專利名稱：用于在具有整體液壓沉降層提取的生物反應器中生物處理懸浮液的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在一個于底部附近具有中心輸出口的生物反應器中生物處理懸浮液的方法，其中為了懸浮液的循環，至少一部分懸浮液通過垂直校準的導入區域導入，從而形成延伸至生物反應器底部附近的或從生物反應器底部附近流出的至少一部分懸浮液的垂直流。本發明還涉及一種用于實施該方法的裝置。
背景技術：
用于生物處理懸浮液的方法例如是用于生物處理廢水、污水泥漿或廚房廢物的有氧或無氧方法，在這些方法中，懸浮液所含的可生物分解的物質被微生物分解。
以下對于用于獲得生物氣體的方法應理解為無氧處理含有生物可分解的物質的懸浮液，特別是處理污水泥漿時廢物或泥漿發酵物的發酵。在此，生物可分解物質，也稱為發酵介質，在稱為發酵反應器的生物反應器中在隔絕空氣下發酵成生物氣體。為了在發酵反應器中充分混合發酵介質，常常使用機械攪拌系統或液壓循環泵系統。也應用在發酵反應器底部附近多次壓入氣體。
對于所謂的循環反應器，氣體注入到設置在發酵反應器內部的中心導管中，由此將發酵介質抽取到導管中。以這種方式，例如發酵反應器底部附近的發酵介質直至處于發酵反應器表面的發酵介質都可通過導管輸送，從而至少大部分發酵介質可在發酵反應器中循環。例如在DE 19725 823 A1中描述了一種這樣的系統。該系統除了有基本的特征外，即在發酵反應器中沒有活動的部件，還有其他的優點例如通過垂直循環達到梯度小的、良好的充分混合。此外還以熱水流的雙層導管的形式提供了在發酵反應器中載熱體一體化的可能性。另外，將氣體氣泡吹入到循環流中并形成與其相連的表面流以及以徑向方向的表面流的紊流混合，由此可克服漂浮覆蓋物的形成。由于確定的對于中心底部抽取出口方向的沉積物輸送在底部附近的流量比，最終也阻止了沉積物的淤積。
然而在實際工作運轉中已經表明，對于特殊的泥漿和廢物質量，其被輸入到特定裝置的發酵反應器中可出現漂浮層和沉積物的問題，這將需要附加的措施加以解決。
這涉及到具有較高含量的去垢劑和細纖維的塑料顆粒和纖維素顆粒的泥漿，例如由公共廢水處理或特殊的工業有機廢物產生的泥漿，以及高粘度的泥漿，其含有一定來源的較大量的細玻璃碎片和其他無規律地形成的惰性顆粒。
最初的物料可導致漂浮物，其在反應器中發酵物表面的外部區域富集，在此徑向衰減的湍流對于混合是不夠的。對于不類似于沙子的沉積物(已成圓形的石英顆粒)，由于它們不規則的破碎邊緣圓角，可導致顆粒的掛鉤，這對于向中心底部提取的液壓輸送意味著更高的阻力。
因此，本發明的目的是提供一種上述種類的方法，以避免沉積物問題。
發明內容
根據本發明，該目的在方法方面是如下解決在生物反應器的底部附近的垂直流通過導入液體而疊加一水平流，由此在生物反應器的中心出口區域產生螺旋流。
本發明的基本思想還在于，液壓噴射系統加上氣體誘導循環反應器原理。這樣可利用具有導入管和氣體壓入的循環反應器在工藝技術方面的優點，并同時通過液壓系統的循環工作克服特殊介質引起的問題，而且不顯著提高向生物反應器系統的能量輸入。
工藝技術的計算證明，在底部附近向生物反應器噴入的液體自由射流對底部附近的液體物料旋轉起作用。由于向下而且在底部附近朝向中心的垂直反應器循環的液體流與底部附近的旋轉疊加，出現朝向反應器中心的螺旋流。在反應器器壁附近區域中的循環流是最小的，因而沉積物的沉積是可能的，而在反應器器壁附近區域的附加流支持將顆粒向反應器的中心輸送而到達抽取區域。這將通過所謂的“Teetassen效應”來實現，因為根據Bemoullischen方程在這個方向要出現局部的壓力下降。
對于反應容積高達8000m3以及直徑高達22m的反應器，將流動速度為10-15m/s的流體、優選作為液體自由射流導入生物反應器中是足夠的。此外，優選將體積通量為300-600m3/h的液體導入生物反應器中。這樣可產生必需的脈沖流，使得底部附近的液體物料以約0.5m/s的速度在容器器壁附近旋轉。
此外已經證明特別有利的是，與徑流的設置角為40-60°將流體導入反應器中，以產生引起必需的轉矩。此外調節與水平面的傾角為0-10℃，以補償在射流區域(氣泡)中取決于介質的浮力。作為流體實用地是應用一部分懸浮液，其是從生物反應器抽吸取的，并且優選地通過噴嘴作為液體自由射流導入到生物反應器中。
對于不規則成形的固體物小顆粒，總的液體運動尚不足以再次提升已經沉積了的顆粒。然而令人驚奇地顯示出，在具有局部速度大于平均液體速度的有效的自由射流區域的區域中，底部沉積物顯著地比其他的沉積區域少。在此，碎片運動的規律在起作用，在該規律中，根據“馬格努斯效應”，通過底部中滾動的小顆粒運動而將引起小顆粒的垂直的浮升力，其局部地提升小顆粒，從而小顆粒又被帶向朝向中心的流動場中。
在該運動過程總和中，邊緣附近的沉積物向反應器中間移動。這種效應通過在底部基底加工成朝向容器中心的傾角在優選的10-20°之間而得到支持，以能夠使用通常的基礎設計技術。
液體自由射流實用地通過外部所配置的泵產生，必需量的液體從反應器中抽出并再次通過噴嘴輸送回反應器。
為了保證所述的馬格努斯效應作用于整個容器周邊，優選地通過多個在底部附近在生物反應器的周邊內分布的噴嘴將流體導入到生物反應器中。根據反應器的大小，在生物反應器的周邊內以相應的距離設置1至5個噴嘴。
噴嘴的同時工作意味著液壓附加系統2-5倍的能量消耗。然而令人驚奇地顯示，上述效應在底部噴嘴時間上交錯工作也是可實現的，因為即使在中間時間內經沉積的顆粒根據效應還可再次地被進一步輸送。所以根據本發明特別優選的實施方案，所有所安裝的噴嘴與一個泵連接，從這個泵通過順序的循環轉換而順序地加載到各個噴嘴。這使得效率高但費用低的維護的工作方式成為可能。
假如能從生物反應器中沉積的顆粒需要一定的外循環，那么可將相應于所期望的分離度而確定了尺寸的水力旋流器接入用于自由射流系統的泵導管中。然后泵的抽吸導管實用地通到生物反應器的底部中心，在此有富含沉積物的介質部分。
根據本發明思想的其他實施方案，強化的漂浮泥漿處理也通過噴嘴系統進行，所述噴嘴設置于容器周邊的表面附近。在此，從生物反應器抽出的流體部分地或以時間順序附加地通過至少一個在懸浮液水平高度的區域安置的噴嘴如下導入到生物反應器中懸浮液表面和/或在懸浮液表面上漂浮著的漂浮泥漿被移入到旋轉流中。優選地，流體通過在容器周邊內切線方向設置的噴嘴導入到生物反應器中。在此，噴嘴可如在底部附近所設置的噴嘴那樣由同一個泵加載。當接通循環被估計是較少的而且可期望底部系統一或二個附加的接通循環時，這種通過底部噴嘴泵的液壓連接是特別合適的。與此相反，對于取決于介質的漂浮泥漿噴嘴的經常工作運轉，就應選用一個獨立分開的泵。
在容器周邊附近富集的漂浮泥漿顆粒和浮渣顆粒有長時間的粘結和固體化的趨勢。因此，必須經常地濕潤它們并保持其可滑動性，松開其聯接并從粘性附著的氣泡中脫離出來，以減小浮力。在表面附近提取也必須是可能的。
在整個反應器周邊完全去除在技術上是沒有意義的，因為鋼制的發酵反應器大部分在強度上不是針對在反應器頂部斜面區域中的液面而設計的。因此，自由的液體表面相當于圓柱體反應器部分的橫截面。
根據本發明特別優選的實施方案，這問題這樣解決，即、液壓地通過優選的至少一個在容器周邊切線方向設置的噴嘴用液體自由射流沖擊通過徑向表面流從導入區域到容器邊緣外部環形的推在一起的漂浮覆蓋層，并通過經傳輸的脈沖轉變成循環流。在此漂浮泥漿環運動通過射流區域，而且在此以所期望的方式濕潤和松散開。
在液體表面的高度具有可推移的下沉導管并且在容器內壁徑向緊密連接的漂浮泥漿抽取裝置實用地使得漂浮物的必需抽取成為可能，這種漂浮物不能再攪拌入懸浮液中。通過生物反應器中水平高度的改變可以調節條件，使得漂浮覆蓋層通過抽取裝置旋轉或者物料以裝料的方式推入到抽取裝置的裝料箱中。
在此，一個具有與底部噴嘴類似尺寸的噴嘴優選地以如下的距離安裝在漂浮泥漿抽取裝置之前，即、它以還是足夠的脈沖將物料沖入到抽取裝置的裝料箱中。與此相對立的是優選安裝第二個噴嘴，其用于運動和濕潤。二個噴嘴實用地也是循環工作的。
除了用于懸浮液的生物處理的方法外，本發明還涉及用于懸浮液的生物處理的裝置，其具有用于容納懸浮液的生物反應器，其中，在生物反應器的內室設置有直至生物反應器底部附近的具有用于懸浮液再循環的垂直裝置的導管傳輸裝置。
在裝置方面所提出的目的根據本發明這樣解決，即在生物反應器的底部附近設置至少一個噴嘴用于將流體導入到生物反應器中。
該噴嘴實用地通過與生物反應器內室連接的輸入管道和一個泵是可用懸浮液沖擊的。優選地在生物反應器周邊的底部附近分布設置多個噴嘴。在此，這些噴嘴優選地與一個共同的泵相連接。為了補償取決于介質的浮力，噴嘴優選地以與水平面0-10°之間的傾角設置。
根據本發明的裝置的其他實施方案，與生物反應器內室連接的導入管道附加地與至少一個在懸浮液水平高度的區域內設置的用于將流體導入生物反應器中的噴嘴連接。在此，該噴嘴實用地設置在容器周邊切線方向。該噴嘴優選與生物反應器底部附近設置的噴嘴一樣與同一個泵相連接。
以下根據在附圖中圖示出的實施例更清楚地解釋本發明。
圖1所顯示的是發酵液體廢物的裝置的示意圖。
具體實施例方式
在附圖中例示出用于發酵液體廢物的裝置。液體廢物以在附圖中未示出的預處理步驟這樣處理，即生成泥漿或水解產物。泥漿或水解產物與發酵介質稱為懸浮液通過管道1輸送到稱為發酵反應器2的生物反應器中。在發酵反應器2中泥漿或水解產物進行生成甲烷的過程。在此，發酵反應器2保持在無氧的條件下并循環發酵反應器內容物。在發酵的泥漿或水解產物中含有無氧生物物料轉變成部分地是二氧化碳和甲烷的有機物質。產生的生物氣體通過管道3從發酵反應器2中抽取出。
因為泥漿或水解產物也含有硫化合物，所以如不采取進一步的措施可能形成H2S，其可能最終又在生物氣體中發現。為了減少在生物氣體中不期望的H2S份額，將所有的發酵反應器內容物確定地以在含氧的氣體和發酵介質之間足夠的接觸時間下輸送通過含氧的區域5。出于這個目的，發酵反應器2設置成循環反應器，其具有以中心的、垂直安置的導管5的形式內置的環路，其起到作為含氧區域的作用。在此，在導管內室下部所抽取的生物氣體用作動力氣體，其通過生物氣體分支管道6從生物氣體排放處2分流。由于在導管5中混合物密度下降和氣體的浮力，發酵介質從下向上輸送通過導管5。在此液壓比例通過選擇導管的幾何形狀和所壓入的生物氣體流的形狀結構而調節，即所有的發酵反應器內容物至少每小時二次通過導管5抽取。在導管5的內上升流中，空氣通過空氣導入管道7以這樣的量的比例摻入，即發酵介質在通過導管5的過程中得到足夠的氧接觸，以以所期望的方式在它的代謝作用過程中限制H2S的生成。同時氧氣以生物化學的方式分解到如下的程度在生物氣體中沒有對過程起消極影響的氧氣份額。在此，空氣的需要量可減少到最低限度，使得在生物氣體中的氮氣對于進一步的熱量利用不導致顯著的氣體質量降低。為了保持一個對于發酵介質的生物處理最佳的工作溫度，導管5被構成為可加熱的。在此，導管5具有雙壁的外套，其具有輸入8和用于熱水的支路9。附加地或代替地，發酵反應器內容物可通過處于外部的熱交換器19調節溫度，該熱交換器中流過熱水。
為了克服特殊介質引起的問題情況，特別是對于特殊的泥漿和廢物生成的沉積物問題，液壓射流系統疊加經氣體誘導的循環反應器原理。以這種方式可以利用具有導管5和氣體壓入7的循環反應器的方法技術優點，同時解決特殊介質引起的問題，而不用顯著提高用于發酵系統的能量輸入。出于這個目的，通過管道15和泵16將發酵介質從發酵反應器中抽出并通過管道12輸送到噴嘴11。
通過噴嘴11，發酵介質作為具有10-15m/s的噴嘴速度和300-600m3/h的容積通量的液體自由射流在底部附近區域導入到發酵反應器2中。對于反應容積高達8000m3以及直徑高達24m的發酵反應器，以這種方式生成必需的脈沖流，使得底部附近的液體物料以約0.5m/s的速度在容器器壁附近旋轉。在此噴嘴11具有50-120mm的直徑，并根據容器的大小和過程參數設置成朝向半徑射流約40-60°，以誘導引起轉矩。噴嘴11對于水平面0和10°之間的傾角補償了在射流區域中取決于介質的浮力。實際上，在整個發酵反應器-容器周邊根據反應器的大小在周邊以相應的距離設置2-5個噴嘴。出于清楚簡明的原因，在附圖中只圖示出了一個噴嘴11。所有安裝的噴嘴與唯一一個泵(即泵16)連接，由這個泵順序地循環轉接而加載沖擊。這使得效率高且維護少的工作方式成為可能。
還為了克服漂浮泥漿的問題，分支管道14從泵16通向在發酵反應器-容器周邊的表面附近設置的噴嘴13。當接通循環被估計是較小的，而且底部系統可以期望一或二個附加的接通循環時，噴嘴13的液壓連接通過泵16進行。對于噴嘴13取決于介質的經常工作，優選使用一個獨立分開的泵。如同在底部附近設置的噴嘴11一樣，這對于表面附近設置的噴嘴13也是適宜的，即設置多個噴嘴。然而出于清楚簡明的原因，在附圖中又只圖示出了一個噴嘴13。
權利要求
1.一種用于在具有底部附近中心抽取區域的生物反應器中生物處理懸浮液的方法，其中為了循環懸浮液，至少一部分懸浮液通過垂直校準的導入區域導入，從而形成延伸至生物反應器底部附近的或從生物反應器底部附近流出的至少一部分懸浮液的垂直流，其特征在于，垂直流在生物反應器的底部附近通過導入流體而疊加一水平流，這樣朝向生物反應器的抽取區域生成旋轉流。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，將流速為10-15m/s的流體導入到生物反應器中。
3.根據權利要求1或2的方法，其特征在于，將容積通量為300-600m3/h的流體導入到生物反應器中。
4.根據權利要求1-3之一的方法，其特征在于，在生物反應器底部附近的生物反應器器壁處旋轉流的流速為0.5m/s。
5.根據權利要求1-4之一的方法，其特征在于，流體以對于半徑射流40-60°的展角導入到生物反應器中。
6.根據權利要求1-5之一的方法，其特征在于，流體以向水平面以下傾斜0-10°的角度導入到生物反應器中。
7.根據權利要求1-6之一的方法，其特征在于，懸浮液被用作流體，該懸浮液從生物反應器中抽取出并通過噴嘴導入到生物反應器中。
8.根據權利要求1-7之一的方法，其特征在于，流體通過多個在底部附近在生物反應器周邊處分布的噴嘴導入到生物反應器中。
9.根據權利要求8的方法，其特征在于，噴嘴以一定的時間間隔用流體加載沖擊。
10.根據權利要求8的方法，其特征在于，噴嘴用共同的一個泵工作，并通過順序的循環連接接通而加載沖擊。
11.根據權利要求7-10之一的方法，其特征在于，懸浮液從生物反應器的底部中心抽吸。
12.根據權利要求7-11之一的方法，其特征在于，從生物反應器抽吸出的流體部分地或以時間順序附加地通過至少一個設置于懸浮液水平高度區域中的噴嘴導入到生物反應器中，使得懸浮液表面和/或在懸浮液上漂浮的漂浮泥漿向旋轉流移動。
13.根據權利要求12的方法，其特征在于，流體通過在容器周邊切線方向設置的噴嘴導入到發酵反應器中。
14.根據權利要求13的方法，其特征在于，噴嘴如同在底部附近設置的噴嘴一樣共用一個泵加載沖擊。
15.一種具有用于容納懸浮液的生物反應器的用于生物處理懸浮液的裝置，其中，在生物反應器的內室中設置一個直至生物反應器底部附近的具有用于循環懸浮液的垂直校準裝置的導管裝置，其特征在于，在生物反應器底部附近設置至少一個用于將流體導入到生物反應器中的噴嘴。
16.根據權利要求15的裝置，其特征在于，噴嘴通過與生物反應器內室連接的導入管道和泵而加載沖擊懸浮液。
17.根據權利要求15或16的裝置，其特征在于，多個噴嘴分布設置在底部附近在生物反應器的周邊處。
18.根據權利要求17的裝置，其特征在于，噴嘴與共同的一個泵相連接。
19.根據權利要求17或18的裝置，其特征在于，噴嘴以與水平面0和10°之間的傾角設置。
20.根據權利要求16-19之一的裝置，其特征在于，生物反應器底部具有從容器邊緣至中間優選為10-20°的傾角。
21.根據權利要求16-20之一的裝置，其特征在于，與生物反應器的內室連接的導入管道附加地與至少一個在懸浮液水平高度的區域中設置的噴嘴相連接。
22.根據權利要求21的裝置，其特征在于，噴嘴是在容器周邊的切線方向設置的。
23.根據權利要求21或22的裝置，其特征在于，噴嘴如同在生物反應器的底部附近設置的噴嘴那樣是與同一個泵相連接的。
全文摘要
本發明描述了一種用于在生物反應器(2)中生物處理懸浮液的方法和裝置。為了循環懸浮液，至少一部分懸浮液通過垂直設置的導入區域(5)而導入，以便產生懸浮液的垂直流。為了克服沉積物問題，提出了在生物反應器(2)底部附近的垂直流通過用至少一個噴嘴(11)導入流體，特別是液體自由射流而疊加一水平流，這樣朝向生物反應器(2)的中心抽取區域生成旋轉流。
文檔編號C02F11/12GK1626458SQ20041004473
公開日2005年6月15日 申請日期2004年5月17日 優先權日2003年12月11日
發明者托馬斯·比希納, 馬蒂亞斯·赫爾姆斯, 格哈德·朗漢斯 申請人:林德-Kca-德累斯頓有限公司