 87 10 85 684
entsprechende oder eine ähnliche Maschine mit einer
Einrichtung zur Zuführung des Oxidationsmittels
ausgestattet, wie sie beispielsweise in der DE OS
23 63 888 beschrieben ist.
Eine alternative Ausbildung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht darin, daß die
Rotor-Stator-Maschine einlaufseitig mit der
Zulaufleitung für das zu behandelnde Wasser und
auslaufseitig mit dem Reaktionsgefäß verbunden ist
und die Einrichtung zur Zuführung des
Oxidationsmittels in die Zulaufleitung mündet. Diese
alternative Ausbildung kommt mit besonderem Vorteil
in zwei Fällen zum Einsatz. Zum einen, wenn es
darauf ankommt, die Effektivität einer bestehenden
Abwasserbehandlungsanlage zu steigern; das kann
bedeuten, die Reinigung gegenüber den bisherigen
Zustand zu verbessern oder die bestehende Anlage
höher oder mit höher belasteten Abwässern
beaufschlagen zu können. Zum anderen, im Falle
großer, jedoch nicht so hoch belasteter
Abwassermengen, wobei es in diesem Falle auf eine
sehr effektiv arbeitende Verteilereinrichtung wie
sie als solche bekannt sind, ankommt.
Ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren
sowie der Vorrichtung zu seiner Durchführung ist in
den Fig. 1 bis 3 dargestellt und im folgenden näher
beschrieben.
Fig. 1 Gesamtanordnung für große Wassermengen
Fig. 2 Scherfeld der Rotor-Stator-Maschine
Fig. 3 Einspeisung des Oxidationsmittels in
die Rotor-Stator-Maschine
Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Gesamtanlage, wie sie
sich für große, relativ gering belastete
Abwassermengen anbietet, da hierbei eine relativ
kleine Rotor-Stator-Maschine zum Einsatz kommt. Das
Abwasser wird über eine nicht dargestellte
Zulaufleitung in das Reaktionsgefäß 1, das in diesem
Falle als offenes Becken ausgeführt ist,
eingeleitet. Aus dem Reaktionsgefäß 1 wird das zu
behandelnde Wasser über die Entnahmeleitung 2
entnommen und der Rotor-Stator-Maschine 3 zugeführt.
Mit Hilfe einer Pumpe 4 wird über die Leitung 5 ein
flüssiges Oxidationsmittel in die Entnahmeleitung 2
eingespeist. Zusätzlich wird in diesem
Anwendungsfall mit Hilfe eines Fördergebläses 6 über
die Leitung 7 Luft direkt in das Scherfeld der
Rotor-Stator-Maschine 3 eingespeist. Die mit
Oxidationsmitteln homogen vermischte und mit
Luftsauerstoff gesättigte Suspension wird mittels
Leitung 8 einer Verteilereinrichtung 9 zugeführt.
Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch eine
Rotor-Stator-Maschine (ähnlich der in der EP OS
87 10 85 684 dargestellten) in einer Ausführungsform
wie sie dann zum Einsatz kommt, wenn das
Oxidationsmittel vor dem Zulauf in die
Rotor-Stator-Maschine in das zu behandelnde Wasser
eingebracht werden soll. Der Stator 11 der Maschine
ist mit Statorringen 12 und der mit der Welle 13
verbundene Rotor 14 mit Rotorringen 15 ausgestattet,
die auch als Werkzeuge bezeichnet werden. Die mit
Zähnen bzw. Durchbrechungen oder Bohrungen
versehenen Ringe 12 und 15 greifen ineinander d. h.
in die Ringnuten zwischen den Ringen 12 bzw. 15 und
bilden ein märanderartiges Scherfeld 16, in welchem
hohe Scherkräfte und hochfrequente
Druck-/Wechselspannungen herschen. Die
mit Luftbläschen oder mit Oxidationsmitteln
angereicherte, zu behandelnde Suspension wird über
den Zulauf 10 eingespeist und durchströmt das
Scherfeld 16 der Rotor-Stator-Maschine in
Pfeilrichtung.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der direkten
Einspeisung des Oxidationsmittels in das Scherfeld
der Rotor-Stator-Maschine dargestellt. Das
Oxidationsmittel wird von einer Pumpe 6 über die
Leitung 17 in Bohrungen 18 des Stators 11 gepumpt.
Diese Bohrungen 18 münden in Kanäle 181a-c der
Statorringe 12, so daß das Oxidationsmittel direkt in
das Scherfeld gelangt.
Claims (10)
1. Verfahren zur aeroben Abwasserbehandlung durch
Zugabe von Oxidationsmittel und Mischung desselben
mit dem zu behandelnden Wasser, dadurch
gekennzeichnet, daß zu behandelndes Wasser und
Oxidationsmittel dem Scherfeld einer
Rotor-Stator-Maschine, wie sie beispielsweise in der
EP OS 87 10 85 684 dargestellt ist zugeführt werden, in
welchem die Komponenten in kleinste Mengeneinheiten
zerteilt und unter der Einwirkung hoher Scherkräfte
und hochfrequenter Wechselbeanspruchung intensiv
gemischt werden und daß während der Behandlung in
diesem Scherfeld ein hoher Leistungseintrag pro
Volumeneinheit in das Gemisch erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem Oxidationsmittel um ein Gas
vorzugsweise um Luft oder Sauerstoff handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich um ein flüssiges oder ein in einer
Flüssigkeit gelöstes Oxidationsmittel handelt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus gasförmigen
und flüssigen Oxidationsmitteln zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge des zu
behandelnden Wassers der Rotor-Stator-Maschine
zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß nur ein Teil des zu behandelndes
Wassers der Rotor-Stator-Maschine zugeführt und mit
dem Oxidationsmittel gemischt wird, und daß
anschließend dieses mit dem Oxidationsmittel
bzw. Sauerstoff gesättigte bzw. übersättigte
Gemisch dem Hauptteil des zu behandelnden Wasser
über ein Verteilersystem im unteren Bereich eines
Reaktionsbehälters zugemischt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens
nach einem der vorgenannten Ansprüche bestehend aus
einer Zulaufleitung für das zu behandelnde Abwasser,
einer Rotor-Stator-Maschine (3) wie sie in der EP OS
87 10 85 684 beschrieben ist, einem Reaktionsbehälter
(1) sowie einer Einrichtung zur Zuführung eines
Oxidationsmittels.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rotor-Stator-Maschine (3)
einlaufzeitig mit der Zulaufleitung für das zu
behandelnde Wasser und auslaufseitig mit dem
Reaktionsgefäß (1) verbunden ist und die Einrichtung
zur Zuführung des Oxidationsmittels direkt in das
Scherfeld der Rotor-Stator-Maschine (3) mündet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rotor-Stator-Maschine (3)
einlaufseitig mit der Zulaufleitung für das zu
behandelnde Wasser und auslaufseitig mit dem
Reaktionsgefäß (1) verbunden ist und die Einrichtung
zur Zuführung des Oxidationsmittels in die
Zulaufleitung mündet.
10. Vorrichtung nach einer Kombination der Ansprüche
7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zulaufleitung für das zu behandelnde Wasser in das
Reaktionsgefäß bzw. Reaktionsbecken (1) mündet, die
Rotor-Stator-Maschine (3) einlaufseitig über eine
Rotor-Stator-Maschine (3) einlaufseitig über eine
Entnahmeleitung (2) und ablaufseitig direkt oder
über eine Rohrleitung (8) mit dem Reaktionsgefäß
bzw. dem Reaktionsbecken (1) verbunden ist.
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ID=6402494
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