Referat

Der Sauerstoffeintrag eines Druckstrahlers

Vorgestellt wird ein in Vergessenheit geratenes Verfahren zum Sauerstoffeintrag in Belebungsbecken von Kläranlagen. Genutzt wird dabei das Injektorprinzip mit der Besonderheit, dass das Treibmedium – hier sauerstoffarmes Abwassers oder Belebtschlamm – ringförmig in der Düse die Luftsaugleitung umschließt und die angesaugte Luft hinreichend feindispergiert aus dem Diffusor als Druckstrahl sich in dem Becken verteilt. (siehe Bild 1) Dabei wird auch der Impuls für die Beckendurchmischung genutzt. Die patentierte Einrichtung des erprobten Verfahrens wird Druckstrahler genannt. Zu dem Verfahren gehört neben dem Druckstrahler eine oder mehrere entsprechend ausgelegte Abwasserpumpe/n je nach Situation in Nass- oder Trockenaufstellung. Die Nutzung als Intensivbelüftungsverfahren für die aerobe Reinigung hochbelasteter Industrieabwässer an den Chemiestandorten Leuna, Buna, Espenhain, Schwarzheide begann in den 70-er und 80-er Jahren. Ein Hersteller für die Druckstrahler ist die RAC Service GmbH bzw. der RAC-Rohrleitungsbau Altchemnitz GmbH. Die Dimensionierung übernimmt das Institut für Wasserwirtschaft Halbach gemeinsam mit dem Erfinder Herrn Dr. Langhans. Neuerdings wird das Verfahren seit 2016 zur Behandlung verschmutzter Niederschlagswässer der Agrargenossenschaft eG Reichenbach, 08468 Heinsdorfergrund wieder genutzt und kann dort nach Anmeldung besichtigt werden.

(Das Patent ist abgelaufen, so dass keine Patentnutzungsgebühren anfallen.)

 

Sauerstoffeintrag während des Betriebes mit zwei Druckstrahlern – Video

Das folgende Video vermittelt einen Eindruck vom Sauerstoffeintrag während des Betriebes mit zwei Druckstrahlern. Es sind folgende Fahrweisen programmiert: 

  • Ein Druckstrahler und ein Rührwerk
  • Zwei Druckstrahler und kein Rührwerk
  • Zwei Rührwerke und kein Druckstrahler

 

 

Der Gegenstand – eine Erfolgsgeschichte

Die nachstehend vorgestellte Alternative betrifft die kommunale und industrielle Abwasserbehandlung.

Insbesondere wird ein erfolgreiches Verfahren zum intensiven Sauerstoffeintrag vorgestellt bzw. in Erinnerung gerufen.

Ziel und Nichtziel

Mitunter gibt es Situationen, in denen es zeitweise oder ständig zu Sauerstoffmangel in Belebungsbecken kommen kann.

Eine Methode, dies zu verhindern ist z. B. die Nachrüstung mit einem oder mehreren Druckstrahlern.

Es ist nicht Absicht, andere Belüftungsverfahren zu ersetzen, denn jedes Verfahren hat seine optimalen Einsatzbereiche und seine Berechtigung.

Anliegen dieses Beitrages ist es, Fälle aufzuzeigen, in denen es günstiger sein kann, sich der Alternativen des Druckstrahlers zuzuwenden.

Die Erfindung

Bei dem Druckstrahler handelt es sich um ein erprobtes DDR-Wirtschaftspatent mit zahlreichen Einsatzfällen insbesondere in Hochlaststufen der industriellen Abwasserbehandlung.

Patentinhaber für den Druckstrahler ist Herr Dr. Langhans.

Ein Sonderfall der Anwendung ist auch die simultane aerobe und anaerobe Schlammbehandlung in einem Becken.  Patentinhaber dafür ist Herr Uwe Halbach.

Alle genannten Wirtschaftspatente sind übrigens abgelaufen.

Es ist aber noch möglich, das Wissen und die Erfahrung der Patentinhaber zu nutzen.

Vor 2 Jahren wurden zwei Druckstrahler in einem Fall zur Behandlung landwirtschaftlicher Abwässer mit stark schwankender Zusammensetzung gefertigt und eingebaut.   

Zur Funktion: Es ist kein typischer Injektor!

Das Bild 1 veranschaulicht das Wirkprinzip und eine Einbau- bzw. Gestaltungsmöglichkeit.

Sauerstoffeintrag

Bild 1: Schema eines Druckstrahlers

In diesem Fall fördert eine auf dem Behälterboden aufgestellte Abwassertauchpumpe den Belebtschlamm und die Außenluft in den Druckstrahler.  Die Luft wird mit dem Belebtschlamm vermischt und der Luftsauerstoff löst sich dabei teilweise im strömungsmechanisch optimierten Druckstrahler.

Im Verlauf löst sich im Belebtschlamm weiterer Luftsauerstoff beim Aufsteigen der Luftbläschen. Die Effizienz des Druckstrahlers steigt in dem Maße, wie der Steigweg bzw. die Aufenthaltszeit der Luftbläschen vergrößert wird oder vergrößert werden kann. 

Der Impuls des Druckstrahlers wird für die Umwälzung des Behälterinhaltes genutzt, um eine Sedimentation des Belebtschlammes zu verhindern.

Monetäres und Nichtmonetäres beim Druckstrahlereinsatz

Zu prüfen – ob sie im Einzelfall vorteilhaft zutreffen – wären folgende Aspekte:

·         kein Bau eines Raumes für die sonst notwendigen Gebläse im Falle einer feinblasigen Druckbelüftung

·         Wegfall der Gebläse

·         keine Luftleitungen

·         kein Einbau von Luftleitungen in das Belebungsbecken

·         kein Wechsel der Belüfter am Beckenboden, weder mit noch ohne Taucher

Die monetären Vorteile sollten in den niedrigeren Anschaffungs- und Herstellungskosten liegen. In ungünstigen Anwendungsfällen können aber z. B. im Vergleich mit einer feinblasigen Druckbelüftung etwas höhere Energieverbräuche auftreten.

Entscheidungsrelevant ist wegen des unterschiedlichen Nutzens der Alternativen letztlich das Ergebnis einer Nutzwert-Kosten-bewertung ausgewählter und erheblicher Varianten.

Die Renaissance des Druckstrahlers im Jahr 2016

Nach realisierten Großanlagen zur Industrieabwasser- und Güllebehandlung in den 70er und 80er Jahren sowie vereinzelten Anlagen zur aeroben Behandlung von Güllepresswasser und Gärrestzentraten in den 90ern gab es 2016 eine Renaissance für das Belüftungssystem im Agrarbereich.

Die Agrargenossenschaft eG Reichenbach als Bauherr

Bauherr dieses Einsatzes war die Agrargenossenschaft eG Reichenbach, 08468 Heinsdorfergrund, Vorstand Lars Bittermann.

Varianten, Konzept und Aufgabenstellung

Vorgeschaltet waren Untersuchungen zur Kalkulation und Zusammensetzung der Abwasserfrachten, die überwiegend aus verschmutzten Niederschlagswässern bestanden.

Eine besondere wasserwirtschaftliche Herausforderung bestand darin, in einem Becken gleichzeitig die aerobe Behandlung des verschmutzten Niederschlagswassers und dessen Speicherung zu gewährleisten.

Gewählt wurde nach sorgfältiger Abstimmung eine Einbeckenkläranlage, anspruchsvoll auch Sequencing Batch Reactor (SBR) genannt.

Dafür wurde das zur Verfügung stehende Volumen in Rückhaltevolumen und Behandlungsvolumen aufgeteilt.

Projektbeteiligte

Beteiligt waren am Projekt „Niederschlagswasserreinigung eines landwirtschaftlichen Betriebes“:

  • der Auftraggeber, die Agrargenossenschaft eG Reichenbach.
  • für strömungsdynamische Berechnungen der Erfinder des Druckstrahlers, Herr Dr. Langhans.
  • Das Institut für Wasserwirtschaft Halbach übernahm
    • die Variantenuntersuchung,
    • die Aufgabenstellung,
    • die verfahrenstechnischen Berechnungen,
    • die Projektsteuerung und das
    • Einfahren der Anlage.
  • Die Stahlbauberechnungen und die Fertigung der Druckstrahler übernahm die RAC Service GmbH.
  • Den Einbau des Druckstrahlers und die weitere Ausrüstung der Einbeckenkläranlage übernahm die RAC-Rohrleitungsbau Altchemnitz GmbH.
  • Fachlicher Ansprechpartner war/ist immer Herr Dr. Friedemann vom Institut für Wasserwirtschaft Halbach (Telefon: 03761-5267 bzw. +49 3761 5267).

Die Herstellung

Sauerstoffeintrag

Bild 2: Herstellung zweier Druckstrahler von der RAC Service GmbH nach hydrodynamischen Aspekten

Für die Fertigung der Druckstrahler ist in bewährter Weise die RAC Service GmbH (Chemnitz) zuständig. Siehe Bild 2.

Die Einbauweise des Druckstrahlers ist recht variabel

Für den Einbau sind zahlreiche Varianten hinsichtlich ihrer Vorteile im Einzelfall zu prüfen, z. B.:

  • Trockenaufstellung der Pumpe und Aufstellung des Druckstrahlers über Wasser
  • Trockenaufstellung der Pumpe und verbinden mehrerer Druckstrahler mit einer gemeinsamen Rohrleitung als Ring oder Strang
  • Nassaufstellung der Pumpe und Aufstellung des Druckstrahler unter Wasser
  • Kombination mit Rührwerken, vorzugsweise bei mittel- bis schwachbelasteten Belebungsbecken

Der Einbau in einem konkreten Fall

Den Einbau des Druckstrahlers und seiner zugehörigen Einrichtungen übernimmt in der Regel die RAC-Rohrleitungsbau Altchemnitz GmbH.

Bild 3: Vorbereitung des Einbaus

Die RAC Service GmbH und die RAC-Rohrleitungsbau Altchemnitz GmbH sind sehr leistungsfähige sächsische Spezialbetriebe aus Chemnitz mit langjährigen Erfahrungen im Anlagenbau mit unterschiedlichsten Materialien.

Bild 4: Einbau der zwei Druckstrahler und der zwei Rührwerke kurz vor dem Abschluss

Druckstrahler ohne Betriebsprobleme

Nach Auskunft des Vorstandes der Agrargenossenschaft eG Reichenbach, Herrn Bittermann gab es mit den zwei Druckstrahlern in den 3 Jahren Betriebszeit keine Störungen. Lediglich eine Tauchpumpe musste nach 3 Jahren Laufzeit gewechselt werden.

Das verschmutzte Niederschlagswasser erfährt nur eine Grobreinigung durch die Straßenabläufe.

Ein Rechen ist nicht vorgeschaltet.

In anderen Einsatzfällen könnte ein Rechen bei Rohabwasser vorteilhaft sein.

Der Vorstand, Herr Bittermann (Agrargenossenschaft eG Reichenbach, ) weist darauf hin, dass gelegentlich der pH-Wert zu weit absinkt. In diesem Fall muss manuell Kalkmilch zudosiert werden.

In der Zukunft soll die Zugabe von Kreide aus einem Silo mit dem pH-Wert-gesteuert und damit automatisiert werden.

Die Biologie ist munter im Belebtschlamm

Während des Einfahrbetriebes wurde eine Belebtschlammprobe mit folgendem Ergebnis mikroskopisch untersucht.

Vorticella

Bild 5: Glockentierchen im Belebtschlamm am 03.08.2017

Neben zahlreichen Glockentierchen (Vorticellidae – siehe Bild 5) war auch ein massenhaftes Vorkommen anderer Wimperntierchen (Cilliaten) zu beobachten, die sich jedoch so schnell bewegten, dass eine fotographische Darstellung ohne weiteres nicht möglich war.

Es hat sich also während des Einfahrbetriebes schon eine belebtschlammtypische Biozönose (Lebensgemeinschaft) gebildet.

Ein seltener Fall beim BSB-Abbau

Sauerstoffeintrag

Bild 6: Druckstrahler in einem Versuchsreaktor im VEB KIM Halle-Gutenberg (ca. 1980)

Der Autor dieser Seite (Uwe Halbach) hat an der Erprobung des Druckstrahlers zur aeroben Fugataufbereitung mitgewirkt. Im Ergebnis wurde 1981 ein Patent erteilt: DDR-Patent Behandlung organischer Abwässer und Schlämme.

Auf dem Bild 6 ist der Einbau eines Druckstrahlers in einem 80 m³-Versuchsreaktor zu sehen. Der Trichter dient der Schaumzerstörung.  Ob es zum Schäumen in Folge des intensiven Luftsauerstoffeintrages kommen kann, ist durch Voruntersuchungen zu klären.

Heute – wie auf den anderen Fotos zu sehen – wird der Druckstrahler in Edelstahl gefertigt.

Der Autor  dieser Seite (Uwe Halbach) hat an der Erprobung des Druckstrahlers zur aeroben Fugataufbereitung mitgewirkt und dabei den Sauerstoffeintrag des Druckstrahlers u. a. auch mit Hilfe von Natriumsulfid und O2 -Tauchelektroden umfänglich gemessen. Dabei war festzustellen, dass in dem thermophil arbeitenden Versuchsreaktor mehr BSB5 abgebaut wurde, als nach dem gemessenen Sauerstoffeintrag zu erwarten war.

Im Ergebnis weiterer Forschungen wurde zur Nutzung der Ursache wurde 1981 ein Patent erteilt: DDR-Patent Behandlung organischer Abwässer und Schlämme.

Geschichtliches – Ein Beitrag von Herrn Dr. Langhans

Ende der 60-er Jahre begann die Entwicklung des Tauchstrahlbegasungsverfahrens als Intensivbelüftungssystem für biologische aerobe Prozesse hohen Sauerstoffbedarfs wie die Behandlung hochbelasteter Industrieabwässer, Güllen aus der Intensivtierhaltung und aeroben Fermentationsprozessen der Futterhefeproduktion auf Kohlenwasserstoffbasis.

Die Prozessoptimierung führte zur Entwicklung des Druckstrahlers, eines Injektorbelüfters kompakter Bauart mit hohem Gaseintragsvermögen in die zu belüftenden Flüssigkeiten.

Durch einen Druckumsatz von ca. 1 bar im Kopf des Injektors mit einer Geschwindigkeit von 8 bis 10 m/s in der Ansaug- und Vermischungszone für die Gasphase und anschließender turbulenter Dispergierung des Gas- Flüssigkeitsgemisches in einen feinblasigen Zweiphasenfreistrahl innerhalb der Impulsaustauschstrecke des Strahlrohres wird ein Zweiphasenfreistrahl mit hoher spezifischer Gas-Flüssigkeitsgrenzfläche in das zu begasende Medium eingetragen.

Das Tauchstrahlsystem wurde ursprünglich für spezifische Sauerstoffeinträge zwischen 1 bis 10 kg O2/(m3h) entwickelt. In diesem Leistungsbereich wurden die Zweiphasenfreistrahlen senkrecht in das 4 bis 10 Meter tiefe, zu belüftende Medium der Aerobreaktoren (Tankbiologien in Festdachtankausführung) eingetragen und das gesamte Medium turbulent und weitgehend homogen belüftet.

Das Sauerstoffeintragsvermögen wird dabei zum einen durch die spezifische Gas­-Flüssigkeitsgrenzfläche der erzeugten Luftblasen im Medium bestimmt, wobei die Dispergierwirkung bei gleicher durch den Injektor eingetragener Strahlenergie von den Medieneigenschaften der hochbelasteten Abwässer abhängt (Oberflächenspannung, Viskosität, Salz- und Feststoffgehalt).

Andererseits wirkt das Konzentrationsgefälle zwischen dem sauerstoffgesättigten grenzschichtnahen Flüssigkeitsfilm um die Gasblasen und dem innerhalb der Flüssigkeit schnell gegen Null gehenden (praktisch wird mit ca. 10 % des maximalen Sättigungswertes gerechnet) gelösten Sauerstoffgehalt infolge des Sauerstoffverbrauchs durch die aeroben Bakterien als Triebkraft für den weiteren Stofftransport durch die Phasengrenzfläche.

Sauerstoffeintrag

Bild 7: Aerob-thermophile Tankbiologie mit Druckstrahlbelüftern zur Behandlung von Dekanterzentrat aus Geflügelgülle; Neukirchen/Sachsen.

In den 70-er und 80-er Jahren wurden zahlreiche Intensivbelüftungsverfahren für die aerobe Reinigung hochbelasteter Industrieabwässer an den Chemiestandorten Leuna, Buna, Espenhain, Schwarzheide errichtet. Ebenso entstanden Anlagen für die Reinigung von dekantierter Geflügelgülle (beispielsweise Neukirchen, Sachsen; Bild 7) und für die thermophile Schlammstabilisierung (Friedrichroda, Thüringen) sowie die enzymatische Schlammstabilisierung (Köthen/Sachsen-Anhalt). Anlagen für Schweinegüllebehandlung an verschiedenen Standorten waren in der Realisierungsvorbereitung.

Ebenso wurde in Elsterwerda eine Technologie zur Reinigung von Molkereiabwasser mit Druckstrahlern realisiert und in Bad Freienwalde eine Tiefschachtanlage zur Kommunalabwasserbehandlung.

Außerdem erfolgte in Schwedt die aerobe Futterhefefermentation auf Erdölbasis im Tauchstrahlreaktor.

In der Kali-Chemie Berlin wurde erstmals eine Druckstrahlbelüftungsanlage mit getauchten, horizontal eingebauten Axialpumpen betrieben. Tauchpumpen kamen auch bei der Hypolimnionbelüftung in Talsperren zum Einsatz (Langhans, 1978).

Des Weiteren wurde das Verfahren an die Bedingungen der aeroben Behandlung von schwach belasteten Industrieabwässern angepasst und für den Einsatz in konventionellen Anlagen der kommunalen Abwasserbehandlung vorbereitet.

Charakteristikum letzterer Anlagen ist der wesentlich geringere Sauerstoffbedarf, der zwischen 0,1 und 1 kg O2/(m3h) liegt. In diesen Fällen wären Druckstrahler mit Rührwerken zu kombinieren.

Der zeitliche Sauerstoffbedarf des gesamten Reaktionsvolumens wird deshalb auf das diskrete Belüftungsvolumen eines oder mehrerer Druckstrahler umgerechnet und erreicht dann wieder spezifische Werte für das Wirkvolumen eines Strahlers, die eine effiziente Apparatedimensionierung gestatten. Zu beachten ist, dass dabei im Wirkbereich mehr Sauerstoff eingetragen werden muss, als die lokal vorhandenen Bakterien verbrauchen, damit der gelöste Überschuss in die Medienbereiche transportiert werden kann, wo keine aktive Begasung stattfindet. Statt ca. 10% des Sättigungswertes werden deshalb bis zu 80% angestrebt.

Gleichzeitig muss ein horizontaler Flüssigkeitsaustausch erreicht werden zwischen den belüfteten und unbelüfteten Medienbereichen. Deshalb werden die Strahler schräg oder horizontal angeordnet, um wenigstens einen Teil des Strahlimpulses für die Induzierung einer horizontalen Rotationsströmung in dem Abwasserbecken nutzen zu können.

Alternativ kann dafür auch ein separater Axialrührer eingebaut werden; in der Regel wird jedoch der horizontale Strahlimpulsanteil genutzt.

Für die schwach belasteten Anlagen mit diskreten Belüftungsvolumina ist die Blasen-Wasser-Kontaktzeit für den Stoffübergang von entscheidender Bedeutung. Deshalb werden Wassertiefen zwischen 4 und 8 Metern angestrebt, wie sie auch bei den konventionellen Belüftungsverfahren (Kerzen-, Tellerbelüftung, Begasungsmatten) üblich sind, die ebenfalls auf die Kontaktzeiten der mit ca. 10 bis 20 cm/s aufsteigenden Gasblasen für den Stoffübergang angewiesen sind.

In den 90-er Jahren wurden die bis dahin realisierten Anlagen weitgehend außer Betrieb genommen, da durch die Strukturreformen und Produktionsstilllegungen die zu behandelnden Abwässer/Abprodukte nicht mehr zur Verfügung standen.

Ansprechpartner für den Einsatz von Druckstrahlern

Institut für Wasserwirtschaft Halbach
Herr Uwe Halbach
Schloßstraße 2
08412 Werdau

Telefon: 03761-5267
E-Mail: box(et)institut-halbach.de

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