Pulsationen zur Verbesserung des Belebungsprozesses in Klärwerken

Transkript

1 Prof. Dr.-Ing. habil. J. Briesovsky, BB Resopuls Ingenieurbüro Merseburg Dr. rer. nat. P.Fiedler, Fiedler Maschinenbau GmbH, Lützen M. Löbmann, Hochschule Merseburg (FH) Pulsationen zur Verbesserung des Belebungsprozesses in Klärwerken 1. Zur Abwasserbehandlung in Belebungsbecken In den Belebungsstufen, die bis zu 2/3 der gesamten Energiekosten in Klärwerken verursachen, hat sich die Druckbelüftung durchgesetzt. Die Beckentechnologie wurde zur Turm- bzw. Hochbiologie in Stahlbehältern weiterentwickelt. Nach Brauer /1 / war der biologische Abbauprozess in diesen Reaktoren wenig verändert zur herkömmlichen Beckentechnologie. Im von Brauer entwickelten Hubstrahlreaktor sollten folgende Verbesserungen eintreten: - Erzeugung sehr kleiner Bakterienagglomerate, um für die biochemische Stoffumsetzung die größtmögliche Oberfläche zu erhalten, - Verstärkung der biochemischen Stoffumsetzung durch gezielte mechanische Beanspruchung, - Beschleunigung der Flockenbildung, die zu einer hohen Konzentration der Biomasse im Sediment und im Rücklauf sowie im Bioreaktor führt, - Erzeugung sehr kleiner Luftblasen und ihre periodische Erneuerung durch die Richtungsänderung der Hubelemente, - Intensive Vermischung aller die Biosuspension bildenden Elemente und ihre gleichmäßige Verteilung im gesamten Volumen des Reaktors. Der Hubstrahlreaktor konnte offensichtlich nicht bis zum praktischen Einsatz geführt, werden, denn es gibt hierzu keine Informationen. Mit der ResoPulsTechnologie (RPT) können die genannten Vorteile auch ohne mechanisches Rühren erreicht werden. Das betrifft insbesondere die biochemische Umsetzung und die Verbesserung des Sauerstoffeintrages sowie die Homogenisierung des Prozessraumes. 10-1

2 2. Luftsauerstoffeintrag mit Pulsationen Die Intensität des Stoffaustausches in begasten Flüssigkeitssystemen hängt von der Oberfläche des Phasenkontaktes und vom Stoffübertragungskoffizienten ab, dessen Größe in Blasensäulen im wesentlichen durch die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit und in begasten Rührapparaten durch die dissipierte Leistung bestimmt wird. Für größere Blasen mit beweglicher, oszillierender Oberfläche nimmt der Stoffübergang stark zu, wodurch die mit der Blasenvergrößerung stattfindende Verringerung der Gesamtoberfläche für den Stoffdurchgang mehr als kompensiert wird. Der Übergang von starrer zu beweglicher Blase findet für Wasser/Luft bei einem Blasendurchmesser von ca. 1-2 mm statt, so dass als Ziel diese bzw. auch etwas größere Blasen angestrebt werden, da der Sauerstoffeintragsprozess mit maximaler Intensität organisiert werden kann, wenn die Blasenoberflächen eine große Beweglichkeit haben. Untersuchungen zum Sauerstoffeintrag mit zusätzlichem Energieeintrag durch Schwingungen sind bisher wenig publiziert. Einen Überblick gibt die folgende Tabelle 1. Daraus ist ersichtlich, dass die Verbesserungen des Sauerstoffeintrages mit resonanten Schwingungen, d.h. im Eigenschwingungszustand des Gas-Flüssigkeitsgemisches am höchsten sind. Ostrovsky hat die Phänomene untersucht und zusammengefasst /7/. 10-2

3 Table 1: Reported Oxygen mass transfer coefficients with Pulsation (Puls) Author X.Ni, S.Gao, R.H.Cumming and D.W.Prichard, CES V.50, Nr.13, S M.R.Hewgill, M.R.Mackley, A.B.Pandit, S.S.Pannu, CES V.48, No.4, p G.M.Ostrovsky TOCHT 1990, p ECH GmbH, Halle (unveröffentlicht) J. Ellenberger, R. Krishna, CES v.57 (2002) p Ostrovsky G.M. J.Briesovsky, Glebov, 3. Fachtagung Resonanzschwingtechnologien in der Verfahrenstechnik Bubble Column (BC) Stirred tank(st) D- Diameter H- Hight. BC Baffled D=50 mm H= 500 mm, ST V=2 l and 30 l BC D= 26 mm BC CES-Chemical Engineering Science Tocht (russian journal) Wg= 1vvm (const.) Wg= 0,42-24 mm/s Wg= 0,001 0,042 m/s Frequency f- (1/s= (Hz) Amplitude a (mm) f=1-12 Hz a=1-14 mm Parameter Φ- hold-up (Gasgehalt) wg-superficial gas velocity m/s Leerrohrgasge- schwindigkeit- Oscillationsparameters Resonance no Volumetric oxygen transfer coefficient, 1/h, 1/s Kla-Wert Power density Energieeintrag W/m3 Kla values in the BC are on average 75 % higher then those in the ST fermentor For kla 100 1/hr BC: 250 W/m3 ST 2000 For kla 200 1/hr BC 2000 W/m3 ST 7000 W/m3 f=8 Hz (const.) no Sixfold increase in kla was meshered as compared with those fot a bubble columnü For kla /s BC: 25 W/m3,ST=200 W/m3 f= 0-28 Hz a= 1-6 mm yes The kla-value is greater up to the gas vacant pipe speed of 0,01 m/s with Pulsation around the factor 10 BC yes BC :1,1 1/h BC+Puls:11,1 1/h BC, D=0,1m H= 4 m Wg=0-12 mm/s F=0-400 Hz yes Kla values are improved by about factor of 2 due to vibration excitement BC Wg= 0,0071 m/s F= 0-36 Hz yes 10-3

4 3. Belüftungsuntersuchungen mit resonanten Pulsationen Die Untersuchungen von Flüssigkeiten mit Luft in Blasensäulen unter Laborbedingungen von Ostrovsky /2, 3/ erbrachten beträchtliche Erhöhungen des Stoffdurchgangswertes, die auf einer völligen Veränderung der Blasenstruktur, der Blasengröße, der Verminderung der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit und der Grenzschichterneuerung durch die stete Veränderung des Flüssigkeitsdruckes an den Blasen basieren. Der Stoffdurchgangswert für den Sauerstoff (k L a- Wert), der bei üblichen Blasensäulen mit Luftbegasung von Wasser und einer Leerrohrgasgeschwindigkeit von 0,01 m/s bei ca. 0,01 1/s liegt (untere Linien nach Yu /4 /, Ostrovsky /2/ und Ellenberger/5/) erhöht sich mit Resonanzpulsation auf ca. 0,1 1/s (Kurve 1 aus Ostrovsky /2/ bei einer Resonanzfrequenz von f=28 Hz und einer Amplitude a=0,5 bis 1,2 mm). Versuche von Ellenberger und Krishna /5/ bei f=60 Hz und a=0,5 mm erbrachten ähnliche Tendenzen (Kurve 2). Die Versuchseinrichtungen sind in den Bildern 2 und 3 dargestellt. Bild 1: Abhängigkeit des k L a- Wertes bei der Luftbegasung von Wasser von der Leerrohrgasgeschwindigkeit ohne (untere Linien nach Yu/4/ und Ostrovsky/2/) und mit Resonanzpulsation ((1)Ostrovsky 1990 f=28 Hz) sowie mit Schwingungen ((2) Ellenberger und Krishna /5/ bei f=60 Hz, a= 0,5 mm). 10-4

5 Bild 2 : Versuchseinrichtung von Ostrovsky/ 2 / (1- Glasrohr DN, 2- Formmembran, 3- Exzenterantrieb, 4- Belüfter, 5-Ventil, 6-Rotameter, 7- Membran, 8- Gasraum) Bild 3: Versuchseinrichtung von Ellenberger und Krishna /5/ mit TIRA-Vib-Shaker (vibration exciter) der Fa. TIRA (Thüringen) 10-5

6 Zur weiteren Bestätigung der theoretischen Erkenntnisse insbesondere zu den Berechnungsgleichungen wurden von Ostrovsky /3/ spezielle Untersuchungen zum Schwingen mit Frequenzen bis zur Eigenfrequenz der Blasen und auch zur Problematik der Herausbildung stehender Wellen gemacht. Die Versuche fanden statt in einer Glaskolonne mit 4 cm Durchmesser und einer Flüssigkeitshöhe von 1280 mm (Bild 4). Die Leerrrohrgasgeschwindigkeit betrug 0,007 m/s Die Ergebnisse zeigten eindeutig, dass sich mit der Erhöhung der Frequenz die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit verminderte und sich Wellenbäuche und knoten herausbildeten. In diesen Punkten wird die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit minimal mit einem starken Anwachsen des Gasgehaltes bis zur Bildung von Gaspfropfen Bild 4: Blasensäule für die Untersuchung der Resonanzfrequenzen und der Ausbildung stehender Wellen 1-Ventil zur Modellierung des oberen Gaspolsters, 2-Abluft, 3-Gaspolster, 4- Blasensäule, 5-Gasverteiler, 6-Lufteintritt, 7- Membran, 8-Pulsatoranschluß, 9-Pulsator Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 zusammengefasst. Die Berechnungen der Resonanzfrequenz erfolgten mit den Werten für den Blasendurchmesser δ 0 = 5 mm, die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit von w 0 = 0.25 m/s und der beobachteten Amplitude von 5 mm. 10-6

7 Erreger- frequenz f, Hz Amplitude δ, mm Gasgehalt Gasverteilung Beobachtete Resonanz Resonanzfrequenz f, Hz berechnet schlecht* gut ja ideal** ja gut*** nahe 37.3 Tabelle 2: Resonanzfrequenz (beobachtet und rechnerisch) mit Aussagen zum Zustand des Flüssigkeits-Gas-Gemisches Erläuterungen zur Tabelle: *schlechte Gasverteilung (Spalte 4)heißt, dass die Blasen ungleichmäßig über den Kolonnenquerschnitt verteilt sind, klar ausgeprägt ist die Längsvermischung, einige Blasen bewegen sich nach unten; gut bedeutet, dass die Blasenaufstiegsgeschwindigkeiten gleich sind und die Blasen über dem Querschnitt gleichmäßig verteilt sind ; es entsteht der Eindruck einer festen Verkettung der Blasen untereinander. **ungefähr in halber Gas-Flüssigkeitshöhe beobachtete man ein Anwachsen des Gasgehaltes und ein intensives Ineinanderfließen der Blasen, wobei innerhalb einer Länge von 5 Kolonnendurchmessern von dieser Stelle die Blasengröße und der Gasgehalt sich stabilisierten. ***nicht stationärer Zustand, d.h. im System bildeten sich und verschwanden zyklisch die resonanten Pulsationen. Die letzte Zeile der Tabelle entspricht mit großer Wahrscheinlichkeit der zweiten Resonanzfrequenz, wenngleich diese Frequenz von 36 Hz als nichtresonant empfunden wurde. Offensichtlich verringert sich die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit so stark, dass in den Knotenbereichen Gaspfropfen auftraten und der Schwingungszustand deshalb von dem üblichen Resonanzzustand abwich. Um die Verhältnisse bei größeren Apparaten einzuschätzen, wurden Belüftungsversuche in einem Glasbehälter (Durchmesser: 400 mm und Wasservolumen: 100 l) mit einer maximalen Leerrohrgasgeschwindigkeit von 0,0013m/s durchgeführt. Die Anordnung zeigen die Bilder 5 und 6. Die Sauerstoffzufuhr erfolgte nach der Absorptionsmethode (auch dynamische Methode genannt) mit Sauerstoffreduzierung durch Stickstoffbegasung. 10-7

8 Bild 5: Schematische Darstellung der 100 l-versuchsanlage 1- Stickstoffzuleitung, 2- Luftzuleitung, 3- Frequenzumrichter, 4- Pulsatorantrieb, 5- Sauerstoffmesssonde, 6- Gasverteile, 7- Membran, 8- Glasbehälter, 9- Temperaturmessung Bild 6: Foto der Versuchsanordnung entspr. Schema des Bildes

9 Die Ergebnisse sind beispielhaft im Bild 7 dargestellt. Die Sauerstoffkonzentrations zunahme über der Zeit zeigt für den Versuch ohne Pulsation (grüne Punkte M4) nach 5 Minuten eine Sauerstoffkonzentration von 4 mg/l. Bei Pulsationen mit 10,8 Hz bzw. 12,2 Hertz (M2 bzw. M11), was entsprechend der Berechnungen von Ostrovsky (s. vorherige Tabelle) der ersten Resonanzfrequenz entspricht, wird diese Konzentration schon nach 1,5 Minuten erreicht. Das bedeutet eine Verbesserung des Sauerstoffeintrages mit Pulsationen um ca. 300 %. 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 C O2 in mg/l 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 t in min M4, 0 Hz M7, 5 Hz M8, 7 Hz M2, 9,3 Hz M10, 10,8 Hz M11, 12,2 Hz Bild 7: Zeitlicher Verlauf des Sauerstoffeintrages im 100 l Pilotapparat in Abhängigkeit von der Pulsationsfrequenz Es wurden weiterhin Belüftungsversuche in einem 10 l-glasbehälter (Bild 8) als Vergleich zu den Ergebnissen im 100 l-behälter gefahren. Dabei wurden die Ergebnisse bestätigt. Bei derselben Gasleerrohrgeschwindigkeit von 0,0013 m/s wurde die Konzentration von 4 mg/l ohne Pulsation nach 5 Minuten und mit Pulsation nach 1,5 Minuten erreicht. Bei einer Pulsation mit 15 Hz wurde die Sauerstoffkonzentration von 4 mg/l schon nach einer Belüftungszeit von 1 Minute erreicht. Das bestätigt die These, dass die Erregerfrequenz möglichst in der Nähe der Blaseneigenfrequenz liegen soll. 10-9

10 Bild 8: 10 l-glasbehälterversuchsanlage Hochschule Merseburg (FH) mit Pulsationsvorrichtung (links) bzw. Rührer (rechts) 10,00 9,00 8,00 7,00 C O2 in mg/l 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 t in min 10 l Behälter, w = 0,0013 m/s, f = 15 Hz (Puls) 100 l Behälter, w = 0,0013 m/s, f = 9,3 Hz (Puls) 10 l Behälter, w = 0,0013 m/s (ohne Puls, Rührwerk) 10 l Behälter, w = 0,0013 m/s, U = 75 1/min (Rührwerk) Bild 9: Zeitlicher Verlauf des Sauerstoffeintrages im 10 l- Pilotapparat in Abhängigkeit von der Pulsationsfrequenz und mit Rührer sowie Vergleich mit dem 100 l-apparat 10-10

11 4. Mikrobiologische Untersuchungen Die Untersuchungen des Stoffdurchganges von Luftsauerstoff in sog. Reinwasser sagen noch wenig über den aeroben Prozess zum Aufbau von Wertprodukten (z.b. in der Biotechnologie) bzw. zum Abbau von Schadstoffen bei der Abwasserbehandlung aus. Zum ersten Problemkreis wurden Versuche am Hans-Knöll-Institut für Naturstoffforschung, Jena, zur Decalacton-Herstellung durch Yarrowia lipolytica durchgeführt, die eine Erhöhung an Endprodukt von ca. 40 % erbrachten /6/. Die Versuche wurden im 100 Liter Airliftfermentor mit Pulsation /7/ durchgeführt. In Versuchen zur Abwasserbehandlung in Belebungsbecken wurde in Batchversuchen im 10 l- Apparat festgestellt, dass die Pulsationen bezüglich des CSB-Abbaus gleichwertig sind zum Rührapparat (Bild 10). Visuell (Bilder 11 bis 13) ist ebenfalls die Wirksamkeit des Abbaus gut zu erkennen C CSB in mg/l 100 y = -5,283x + 147,36 R 2 = 0, y = -5,8774x + 111,81 R 2 = 0, t in h Pulsation Rühren Linear (Pulsation) Linear (Rühren) Bild 10: CSB-Abbau in 12 Stunden mit Pulsation (blaue Punkte)und Rühren (rote Punkte) 10-11

12 Bild 11: Belebtschlamm vor der Versuchsdurchführung (Mikroskop, 50-fache Vergrößerung) Bild 12: Belebtschlamm nach Einsatz Von Resonanzpulsation, (Mikroskop: 50fache Vergrößerung) Bild 13: Belebtschlamm nach Einsatz des Rührers, (Mikroskop,50fache Vergrößerung 10-12

13 Literatur 1 Brauer, H. : Abwasserreinigung bis zur Rezyklierungsfähigkeit des Wassers. Chem.-Ing.-Tech. 63 (1991) Nr.5, S Островский Г. М., Малышев П. А., Аксёнова Е. Г. ТОХТ, 1990, т. 24, 6, с Ostrovsky, G.M., A.W. Glebov, J. Briesovsky : Untersuchungen resonanter Pulsationen in Blasensäulen. 3.Fachtagung, Sankt Petersburg, Russland, 26./ Yu, B.: Untersuchungen zum Stoffaustausch in Airlift-Schlaufenreaktoren mit suspendierten Feststoffen. Dissertation Universität Dortmund. Fortschrittsberichte VDI, Reihe 3: Verfahrenstechnik, Nr.352, VDI-Verlag, Düsseldorf, Ellenberger, J., R. Krishna: Improving mass transferin gas-liquid dispersions by vibration excitement. Chemical Engineering Science. v.57, p Willing, K.: Anwendung der Resonanzpulsationstechnik bei der Fermentation von γ- Decalacton. Vortrag., 4. Fachtagung Resonante Pulsationen in der Prozesstechnik 7.Oktober 2004, Halle a. d. Saale 7 Patent DE A1 Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung einer Fermentation 8 Островский Г. М. Прикладная механика неоднородных сред. Sankt Petersburg Verlag Nauka, 2000, 359 S