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DE4114865A1 - Biological treatment reactor - has injector formed at entry to pptn. tube section for removal of suspended matter without blockage - Google Patents

Biological treatment reactor - has injector formed at entry to pptn. tube section for removal of suspended matter without blockage

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DE4114865A1
DE4114865A1 DE19914114865 DE4114865A DE4114865A1 DE 4114865 A1 DE4114865 A1 DE 4114865A1 DE 19914114865 DE19914114865 DE 19914114865 DE 4114865 A DE4114865 A DE 4114865A DE 4114865 A1 DE4114865 A1 DE 4114865A1
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Abstract

Reactor assembly, for the biological treatment of waste water or submersed fermentation with low growth rates, works on the air lift principle with external recirculation and sepn and return of suspended matter into the recirculating flow of the reactor. Lower end of the rising tube (1) is linked to a pptn tube (3) section of a normal cross section at a level of one-half to two-thirds of the level within the rising tube. Upper end of the pptn tube section (3) is connected to a sedimentation unit (4) through a conical joint (5) with its outlet at the height of the level within the rising tube. Upper link between the outflow and return flow columns is a connecting tube (1a) with the same cross section as the pptn tube section (3), to open within the conical joint (5) to give a jet outlet (6). They are assembled together so that the joint (5) and the pptn tube section (3) form an injector. ADVANTAGE - Assembly gives an effective removal of suspended matter, without blockages.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1. Derartige Reaktoren werden bei­ spielsweise für die biologische Abwasserbehandlung oder Submersfermentationen mit geringen Wachstumsraten ange­ wendet.The invention relates to a reactor according to the Oberbe handle of claim 1. Such reactors are for example for biological wastewater treatment or Submerged fermentations with low growth rates turns.

Um suspendierte Stoffe, wie z. B. Mikroorganismen oder Trägermaterialien, aus dem Ablaufstrom des kontinuier­ lich betriebenen Reaktors abzutrennen und dem Umlauf­ strom zuzuführen, werden Reaktoren nach dem Air-Lift- Prinzip mit nachgeschalteten horizontal oder vertikal durchflossenen Absetzbecken kombiniert.To suspended substances such. B. microorganisms or Carrier materials, from the drain stream of the continuous Lich operated reactor and the circulation reactors after the air-lift Principle with downstream horizontal or vertical combined sedimentation basin.

Die Schlammrückführung erfolgt mittels Pumpen. Nachtei­ lig wirken sich bei derartigen Lösungen sowohl der ener­ getische Aufwand zur Realisierung des Transportes der Medien als auch bei der Verwendung von Trägermateriali­ en, wie z. B. Aktivkohle, Winklergeneratorasche oder Sand, der erhöhte Verschleiß der Fördereinrichtungen aus. Beim Einsatz von teilweise aufschwimmenden Träger­ materialien, wie z. B. PUR-Schaumstoffkörpern, konnte bei bisheriger Technologie ein Ansammeln dieser Materialien am Überlauf zum Nachklärbecken nicht vermieden werden, was u. U. zu Betriebsstörungen führt.The sludge is returned by means of pumps. Night egg With such solutions, both the ener expenditure on realizing the transport of the Media as well as when using carrier materials s, such as B. activated carbon, Winklergenerascheasche or Sand, the increased wear on the conveyors out. When using partially floating supports materials such as B. PUR foam bodies, could previous technology an accumulation of these materials cannot be avoided at the overflow to the secondary clarifier, what u. U. leads to malfunctions.

Besonders bei Anlagen im Labor- oder Technikumsmaßstab erweist sich aufgrund der geringen Durchsätze bei extern durchgeführter Sedimentation die Schlammrückführung und damit der stabile Reaktorbetrieb meist als problema­ tisch, da sich bei angestrebter hoher Trennschärfe ein ungünstiges Verhältnis zwischen Wandfläche und Volumen des Nachklärbeckens ergibt. Unverhältnismäßig lange Aufenthaltszeiten von z. B. Biomasse im Nachklärbecken und damit verbundene störende Auswirkungen auf den even­ tuell realisierten Fermentationsprozeß sind oftmals die Folge.Especially for systems on a laboratory or pilot plant scale proves itself due to the low throughput at extern carried out sedimentation the sludge return and so that the stable reactor operation is mostly a problem table, because the desired high selectivity unfavorable relationship between wall area and volume of the secondary clarifier results. Disproportionately long Stays of z. B. Biomass in the clarifier and related disruptive effects on the even the fermentation process currently implemented are often the Episode.

Darüber hinaus sind Reaktoren in Air-Lift-Schlaufenaus­ führung mit in den Abströmer integrierten Nachklärbecken bekannt.In addition, reactors are in air-lift loops Guided tour with secondary clarifier integrated in the outflow known.

Charakteristisch für Reaktoren dieser Bauart ist eine ungeordnete Strömungsführung im Bereich der Sedimenta­ tion. Daraus resultieren hohe Feststoffausschwemmraten, die bei z. B. Fermentationsprozessen mit geringen Biomas­ sewachstumsraten zu instabilem Reaktorbetrieb führen.A reactor is characteristic of this type of construction disordered flow in the sediment area tion. This results in high solids flushing rates, which at z. B. fermentation processes with low biomas growth rates lead to unstable reactor operation.

Insofern liegt der Erfindung das Problem zugrunde, für einen nach dem Air-Lift-Prinzip mit externem Umlauf betriebenen Reaktor eine leistungsfähige und betriebs­ sichere Abtrennung suspendierter Feststoffe vorzunehmen, um den Feststoffaustrag aus dem Reaktorablauf zu mini­ mieren. Das weitere Problem besteht darin, die abge­ schiedenen Feststoffe ohne zusätzlichen Einsatz mechani­ scher Fördereinrichtungen betriebssicher in den Umlauf­ strom des Reaktors einzuspeisen. Gerade im Bereich des Schlammabzuges aus dem Nachklärbecken sowie in der zum Fallrohr des Reaktors führenden Sedimenttransportleitung kommt es bei bekannten Anlagen häufig zu Betriebsstörun­ gen.In this respect, the invention is based on the problem for one according to the air-lift principle with external circulation operated reactor a powerful and operational to safely separate suspended solids, to miniature the solids discharge from the reactor outlet lubricate. The other problem is the abge different solids without additional mechani scher conveyor facilities in a reliable manner in circulation feed the current of the reactor. Especially in the area of  Sludge removal from the secondary clarifier and in the to Downpipe of the reactor leading sediment transport line In the case of known systems, there is often a malfunction gene.

Diese Probleme werden bei einem Reaktor nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung gemäß Anspruch 1 ergeben sich aus den Kennzei­ chen der Ansprüche 2 bis 5.These problems become apparent in an Oberbe reactor handle of claim 1 by the in its characteristics mentioned features solved. Advantageous versions of the Invention according to claim 1 result from the characteristics chen of claims 2 to 5.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ohne zusätzliche mechanische Fördereinrichtungen ein störungsfreier Schlammaustrag aus dem Sedimentierbehäl­ ter sowie eine problemlose Einspeisung in das Fallrohr des Reaktors gewährleistet sind. Dies war wegen der Querschnittsverengung im Bereich des Ringspaltes, der vom unteren Bereich des konusförmigen Übergangsteiles und dem Verbindungsrohr gebildet wird, an sich nicht zu erwarten.The particular advantage of the invention is that without additional mechanical conveyors trouble-free sludge discharge from the sedimentation container ter as well as problem-free feeding into the downpipe of the reactor are guaranteed. This was because of the Cross-sectional narrowing in the area of the annular gap, the from the lower area of the conical transition part and the connecting pipe is not formed per se expect.

Tatsächlich wächst beim Anfahren eines Reaktors gemäß der Erfindung der Schlammspiegel im Sedimentierbehälter an, wie dies bei nach dem Stand der Technik arbeitenden Anlagen bekannt ist und dort nach kurzer Zeit zum Aus­ fall des Reaktors führen kann. Beim erfindungsgemäßen Reaktor jedoch ist aufgrund der kontinuierlichen Beschickung desselben die die Sedimentrückführung erzeu­ gende Strömung von der aufwärtsgerichteten Strömung überlagert. Entsprechend dem durch die Pumpwirkung aus dem Sedimentierbehälter geförderten Volumenstrom und dem Reaktorzulaufstrom ergibt sich für die beiden miteinan­ der kommunizierenden Röhren eine verstärkte Höhendiffe­ renz der Flüssigkeitsniveaus und damit ein energetisch instabiler Zustand. Periodisch findet der Druckausgleich statt. Beim erfindungsgemäßen Reaktor wechseln daher zyklisch Betriebsphasen mit erhöhtem Schlammspiegel und Betriebsphasen mit niedrigem Schlammspiegel. Diese Bewe­ gung des Schlammspiegels verhindert, daß sich das Sedi­ ment verfestigt bzw. sich Feststoffe im Wandbereich des Sedimentierbehälters dauerhaft anlagern können.Indeed, when a reactor starts up, it grows accordingly the invention of the sludge level in the sedimentation tank on how this works in the state of the art Systems is known and there after a short time case of the reactor. In the invention Reactor, however, is due to the continuous Feeding the same which generates the sediment return current from the upward flow overlaid. According to that from the pumping effect the sedimentation volume flow and the The reactor feed flow results for both of them of the communicating tubes an increased height difference limit of the liquid levels and thus an energetic unstable condition. Periodic pressure equalization takes place instead of. Therefore change in the reactor according to the invention cyclical operating phases with increased sludge levels and Operating phases with low sludge levels. This move The sludge level prevents the Sedi solidified or solids in the wall area of the Sedimentation container can store permanently.

In der Ausführungsform nach Anspruch 3 oder 4 ist diese periodische Bewegung des Schlammspiegels wegen der zu­ sätzlichen Aussparungen im Verbindungsrohr, durch die die Beschickung des Sedimentierbeckens realisiert wird, weniger ausgeprägt, sofern diese Aussparungen nicht z. B. mittels einer verschiebbaren Hülse verschlossen sind. Diese Ausführungsformen sind jedoch mehr für körnige bis stückige Feststoffe vorgesehen. Die Siebwirkung der Aussparungen des Verbindungsrohres bei einer Ausführung des Reaktors nach Anspruch 3 oder 4 ermöglicht auch beim Einsatz teilweise aufschwimmender Trägermaterialien einen sicheren Betrieb.In the embodiment according to claim 3 or 4, this is periodic movement of the sludge level due to the additional cutouts in the connecting tube through which the feeding of the sedimentation basin is realized, less pronounced if these recesses are not z. B. are closed by means of a displaceable sleeve. However, these embodiments are more granular to lumpy solids are provided. The sieving effect of Recesses in the connecting pipe in one version of the reactor according to claim 3 or 4 also enables Use of partially floating carrier materials safe operation.

Die Auslegung des erfindungsgemäßen Reaktors kann für sehr unterschiedliche Durchsatzleistungen erfolgen. Dabei richtet sich die Dimensionierung des Sedimenta­ tionsbehälters nach dem tatsächlichen Sedimentationsver­ halten der suspendierten Feststoffe.The reactor of the invention can be designed for very different throughputs occur. The dimensioning of the sediment is based on this tion container according to the actual sedimentation ver hold the suspended solids.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is based on one Embodiment explained in more detail. In the associated The drawings show:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Air-Lift- Schlaufenreaktors mit selbsttätiger Rückführung von Mikroorganismen und unbelebten Feststoffen, Fig. 1 shows the schematic construction of an air-lift loop reactor with automatic return of microorganisms and inanimate solids,

Fig. 2 den Schnitt durch die Schlammrückführungs­ vorrichtung mit Zusatzöffnungen, Fig. 2 shows the section through the sludge recirculation device with additional openings,

Fig. 3 eine Möglichkeit der Realisierung veränder­ barer freier Querschnitte der Zusatzöffnungen. Fig. 3 shows a possibility of realizing changeable free cross-sections of the additional openings.

Die Belüftung des Bioreaktors dient sowohl der Anreiche­ rung des Kulturmediums mit Sauerstoff als auch der Her­ vorbringung der für den Air-Lift-Reaktor typischen Zir­ kulationsströmung zwischen Steig-(1) und Fallrohr (3). Die Strömungsenergie wird genutzt, um im Ringspalt (5) einen Unterdruck zur Förderung der Sedimente in den Reaktionsraum zu erzeugen. Die in der Düse (6) erzielte Strömungsgeschwindigkeit ist für die Förderungsleistung maßgeblich und ist unmittelbar von der Gasbelastung sowie der detaillierten konstruktiven Gestaltung des Reaktors abhängig. Zur Vermeidung eines sich eventuell auf den Sedimentationsprozeß ungünstig auswirkenden alternierenden Schlammspiegels im Sedimentierbecken (4), der allerdings Verstopfungserscheinungen infolge man­ gelnder Turbulenzen und Brückenbildung verhindert, sind oberhalb des Injektors Aussparungen (7) vorgesehen. Der bei kontinuierlichem Reaktorbetrieb dem Sedimentier­ becken (4) zugeführte Volumenstrom, der quantitativ im wesentlichen dem Reaktorzulauf entspricht, gelangt auf­ grund des geringeren Strömungswiderstandes vorzugsweise durch diese Aussparungen in den Bereich der Sedimenta­ tion. Bei Verwendung von voluminösen Trägermaterialien, wie z. B. PUR-Schaum-Würfeln von 0,5 bis 1 Zentimeter Kantenlänge o. ä., sind die Aussparungen so dimensio­ niert, daß die Trägermaterialien nicht in das Sedimen­ tierbecken (4) gelangen und im Reaktionsraum verbleiben. Zum Beispiel durch das Verschieben einer auf dem Ab­ strömrohr (3) im Bereich des Sedimentierbehälters (4) angebrachten Hülse (8) können die dem jeweiligen Träger­ material oder den Schlammeigenschaften entsprechenden Querschnitte der Austrittsöffnungen (7) variiert werden. Da eventuell aus dem Abströmer (3) in den Sedimentierbe­ hälter (4) aufsteigende Gasblasen die dort stattfindende Sedimentation u. U. beeinträchtigen, wird am Reaktorkopf eine Gasabscheidung (2) realisiert, so daß der Abstrom weitestgehend blasenfrei bleibt. Sind zur Durchführung des Prozesses höhere Sauerstoffeintragsraten und damit größere Luftdurchsätze notwendig, kann durch eine Anpas­ sung des Querschnittes des oberen Verbindungsrohres (1a) im Bereich der Gasabscheidung (2) an die höhere Umlauf­ geschwindigkeit entsprechend Anspruch 5 der Abstrom weiterhin blasenfrei gehalten werden.The ventilation of the bioreactor serves both to enrich the culture medium with oxygen and to produce the circulation flow typical of the air-lift reactor between the riser ( 1 ) and the downpipe ( 3 ). The flow energy is used to create a negative pressure in the annular gap ( 5 ) to convey the sediments into the reaction chamber. The flow rate achieved in the nozzle ( 6 ) is decisive for the delivery rate and is directly dependent on the gas load and the detailed structural design of the reactor. In order to avoid an alternating sludge level in the sedimentation basin ( 4 ), which may have an unfavorable effect on the sedimentation process, but which prevents signs of blockage due to turbulence and bridging, gaps ( 7 ) are provided above the injector. The volume flow supplied to the sedimentation basin ( 4 ) during continuous reactor operation, which essentially corresponds quantitatively to the reactor feed, preferably passes through these recesses into the area of the sedimentation due to the lower flow resistance. When using voluminous carrier materials, such as. B. PUR foam cubes of 0.5 to 1 centimeter edge length or the like, the recesses are dimensioned so that the carrier materials do not get into the sediment animal pool ( 4 ) and remain in the reaction chamber. For example, by moving a sleeve ( 8 ) attached to the flow pipe ( 3 ) in the region of the sedimentation container ( 4 ), the cross sections of the outlet openings ( 7 ) corresponding to the respective carrier material or the sludge properties can be varied. Since possibly from the outflow ( 3 ) in the Sedimentierbe container ( 4 ) rising gas bubbles the sedimentation taking place there. U. affect, a gas separation ( 2 ) is realized at the reactor head, so that the outflow remains largely free of bubbles. Are higher oxygen input rates and thus larger air throughputs necessary to carry out the process, can be kept bubble-free by adapting the cross-section of the upper connecting pipe ( 1 a) in the area of gas separation ( 2 ) to the higher circulation speed according to claim 5.

Claims (5)

1. Reaktor nach dem Air-Lift-Prinzip mit externem Umlauf und Abtrennung sowie Rückführung suspendierter Stoffe aus bzw. in die Umlaufströmung des Reaktors, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das untere Ende des Steigrohres (1) mit einem Fallrohrabschnitt (3) üblichen Querschnitts in Verbindung steht und dieser Fallrohrabschnitt in Höhe von etwa der Hälfte bis zu zwei Dritteln des Steigrohrfüllstandes endet,
  • - das obere Ende des genannten Fallrohrabschnittes (3) über ein konusförmiges Übergangsstück (5) mit einem Sedimentierbehälter (4) verbunden ist, der einen Flüssigkeitsablauf etwa in Höhe des Steigrohrfüllstandes aufweist,
  • - die obere Verbindung zwischen Aufström- und Rück­ strömsäule aus einem etwa den Querschnitt des Fall­ rohrabschnittes (3) aufweisenden Verbindungsrohr (1a) besteht, das mindestens eine innerhalb des unteren Bereiches des konusförmigen Übergangs­ stückes (5) mündende düsenförmige Ausströmöffnung (6) aufweist, wobei Verbindungsrohr mit Ausström­ öffnung, konusförmiges Übergangsstück (5) und Fall­ rohrabschnitt (3) so zueinander positioniert sind, daß sie einen Injektor bilden.
1. Reactor according to the air-lift principle with external circulation and separation and return of suspended substances from or into the circulation flow of the reactor, characterized in that
  • - The lower end of the riser pipe ( 1 ) is connected to a usual cross-section of the down pipe section ( 3 ) and this down pipe section ends at a height of approximately half to two thirds of the riser pipe fill level.
  • - The upper end of said downpipe section ( 3 ) is connected via a conical transition piece ( 5 ) to a sedimentation container ( 4 ) which has a liquid drain approximately at the level of the riser pipe filling level,
  • - The upper connection between the upflow and return flow column from an approximately the cross section of the down pipe section ( 3 ) having a connecting tube ( 1 a) which has at least one within the lower region of the conical transition piece ( 5 ) opening nozzle-shaped outflow opening ( 6 ) , wherein the connecting pipe with outflow opening, conical transition piece ( 5 ) and fall pipe section ( 3 ) are positioned so that they form an injector.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Sedimentierbehälters (4) ca. das 1,5-fache bis 10-fache des Querschnittes des Fall­ rohrabschnittes (3) beträgt.2. Reactor according to claim 1, characterized in that the cross section of the sedimentation container ( 4 ) is approximately 1.5 times to 10 times the cross section of the down pipe section ( 3 ). 3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß an dem im Sedimentierbehälter (4) befindlichen Teil des Verbindungsrohres (1a) eine oder mehrere Aus­ sparungen (7) oberhalb der abwärts gerichteten Ausström­ öffnung (6) angeordnet sind, deren Querschnitte den Durchtritt von Teilchen oberhalb vorgegebener Abmessun­ gen verhindern.3. Reactor according to claim 1 or 2, characterized in that on the part of the connecting tube ( 1 a) located in the sedimentation container ( 4 ) one or more savings ( 7 ) above the downward outflow opening ( 6 ) are arranged, the Cross sections prevent the passage of particles above specified dimensions. 4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Aussparungen (7) im Verbindungsrohr (1a) z. B. mittels einer mit passenden Durchbrüchen ver­ sehenen und auf dem Verbindungsrohr verschiebbaren Hülse (8) variierbar sind.4. Reactor according to claim 3, characterized in that the cross sections of the recesses ( 7 ) in the connecting tube ( 1 a) z. B. by means of a ver with suitable openings and displaceable on the connecting tube sleeve ( 8 ) are variable. 5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des oberen Verbin­ dungsrohres (1a) zwischen Steig- (1) und Fallrohr (3) im Bereich des Reaktorkopfes entgegen der Strömungsrichtung konisch erweitert ist.5. Reactor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cross section of the upper connec tion tube ( 1 a) between the riser ( 1 ) and downpipe ( 3 ) is flared in the region of the reactor head against the flow direction.
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