DE2452741A1

DE2452741A1 - Verfahren und vorrichtung zum oxygenieren und reduzieren des biologischen sauerstoffbedarfs einer fluessigkeitsmischung

Info

Publication number: DE2452741A1
Application number: DE19742452741
Authority: DE
Inventors: Charles Seymour Block; Michael Shi-Kuan Chen; Olaf Joerg Noichl
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1974-11-07
Publication date: 1975-05-15
Also published as: DE2452741B2; GB1438749A; FR2250710A1; US3954606A; CA1035057A; JPS5079959A

Description

PATENTANWALTS

DIpi.-lng. P. WIRTH - Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK Dipi,ing. G. DANN-ENBERG · Pr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

281134 β FnANKFURTAM MAIN

TELEFON (O6';J

237014 GB. ESCHENHEIMER STRASSE 39

November 1974·
Da/-mr-

Air Γϊ-oducts and Chemicals,Inc

Five Executive Mall

Swedesford Road Wayne, Pennsylvania 19087, USA

Verfahren und Vorrichtung zum Oxygenieren und Reduzieren des biologischen Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsmischung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von flüssigem Abfall bzw. Abwasser.

Bei Systemen, die mit aktiviertem Schlamm zum Reduzieren des chemischen Sauerstoffbedarfs (COD) und des biologischen Sauerstoffbedarfs (BOD) von industriellem und kommunalem flüssigen Abfall arbeiten, ist seit langem die Verwendung von sauerstoffreichen Belüftungsgasen in Belüftungstanks vorgeschlagen worden, um die Rate biologischer und chemischer Reaktionen zu vergrössern, im Gegensatz zur Verwendung atmosphärischer Luft in Belüftungstanks* Der Ausdruck "biochemischer Sauerstoffbedarf" wird nachstehend verwendet, um beide Arten, nämlich den chemischen Sauersboffbedarf (COD) und den biologischen Sauerstoffbedarf (BOD) zu umfassen. Auch ist beispielsweise

509820/0793

den US-Patentschriften 3,547,815 und 3,725,258 die Lehre zu entnehmen, dass die Verwendung von Trennwänden, welche die Belüftungekammer in eine Anzahl physisch getrennter Flüssigkeitsstufen unterteilen, um den biochemischen Sauerstoffbedarf von Flüssigkeitsmischungen in einem Tank von minimaler Länge progressiv zu reduzieren, indem die Flüssigkeit sEiischung vom Einlass zum Auslass des Tanks durch aufeinanderfolgende flüssige Stufen ohne Rückströmung der Flüssigkeitsmischung von einer Stufe geringeren biochemischen Sauerstoffbedarfs zu einer stromaufwärts gelegenen Stufe höheren biochemischen Sauerstoff bedarf s geführt sein kann, von Vorteil ist.

Diese Strömungsart von Flüssigkeitsmischungen ist als "begrenzte Strömung" bezeichnet worden und wird dadurch erreicht, dass relativ kleine Öffnungen in den Trennwänden zwischen den einzelnen Stufen vorgesehen werden, so dass die flüssige Strömung nur in einer Richtung von Stufe zu Stufe erfolgt.

Andererseits sind Systeme bekannt, wie beispielsweise in der US-Patentschrift 3, 724,b€7 sie offenbart sind, bei denen die. Flüssigkeitsmischung nicht physisch in einzelne Stufen unterteilt wird, sondern vollständig im Gesamtbereich des Belüftungstanks vermischt wird, so dass sich ein im wesentlichen einheitlicher biochemischer Sauerstoffbedarf über den gesamten Tank verteilt ergibt. Diese letztere Systemart, die als CMAS-System bezeichnet wird, hat den Vorteil, dass sie leicht an einen weiten Bereich von Änderungen des Volumens und der Stärke der einströmenden Flüssigkeitsmischung sowie an andere Arten von stossweisen Belastungen angepasst werden kann.

Die Erfindung vereint die Vorteile der beiden bekannten Systeme und ermöglicht es,praktisch die gleichen Vorteile,

509820/0793

wie das stufenweise arbeitende System zu erzielen, ohne dass senkrecht durch die Flüssigkeitsmischung sich erstreckende Trennwände erforderlich sind« Es wurde vielmehr gefunden, dass durch Wahl der Grundausführung bzw. Anfangsbedingungen und/cder Steuerung gewisser Verfahrensparameter die Flüssigkeitsmischung in einer Weise behandelt werden kann, dass das Mass der Vermischung zwischen nicht unterteilten Bereichen des Tanks derart steuerbar ist, dass entweder die Wirkimg einer grösseren Zahl physisch getrennter flüssiger Stufen erreicht wird, nämlich "wirksame Flüssigkeitsabstufung¹¹, oder annähernd die Bedingiongen eines einzigen Bereichs gemäss dem CMSA-System verwirklicht werden.

Es ist daher ein Hauptziel der Erfindung, ein oxygeniertes Abwasserbehandlungssystem zu schaffen, in welchem das Ausmass der Vermischung zwischen einzelnen Bereichen steuerbar ist, um eine flexiblere Arbeitsweise zu erhalten, mit Änderungsmöglichkeiten von Bedingungen, welche der Arbeitsweise mit vollständiger Vermischung nahekommen, zu Bedingungen, diein etwa der Arbeitsweise mit physischer Unterteilung der Flüssigkeitsmischung durch Trennwände entsprechen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines oxygenierten Abwasserbehandlungssystems, das nicht unterteilte Flüssigkeitsbereiche aufweist, aber gleichzeitig in festgelegter oder variabler Ausführungsform die Erzielung eines hohen Masses an effektiver Flüssigkeitsstufung ermöglichtο

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Belüften von Flüssigkfiitsmischungen in einem Aktivschlainm-

509820/0793

system mit sauerstoffreichem Belüftungsgas,in welchem der Grad der effektiven Abstufung der Flüssigkeitsmischung zwischen dem Einlass und dem Auslass eines Belüftungstanks in weiten Grenzen änderbar ist und in welchem der -Grad der Vermischung der Flüssigkeitsmischung zwischen einem stromabwärts gelegenen und einem stromaufwärts gelegenen Bereich steuerbar ist durch die Anfangsbedingungen bzw. die Grundkonstruktion und/oder variable Einrichtungen derart, dass die Anlage entweder so betrieben werden kann, als ob die Flüssigkeitsmischung physisch in bestimmte Teilbereiche unterteilt wäre, ohne dass tatsächlich Trennwände oder dergleichen erforderlich sind, oder dass der Betrieb so srfolgen kann, dass er praktisch den Bedingungen bei vollständiger Durchmischung entspricht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert, die eine vereinfachte schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten ist und in der ein Strömungsweg für ein Aktivschlammsystem gezeigt ist, als eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einschliesslich alternativer Formen einiger der Komponenten, die darin verwendet werden können.

Nach ausgedehnten Untersuchungen über die hydraulischen Strömungsbedingungen, die in einem Belüftungstank mit Einrichtungen zur Oberflächenbelüftung auftreten, wurde gefunden, dass das Ausmass der Vermischung zwischen einem stromabwärts und einem stromaufwärts gelegenen Bereicheines Flüssigkeitsgemischs von einer Anzahl Betriebsparameter abhängig ist und dass bestimmte dieser Parameter die dem Fachmann geläufige dimensior.slcse Grosse g/q steuern, die z.B. von U, Lelli. F. Magelli und C₀ Sama in deren Aufsatz "Backmixing in Multistage Mixer Columns", veröffentlicht in "Chemical Engineering Science, Vol. 27, Seiten 1109-1117

509820/0793

verwendet wird, und für dieses dimensicnslose Verhältnis g/q wird nachstehend die Bezeichnung "Rückstromverhältnis" verwendet. Zum Beispiel wurde gefunden, dass das Rückstrorriverhältnis wesentlich beeinflusst wird von dein Verhältnis des Durchmessers D von einem Oberflächen-Schaufelrad in Metern gemessen, multipliziert mit der Drehzahl N des Schaufelrades pro Minute, dividiert durch die lineare Flüssigkeitsgeschwindigkeit U in Metern pro Minute; die lineare Flüssigkeitsgeschwindigkeit U ist dabei, definiert als das Volumen q in Kubikmetern pro Minute, das an Flüssigkeitsmischung in den Belüftungstank eingeführt und aus diesem ausgeführt wird, dividiert durch die Querschnittsfläche A in Quadratmetern der Strömung durch den Tank. Das dimensionslose Verhältnis N χ D/U wird nachstehend als "Mischfaktor·¹¹ bzw. "Belüftungsmischfaktor" bezeichnet.

Weiter wurde gefunden,dass das Rückstromverhältnis wesentlich beeinflusst wird durch das Ausmass, in welchem Trennwände für das Belüftungsgas sich in die oberste Schicht der Flüssigkeitsmischung erstrecken oder - wo derartige Trennwände für das Belüftungsgas nicht verwendet werden - das Ausmass, in welchem Hilfstrennwände für die Oberfläche sich in die oberste Schicht der Flüssigkeitsmischung hineinerstrecken, wie weiter unten noch näher erläutert ist.

Die Wirkung der vorgenannten Parameter sowie Konstruktionsüberlegungen und die Vorrichtung, mittels deren diese Parameter verändert werden können, ergeben sich klarer in Verbindung mit der Zeichnung.

In der Zeichnung ist ein länglicher Belüftungstank 10 gezeigt, der einen Boden 12,eingangs-und ausgangsseitige Stirnwände 14 und 16 sowie zwei Seitenwände 18 und eine

509820/0793

Deckwand 20 aufweist. Das einzuführende Abwasser mit hohem biochemischem Sauerstoffbedarf, das Haushaltsmüll, industrielle Abfälle oder beides enthalten und wahlweise bereits einer Vorbehandlung in einer ersten Anlage unterzogen worden sein kann, v/ird über eine Leitung 22 dem Eingangsende des Tanks zugeführt. Stattdessen kann Abwasser mit hohem biochemischem Sauerstoffbedarf auch in verschiedene Bereiche des Tanks in einer Weise eingeführt werden, die in der Fachwelt als Stufenbelüftung bekannt ist. Die belüftete Flüssigkeitsmischung wird aus dem Belüftungstank 10 über eine Leitung 26 abgegeben, die mit einem überlaufartigen Kanal 28 verbunden sein kann, der über eine oder mehrere Öffnungen 27 in Strömungsverbindung mit dem Tank 10 steht. Die aus dem Tank 10 ausströmende Masse wird in ein Klär- bzw. Absetzbecken 30 abgegeben, aus dem gereinigte Flüssigkeit über einen Überlauf 32 und eine Abgabeleitung 34 im Bedarfs fall einem weiteren Bereich für Desinfektion oder weitere Behandlung abgegeben werden kann oder aber unmittelbar einem natürlichen Wasserkörper wie einem See oder Strom zugeführt werden kann. Während beim Ausführungsbeispiel der Zeichnung die endseitige Stirnwand 16 als Begrenzung des Belüftungsbereichs gezeigt ist, kann natürlich auch der vollständige Belüftungsvorgang in zusätzlichen Tanks oder Kanälen ähnlicher Ausführung fortgesetzt werden, welche den vollständigen Strömungsweg bilden, und solche Kanäle können in einem an sich bekannten Schlangenmuster angeordnet sein, das allgemein als Mehrfach-Durchgang-System bezeichnet wird.

Das Klärbecken 30 arbeitet in der üblichen Weise zum Trennen der Festteilchen von der belüfteten Flüssigkeitsmischung, und der abgesetzte Schlamm 36 wird vom Boden des Klärbeckens über eine Leitung 38 abgeführt. Ein Teil dieser Festteilchen kann aus dem System über eine Ventillei fcung 14 in einer

509820/07 9 3

beliebigen üblichen Weise beseitigt werden, während ein zweiter Teil des aktivierten Schlammes über eine Pumpe 42 und eine Leitung 44 zum Eingangsende des Belüftungstanks 10 zurückgeführt wird. Natürlich braucht der aktivierte Schlamm nicht insgesamt, wie dargestellt, in den ersten Bereich des Tanks eingeführt zu werden, sondern stattdessen können Teile davon auch an einer Anzahl von Stellen längs mehrerer anfänglicher Bereiche eingeführt werden oder der aktivierte Schlamm kann vorab^;, in einem vorgeschalteten Tank oder dgl. dem zuströmenden Abwasser beigemischt werden oder es kann auch die Rückführleitung 44 unmittelbar an die Zuführleitung 22 für das Abwasser angeschlossen werden. Unabhängig von der speziellen Auslegung der Anlage wird also der rückgeführte Schlamm mit dem zugeführten Abwasser gemischt, um auf diese Weise/Flüssigkeitsmischung im Belüftungstank zu bilden. die

Um die Rate der biochemischen Reaktion im Belüftungstank zu unterhalten und wesentlich zu vergrössern, wird ein sauerstoffreiches Belüftungsgas dem Tank 10 über eine Leitung 46 von einer Quelle 48 aus zugeführt. Der hier verwendete Ausdruck "sauerstoffreiches" Belüftungsgas soll dabei ein zugeführtes Gas bezeichnen, dessen Sauerstoffgehalt mindestens 50 Vol.-% und vorzugsweise 75 - 100 VoI*-96 Sauerstoff enthält. Die Gasquelle 48 kann daher in verschiedenen Formen vorliegen, beispielsweise von einer sauerstoi'ferzeugenden Anlage des cryogenen oder Adsorptionstyps gebildet sein oder sie kann einen Vorratsbehälter mit flüssigem Sauerstoff enthalten, der dann zu Gas vaporisiert und über die Leitung 46 dem Belüftimgstank 10 zugeführt wird. Weiter ist r.u bemerken, dass das sauerstoffreiche Gas auch an anderen Stellen als dem ersten Bereich des Tanks oder an mehreren Stellen zugeführt werden kann.

509820/0793

Der Belüftungstank 10 ist durch eine gasdichte Abdeckung 20 abgeschlossen, derart, dass beim gezeigten Ausführungsbeispiel das sauerstoffreiche Belüftungsgas durch jede der Gaskammern oberhalb des Flüssigkeitsspiegels vom Einlassende zum Auslassende des Tanks strömt, von wo es dann über eine Leitung 50 abgegeben wird; je nach Lage der Stelle, an der das sauerstoffreiche Gas zugeführt wird, kann es jedoch auch an einer anderen Stelle als der im Ausführungsbeispiel dargestellten oberhalb des letzten Flüssigkeitsbereichs austreten. Vorzugsweise weist die Leitung 50 für die Gasabgabe ein Steuerventil 52 aus, das auf automatische Weise mittels eines Sauerstoffühlers 54 betätigbar sein kann* Bowie eine Steuereinrichtung 56 zum Belüften des Gases bei einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration. Stattdessen kann die Steuerung 56 auch durch eine Betätigung von Hand ersetzt werden und/oder es können zusätzliche Belüftungsbereiche hinzugefügt werden, wie es in der US-PS 3»725»258 offenbart ist. Die Sauerstoffkonzentration des Gases kann sehr unterschiedlich sein, je nach der spezifischen Anwendung und der optimalen Arbeitsweise, die angewendet wird, wie dies in grösserer Ausführlichkeit in der letztgenannten US-PS sowie in der belgischen Patentschrift 794 121 beschrieben ist. Wenn ein hoher Sauerstoffgehalt gewünscht ist, können die Trennwände 60 im Belüftungsgas entfallen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden jedoch vorzugsweise Trennwände 60 jeweils zwischen den BelUftungseinrichtungen 71 verwendet, so dass sauerstoffreiches Gas durch die Flüssigkeitsmischung in Etappen bzw. Stufen fliesst, deren Sauerstoffkonzentration progressiv vom Einlassende zum Auslassende des Tanks hin abnimmt, aus dem es von einer der letzten Stufen mit relativ geringer Sauerstoffkonzentration

509820/0793

beispielsweise weniger als 50 Vol.-Jo und vorzugsweise 20 bis 40 Vol.-$ Sauerstoff abgeführt wird. Dementsprechend zeigt das dargestellte Ausführungsbeispiel zwei solcher Trennwände 60. die an der Abdeckung 20 und/oder den Seitenwänden 18 befestigt sein können, und die sich etwas unter den Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeitsmischung erstrecken. Das Gas kann dabei von einer Stufe zur nächsten durch Öffnungen in den Trennwänden 60 treten oder mittels Leitungen 64,die Ventile 66 enthalten, überführt werden. Während im Ausführungsbeispiel Trennwände 60 zwischen der ersten, zweiten und dritten Belüftungseinrichtung 70 vorgesehen sind, können solche Trennwände 60 natürlich auch zwischen allen oder einer beliebigen Anzahl von Belüftungseinrichtungen angebracht werden.

Um die Flüssigkeitsmischung zur Massenübertragung in Berührung mit dem sauerstoffreichen Belüftungsgas zu bringen, ist eine Anzahl von Oberflächenbelüftungseinrichtungen 70 vorgesehen, deren jede ein Schaufelrad 71 aufweist, das an einer Welle 72 befestigt und über diese von einem Motor 74 konstanter oder variabler Drehzahl über ein Getriebe 76 von konstanter oder variabler Geschwindigkeit angetrieben ist. Aus Gründen, die weiter unten noch näher erläutert werden, handelt es sich bei den Untersetzungsgetrieben 76 vorzugsweise um solche, die nicht nur die Wellen 72 mit gewünschten Drehzahlen antreiben können, sondern darüberhinaus ein Anheben oder Absenken der Schaufelräder 71 innerhalb der Grenzen der vertikalen Höhe der Schaufelblätter gestatten; solche Untersetzungsgetriebe mit Einstellmöglichkeit für unterschiedliche Höhen s.ind im Handel erhältlich.

Bei Anwendungen, wo' die Tiefe des Tanks 10 eine Neigung suspendierter Festteilchen sich am Boden abzusetzen ergibt,

509820/0793

kann die Welle 72 verlängert und mit einem untergetauchten Schaufelrad 78 versehen werden, das lediglich die Aufgabe hat, die Festteilchen in Suspension zu halten.

Aus der Verwendung von Motoren 74 mit variabler Drehzahl oder von Untersetzungsgetrieben 76 von variabler Geschwindigkeit ergibt sich die Möglichkeit einer einfachen Veränderung der Drehzahl der Oberflächenbelüftungseinrichtungen bzw. der Schaufeln 71. Auf diese V/eise kann der Wert von ^XN zweck? Änderung des weiter oben erwähnten Verhältnisses N χ D/U geändert und dadurch wiederum der Mischungsgrad zwischen den nicht unterteilten Flüssigkeitsbereichen unterhalb der Belüftungseinrichtungen erheblich geändert und gesteuert werden. Zusätzlich zur Änderung des Wertes von N ergibt die Möglichkeit des Anhebens oder Absenkens der Schaufellader zum Ändern der Eintauchtiefe der Schaufeln 71 in die Flüssigkeitsmischung einen zweiten variablen Arbeitsparameter, der den Grad der Vermischungzwisehen den Bereichen ändert. Die Anzahl der Schaufeln je Schaufelrad und der Anstellwinkel derselben kann auch ursprünglich oder durch Austausch so gewählt werden, dass dadurch der Vermischungsgrad zwischen den Bereichen geändert wird. Es kann daher jeder dieser Parameter der Konstruktion and der Arbeitsweise gewählt oder verändert werden, um das Rückstromverhältnis zu ändern»

Auch in Fällen, wo Motoren konstanter Drehzahl und Getriebe konstanter Geschwindigkeit verwendet werden, kann der gewünschte Wert des Mischfaktors (N χ D/U) durch geeignete Wahl der Werte für den Schaufelraddurchmesser (D) oder die lineare Geschwindigkeit (U) oder beide erreicht werden. Z₅B. kann beim Entwurf einer Vorrichtung nach der Erfindung die Grosse der Oberflächenbelüftungseinrichtung so gevählt werden, dass man einen Durchmesser erhält, der den gewünschten Wert des Mischfaktors innerhalb der nachstehend ange-

509820/0793

führten Werte ergibt. Zusätzlich kann jede der individuellen Belüftungsvorrichtungen für die Oberfläche,die in der Zeichnung gezeigt sind, tatsächlich eine Anzahl Belüftungseinrichtungen mit unterschiedlichen Schaufolraddurchmessern aufweisen, derart, dass eine oder mehrere der kleineren oder grösseren Schaufelräder abwechselnd oder gleichzeitig betrieben werden können, in Abhängigkeit vcn Änderungen der einfliessenden Flüssigkeitsmischung,so dass der Mischfaktor innerhalb des gewünschten Bereichs von Werten gehalten werden kann, trotz Schwankungen in den Zuströmbedingungen, wie sie sich durch tägliche oder saisonbedingte Fluktuationen ergeben. Es können somit eine oder mehrere Belüftungseinrichtungen mit Schaufelrädern kleineren Durchmessers unter den üblicherweise nachts auftretenden Bedingungen betrieben werden, wenn das Zuströmvolumen stark abfällt und damit seinerseits den Wert der linearen Geschwindigkeit (U) herabsetzt. Umgekehrt können die Belüftungseinrichtungen mit grosserem Durchmesser verwendet werden zusammen oder ohne diejenigen mit kleinerem Durchmesser, wenn tägliche Belastungsspitzen der Strömungsrate auftreten oder während der Belastungsspitzen, die saisonbedingt sind, wie etwa während Perioden mit starken Regenfällen oder mit verstärkter industrieller Aktivität. Auch können unterschiedliche Werte von N χ D/U für einige der Belüftungseinrichtungen gewählt werden, so dass benachbarte Einrichtungen mit unterschiedlichen Mischfaktoren zusammenwirken können, um unterschiedliche Grade des Rückstromverhältnisses zwischen den ihnen zugeordneten Flüssigkeitsbereichen zu ergeben.

Wenn die Strömungsrate des Abwasserzuflusees aus irgendeinem der oben erwähnten Gründe ansteigt, wäthst offenbar auch der Wert von (U) mit daraus sich ergebender Abnahme des

509820/0793

Wertes von N χ D/U, wo (N) und (D) feste Grossen sind . Es wurde jedoch gefunden, dass da das Rückstromverhältnis abnimmt, wenn der Wert von N χ D/U abnimmt, der Grad der effektiven Stufenbildung zunimmt. Eine nach der Erfindung ausgebildete Anlage bzw. Vorrichtung hat daher die ihr inherente und besondere Fähigkeit, ihre:-Wirksamkeit zu steigern, wenn die Zuflussrate von Abwasser die vorgesehene Kapazität übersteigt.

Normalerweise wird die lineare Geschwindigkeit U anfänglich gewählt, aber in manchen Fällen kann sie während des Betriebs der Abfall- bzw. Abwasserbehandlungsanlage geändert werden. Der anfängliche Wert kann durch geeignete Wahl der Querschnittsfläche A des Durchströmkanals für ein gegebenes Volumen des Zustroms pro Zeiteinheit bestimmt werden. Zusätzlich kann in mancen Fällen das Zuströmvolumen pro Zeiteinheit dadurch geändert oder gesteuert werden, dass die Rate des durch die Pumpe 42 zugeführten Schlamms geändert oder dass eine Pumpe 90 veränderbarer Geschwindigkeit und/oder ein Ventil 92 in der Zuführleitung 22 vorgesehen wird. Zum Beispiel kann die Verwendung solcher Pumpen oder Ventile xum Steuern des Zuflussvolumens pro Zeiteinheit und dadurch der linearen Strömungsgeschwindigkeit U in Fällen verwendet werden, wo die gesamte Abwässerbehandlungsanlage ein stromaufwärts gelegenes erstes Klärbecken aufweist, das auch als Beruhigungstank zum Vermindern und/oder Steuern volumetrischer Strömungsschwankungen dienen kann, oder vo der gesamte Belüftungstank eine Anzahl getrennter Belüftungs-Strömungswege oder Kanäle in paralleler Schaltung aufweist, von denen nur einer in der Zeichnung gezeigt ist. Es kann dann die Zuströmrate für jeden Belüftungskanal durch die Verwendung von Ventilen 92 geändert werden, um die Zahl der Kanäle, die gleichartig in Betrieb sind, zu vergrössern oder zu verringern und/oder es können die Pumpenge-

509820/0793

schwindigkeiten geändert werden, um eine Änderung der Zuströmrate zu bewirken oder eine solche Rate aufrechtzuerhalten*

Die Erfindung sieht daher vor, dass jeder der Parameter N, D und U ursprünglich gewählt und/oder individuell oder in verschiedenen Kombinationen geändert wird, um den Belüftungs-Mischfa.ktor N χ D/U zu bestimmen und zu ändern und dadurch wieder das Rückströmverhältnis während des Betriebs der Anlage zu bestimmen und/oder zu verändern_β

Es wurde auch noch ein zweiter Faktor gefunden, der den Grad der Vermischung zwischen den Bereichen wesentlich beeinflusst. Dieser Faktor bezieht sich auf die Eintauchtiefe der Gastrennwände in die Flüssigkeitsmischung. Gemäss der Erfindung können daher vertikal bewegbare Oberflächentrennwände 80 zum Einsatz kommen, die gehoben und gesenkt werden können, beispielsweise mit Hilfe von Steuerstangen 82, die von Motoren 84 über Untersetzungsgetriebe 86 betätigt werden. Natürlich können anstelle der Motoren 84 und Getriebe auch geeignete von Hand betätigbare, hydraulische, pneumatische oder mechanische Antriebseinrichtungenzum Heben und Senkender bewegbaren Trennwände 80 dienen„ Weite¹ ist zu bemerken, dass die bewegbaren !Trennwände 80 unabhängig davon verwendet werden können, ob feste Trennwände 60 vorgesehen sind oder nicht, wie dies beispielsweise durch die bewegbare Trennwand 80a gezeigt ist, der keine feste Trennwand 60 zwischen den letzten beiden Flüssigkeitsbereichen des gezeigten Ausführungsbeispiels zugeordnet ist. Auch herden nach der Erfindung nicht bewegbare Oberflächentrennwände für solche Anwendungen vorgesehen, wo unterschiedliche Eindringtiefer der Trennwände nicht erforderlich sind.

609820/0793

Bei solchen Anwendungen können feste Trennwände verwendet werden, die sich uai eine vorbestimmte Längein die oberste Schicht der Flüssigkeitsmischung hinein erstrecken, und solche festen Trennwände können den unteren Teil der Gastrennwände 60 oder getrennte kurze Trennwände aufweisen, entsprechend den Trennwänden 80,jedoch starr statt bewegbar gelagert. Der Ausdruck "Oberflächentrennwand¹¹ bezeichnet daher hierin jede Art von Trennwand, die sich nur um ein kurzes Stück in den oberen Teil bzw, die obere Schicht der Flüssigkeitsmischung hineinerstreckt, unabhängig davon, ob eine solche Trennwand; fest, bewegbar, Teil einer Gastrennwand oder eine gesonderte Trennwand ist. Normalerweise sollten sich solche Oberfläehentrennwände über den grösseren Teil der Breite des Strömungsweges oder Flüssigkeitsbecken erstrecken, aber es ist nicht erforderlich, dass sie sich über öle gesamte Breite erstrecken, wofür eine Anzahl von Faktoren, darunter z.B. die Grosse der gewünschten Rückströmung, die Eintauchtiefe usw. massgebend sind.

Nachdem vorstehend die mechanischer Teile der Vorrichtung und die Verfahrensparameter beschrieben wurden, von denen gefunden wurde, dass sie die anfängliche Wahl sowie Änderungen des Grades an Vermischung der Bereiche ermöglichen, wer den . nunmehr nachfolgend die bevorzugten und optimalen Werte dieser Verfahrensparameter näher beschrieben. Bei den erwähnten Versuchen wurde eine Pilotanlage betrieben, deren Belüftungstank durch Gastrennwände - ähnlich den Trennwänden 60 - in fünf Gasstufen unterteilt war, in deren jeder sich eine Einrichtung zum Belüften der Oberfläche befand. Dieser BeIUftungstank hatte keine Unterteilungen oder Trennwände, die sich durch die Flüssigkeitsmischung erstreckten, sondern wurde lediglich mit Gastrennwänden unterschiedlicher Eindringtiefe in die oberste Schicht der Flüssigkeitsmischung betrieben.

509820/0793

Wären physische, jeweils zwischen den Belüftungseinrichtungen sich durch die Flüssigkeitsmischung erstreckende, Trennwände vorgesehen gewesen, so ist ersichtlich, dass maximal fünf Flüssigkeitsbereiche bzw. Teilbereiche vorgesehen gewesen wären. Als Untersuchungsergebnis mit der Pilotanlage ohne physische Trennwände in der Flüssigkeit wurde festgestellt, dass die Anlage so arbeitete, als ob vier oder mehr physisch getrennte Flüssigkeitsbereiche vorhanden gewesen wären, wenn die Parameterwerte verwendet wurden, die unten in Tabelle I unter "optimaler Bereich" angeführt sind» Bei dieser Arbeitsweise hat das System also eine "effektive Stufung" von 80 % oder mehr. Ein Betrieb ausserhaTb des optimalen Bereichs führte zu einem "bevorzugten Bereich", in dem eine "effektive Stufung" von 60 % oder mehr erreicht wurde, während ein Betrieb innerhalb des als "Brauchbarer Bereich" bezeichneten breiterenBareichs eine "effektive Stufung" in der Grössenordnung von 30 % oder mehr ergab.

Tabelle I Parameter für "effektive Stufung"

Brauchbarer Bevorzugter Optimaler Bereich Bereich Bereich

g/q (FLückstromverhältnis)

0,02-4,0 0,02-1,2

0,02-0,55

N χ D/U (Belüftungsmischfaktor) 10-550 10-250 10-150

Geschwindigkeit (U)

Meter/Minuten 0,008-0,5 0,014-0,23 0,015-0,08

% Eindringtiefe der Oberflächentrennwände 2-10 %

6-15 %

1G-20

509820/0793

Den vorstehenden Daten ist zu entnehmen, dass für kommerzielle Belüftungssysteme mit Tiefen der Flüssigkeitsmischung im Bereich zwischen 2,4 - 7,6 m die Oberflächentrennwände nur eine Sindringtiefe im Bereich von 15 bis 90 cm zu haben brauchen, und zwar selbst dann, wenn ein hohes Mass an effektiver Stu.f\jng gewünscht ist. Zugleich ergeben, diese Studien mit der Pilotanlage das Mass, in dem die gleiche physikalische Anlage oder Teile derselben betrieben werden können, um eine Arbeitsweise mit Aktivschlamm zu ergeben, die einer vollständigen Vermischung angenähert ist; d.h. also eine dem eingangs erwähnten CMAS-Verfahren angenäherte Arbeitsweise. Diejenigen Steuerparameter, von denen gefunden wurde, dass sie annähernd eino· solchen Arbeitsweise mit vollständiger Vermischung entsprechen, sind nachstehend in Tabelle II aufgeführt.

Tabelle II

Parameter für die Annäherung an das CMAS Verfahren

g/q (Rückstromverhältnis) ^ 4,0

N χ D/U (Belüftungsmischfaktor) y 550

Geschwindigkeit (U)

meter/Minuten 4 0,008

% Eindringtiefe der
Oberflächentrennwände <^ 2 %

Es ist daher ersichtlich, dass die Erfindung nicht nur einen hohen Grad an"effektiver Stufung"ergibt, ohne dass durch die Flüssigkeitsmischung sich erstreckende Trennwände verwendet werden, sondern auch einen bisher nicht erreichbaren Grad an Flexibilität der ursprünglichen Anlage und/

5 0 9820/0793

oder Betriebsweise eines oxygenierten Abfall- bzw. Abwasserbehandlungssystems in einer Anzahl sehr unterschiedlicher Verfahren ermöglicht. Hinzu kommt, dass nach der Erfindung die Möglichkeit gegeben ist, das Einlassende eines oxygenierten Belüftungstanks auf eine Weise zu betreiben, die dem CMAS-Verfahren nahekommt, beispielsweise um den sehr häufig anzutreffenden, in weiten Grenzen schwankenden Zuflu^scedingungen Rechnung zu tragen, während zugleich die Möglichkeit besteht, den restlichen Teil des Tanks mit effektiver Stufung der Flüssigkeitsmischung zu betreiben, wodurch ein Maximalwert der Verminderung des biochemischen Sauerstoffbedarfs pro Volumeneinheit des Belüftungstanks erzielt wird.

Nachdem verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist ersichtlich, dass zahlreiche Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne über den Rahmen der Erfindung hinauszugehen. Zum Beispiel kann die anhand der Zeichnung beschriebene Anlage nur als ein Teil des gesamten Belüftungssystems verwendet werden, das weiter einen oder mehrere Flüssigkeitsbereiche umschliessen kann, die von einer oder mehreren Trennwänden stromaufwärts und/oder stromabwärts der von Trennwänden freien, oben beschriebenen, Flüssigkeitsbereiche geformt sind. Die Erfindung umfasst daher auch die Kombination von stromaufwärts oder stromabwärts vorgesehehen, durch Trennwände gebildeten Bereichen zusätzlich zu den offenbarten, von Trennwänden in der Flüssigkeit freien Bereichen,die auf eine Vielzahl unterschiedlicher Arten betrieben werden können, wie dies oben erläutert wurde.

/ Ansprüche 509820/0793

Claims

Da/-mr~ Air Products and Chemicals ,Inc,

November 1974 Case 2004

Patentansprüche

Verfahren zum Oxygenieren und Reduzieren des biologischen Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsmischung, dadurch gekennzeichnet, dass man die Flüssigkeitsmischung durch einen nicht unterteilten Flüssigkeitsbereich eines Belüftungstanks fliessen lässt, dass in den Belüftungstank ein sauerstoffreiches Belüftungsgas eingeführt wird, dass die Flüssigkeitsinischung in dem genannten Bareich mit dem Belüftungsgas oxygeniert wird, indem man eine Anzahl Vorrichtungen zum Durchlüften der Oberfläche rotieren und kontinuierlich Teile des Flüssigkeitsgemischs mit dem Belüftungsgas in Berührung treten lässt, wobei in dem genannten Bereich der Mischfaktor N χ D/U der Durchlüftungsvorrichtungen zwischen 10 und 550 gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Mischfaktor zwischen 10 und 250, vorzugsweise zwischen 10 und 150 gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Mischfaktor dadurch auf dem gewünschten Wert gehalten wird, dass die Drehzahl der Durchlüftungsvorrichtungen geändert wird, dass die Eintauchtiefe der Schaufeln der Durchlüftungsvorrichtungen geändert wird, und/oder Anstellwinkel und Anzahl der Schaufeln gewählt „wird.

509820/0793

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3_t dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Geschwindigkeit (U) der Flüssigkeitsmischung zwischen 0,008 und 0,5 m/min gehalten wird.

5v Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass die lineare Geschwindigkeit (U) zwischen 0,014 und 0,23 m/min,vorzugsweise zwischen 0,015 und 0,08 m/min gehalten wird.

6. Verfahren nach einein der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die oberste Schicht des Flüssigkeitsgemisches in dem genannten Bereich in Teilbereiche mit Hilfe von Trennwänden (60) unterteilt wird, deren Eintauchtiefe in die oberste Schicht der Flüssigkeitsmischung zwischen 15 und 90 cm gehaltoiwird, wobei das Rückstromverhältnis g/q der Flüssigkeitsmischung unterhalb der Oberflächentrennwände zwischen 0,02 und 4,0 gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gelee nnzeichnet, dass das Rückstromverhältnis g/q zischen 0,02 und 1,2, vorzugsweise 0,02 und 0,55 gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7_f
dadurch gekennzeichnet,

. dass die Eintauchtiefe der Oberflächentrennwände geändert wird, um das Rückstromverhältnis g/q innerhalb des gevrtlnschten Grössenbereichs zu halten.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht unterteilte flüssige Bereich den gesamten

509820/0793

Strömungsweg durch den Belüftungstank umfasst.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht unterteilte flüssige Bereich den grosseren Teil des Belüftungstanks umfasst.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Belüftungstank erste und zweite Bereiche aufweist, wobei ein Bereich von dem genannten nicht unterteilten flüssigen Bereich gebildet wird und der andere Bereich ein zweiter, nüit unterteilter flüssiger Bereich ist, der annähernd unter Bedingungen des CMAS-Verfahrens gehalten wird, mit einem Rückstromverhältnis g/q, das grosser als 4,0 ist, wobei dieser zweite Bereich stromaufwärts oder . stromabwärts von dem genannten ersten Bereich liegt.

12.Verfahren nach Anspruch11,

dadurch gekennzeichnet, dass der Mischfaktor N χ D/U in dem anderen bzw. zweiten Bereich oberhalb von 550 gehalten wird.

13. Vorrichtung zum Oxygenieren und Reduzieren des biologischen Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsmischung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Belüftungstank (10) vorgesehen ist, der einen nicht unterteilten, die Flüssigkeitsmischung aufnehmenden Durchflusskanal bildet, dass eine Einrichtung (48) zum Zuführen sauerstoffreicben Belüftungsgases zu diesem Durcb-flusskanal vorgesehen ist, ferner eine Anzahl von Einrichtungen (70) zum Belüften der Oberfläche in Abständen längs

509 8 2 0/0793

des Durchflusskanals, Steuereinrichtungen (74, 76) für die Drehzahl der Belüftungseinrichtungen für die Oberfläche und eine Steuerung für die lineare Geschwindigkeit (U) der durch den Durchflusskanal strömenden Flüssigkeitsmischung, wobei der Durchmesser (D) der Belüftungseinrichtung für die Oberfläche und die Querschnittsfläche des Durchflusskanals derart bemessen sind_t dass der Mischfaktor N χ D/U der Belüftungseinrichtungen zwischen 10 und 550 gehalten werden kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13»
dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Oberflächentrennwänden (60, 80a) zwischen wenigstens einigen der Oberflächenbelüftungseinrichtungen (70) in die oberste Schicht der Flüssigkeitsmischung hinein sich erstreckend angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentrennwände (80, 80a) zum Heben und Senken angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15» dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentrennwände sich bis zu einer Tiefe zwischen 15 und 90 cm in die oberste Schicht der Flüssigkätsmischung hinein erstrecken.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentrennwände sich bis zu 2 bis 20 % der Tiefe der Flüssigkeitsmicchung, vorzugsweise bis zu 6 bis 15 % oder 2 bis 10 % hinein erstrecken»

50 9 820/079 3

-S-

18. Vorrichtlang nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dassMittel zum Ändern des Rückstromverhältnisses g/q zwischen 0,02 und 4,0 Vorgesehen sind.

Patentanwalt;

Da

509820/0793