Reaktorentwicklung

Das Institut für Umweltverfahrenstechnik legt als universitäres Forschungsinstitut einen Schwerpunkt auf den Technologietransfer von in der Grundlagenforschung gewonnenen Erkenntnisse auf die industrielle Anwendung. Das IUV ist aufbauend auf langjährige Erfahrungen in Forschungsprojekten zum Stofftransport, der lokalen Hydrodynamik, der Mikrokreaktionstechnik und Stoffstrommanagement in der Lage neue Reaktortypen zu entwickeln oder bestehende Auslegungsstrategien zu überarbeiten. Die so entwickelten Reaktoren weisen neben der Prozessintensivierung einen geringen Raum- und Energiebedarf, sowie eine höhere Prozesseffizienz auf und können als Folge neuer Innovationen die Wettbewerbsfähigkeit der hergestellten Produkte verbessern. Der Einsatzbereich dieser Reaktoren kann sich dabei über mehrere Größenskalen vom Mikro-, über den Meso- bis zum Makrobereich erstrecken.

Im Institut für Umweltverfahrenstechnik wurden in diesem Kontext neuartige innovative Reaktortypen wie

entwickelt, die als maßgeschneiderte Lösungen genau auf den Einsatzweck angepasst werden können. Dabei ist diese Aufstellung nur exemplarisch und nicht abschließend zu sehen, da die Reaktorentwicklung nach dem spezifischen Anwendungsprofil maßgeschneidert an den Auftraggeber erfolgt.

 

SZR (Strahlzonen-Schlaufen-Reaktor)

Der Hochleistungs-Bioreaktor SZR (Strahl-Zonen-Schlaufenreaktor) ist eine biologische Reinigungsstufe zur Aufbereitung von Abwasser aus Kommunen oder der Industrie. Durch die hohe Umsatzleistung und die kompakte Bauform des Reaktors weist diese Klärtechnik einen sehr geringen Platzbedarf auf. Der Reaktor teilt sich in zwei Bereiche, die Strahlzone dient der Vermischung, während die Reaktionszone die Verweilzeit vorgibt.

Das Abwasser wird mit dem Belebtschlamm über eine Zweistoffdüse mit innenliegender Luftbegasung in die untere Strahlzone eingetragen. Die Bakterien werden hier intensiv mit Luft und Abwassersubstrat vermischt. In der Strahlzone entsteht durch die mehrfache Umlenkung der Flüssigkeit eine Schlaufenströmung, wodurch eine optimale Beladung der Biomasse mit den Substraten erreicht wird. Ein Teil des Dreistoff-Gemisches strömt an der Prallplatte vorbei in den oberen Reaktorraum (=Reaktionszone), in dem die Bakterien größere Flockenagglomerate bilden und abreagieren. In der Reaktionszone bildet sich ebenfalls eine Schlaufe aus, deren Antrieb durch die sich einstellende Gasgehaltsdifferenz zwischen dem Dreiphasengemisch im Ringraum und Einsteckrohr erfolgt.

Durch die Effizienz des Hochleistungs-Bioreaktors SZR werdenhohe Stoffstromdichten sowie eine optimale Substratversorgung der Biomasse erreicht, wodurch ein besserer Abbau sowie eine effektivere Reinigung des Abwassers erfolgt .

 
MSM (Membran-Schlauch-Modulreaktor)

Aufgrund der strenger werdenden Abwassergesetzgebung besteht ein zunehmender Bedarf an biologischen Anlagen zur selektiven Stickstoffeliminierung aus Abwässern, die bei hohen Zulaufkonzentrationen im Teilstrombetrieb einsetzbar sind. Die Grundproblematik der biologischen Stickstoffentfernung basiert auf der geringen Wachstumsgeschwindigkeit der Ammonium oxidierenden Nitrifikanten gegenüber den heterotrophen organischen Kohlenstoff verwertenden Bakterien, wobei die Nitrifikation einen erheblichen Sauerstoffbedarf hat und die Denitrifikation nur unter anoxischen Bedingungen statt findet. Darüber hinaus treten aufgrund der gleichen Transportrichtung aller Substrate entlang des Transportweges innerhalb einer Flocke oder des Biofilms konkurrierende Umwandlungsprozesse auf. Für die meist im inneren Bereich einer Flocke oder des Biofilms vorhandenen Nitrifikanten liegt daher meist keine ausreichende Sauerstoffversorgung vor. Gleiches gilt für die bei der Denitrifikation benötigte organische Kohlenstoffquelle, welche schon im äußeren aeroben Bereich einer Flocke/des Biofilmes abgebaut wird und somit im inneren anoxischen Bereich nur in einer unzureichenden Konzentration vorliegt.

Aufgrund dieser Problematik werden nach dem Stand der Technik die biologischen Abbaureaktionen in räumlich oder zeitlich getrennte Verfahrensschritte unterteilt, die ein großes Reaktionsvolumen benötigen. Dieses steht den Erfordernissen zur Teilstrombehandlung entgegen, die unter dem Gesichtspunkt des produktionsintegrierten Umweltschutzes angestrebt wird, da besonders kontinuierlich betriebene Verfahren mit geringem Platzbedarf erforderlich sind.

Der Lösungsansatz besteht in der schichtweisen Ausnutzung des gesamten Biofilms, durch welche sowohl die Nitrifikation als auch die Denitrifikation zeitgleich, nebeneinander in einem Biofilm unter optimierten Bedingungen ablaufen. Dieses wird durch die Trennung des Nährstoff- und Sauerstofftransportes erreicht, wodurch optimierte Milieubedingungen für die zum Stickstoffabbau notwendigen biologischen Abbauschritte im gesamten Biofilm geschaffen werden und somit ein produktionsintegriertes Verfahren mit geringem Anlagenvolumen bei maximaler Ausbeute realisiert werden kann.

 

"Wasser aus Luft"-Technologie

In der Umgebungsluft liegt Wasser in Abhängigkeit von Temperatur und Druck gelöst vor. Diese mit Wasser beladene Luft ist eine an jedem Ort der Erde vorhandene Ressource, die ein unerschöpfliches Potenzial darstellt. Technische Möglichkeiten zur Wasserabscheidung aus Luft sind bereits aus der Klimatechnik bekannt. Das Institut für Umweltverfahrenstechnik hat ein Verfahren entwickelt, bei dem die in atmosphärischer Luft enthaltene Feuchtigkeit durch Anlagerung an sogenannte Adsorbentien zunächst gebunden und anschließend durch Desorption sowie Kondensation als Trinkwasser gewonnen wird. Das Kernstück des Verfahrens stellt ein Adsorbersystem dar, welches im Vergleich zur herkömmlichen Technik ein wesentlich geringeres Bauvolumen aufweist sowie einen kontinuierlichen Betrieb ermöglicht. Die Novität der Verfahrensentwicklung liegt hierbei sowohl in der Auswahl der Adsorbentien als auch in der Prozessführung.

Das Gerät ist insbesondere für den Einsatz in Dürregebieten, in arabischen Ländern oder Krisenregionen gedacht. Die Anlagentechnik wurde durch zahlreiche Testläufe optimiert und zeichnet sich durch eine besonders gute Energieffizienz aus. Es werden nur ca. 0,8 kWh Energie pro Liter Wasser benötigt. Unter idealen Bedingungen kann dieser Wert auch noch deutlich unterschritten werden.

Durch den modularen Aufbau der Anlage ist eine Anpassung an veränderte Bedingungen jederzeit möglich. Durch die Modularität ist ebenfalls ein schnelles Auf- und Abbauen möglich (mobiler Einsatz). Autarke Anlagen sind als mobile Anlagen mit einigen Litern Tagesleistung, bis hin zu Großanlagen mit einer Tagesleistung von ca. 2.000 Litern in modularer Bauform lieferbar. Großanlagen und Anlagen zur Implementierung in Klimaanlagen müssen immer extra angefertigt werden, da für diese Bauformen eine Typenbauweise nicht sinnvoll ist. Diese innovative Technik ist universell einsetzbar, so ist der Einsatz als autarke Einheit, als Trinkwasserversorgung in Häusern, Großeinrichtungen mit Klimaanlage oder auf Schiffen.

 Designstudie einer Containeranlage zur Trinkwassergewinnung aus LuftDesignstudie einer mobilen Anlage zur Trinkwassergewinnung aus Luft

 

Wasserturm

Das in vielen Regionen dieser Welt vorhandene Wasserreservoir ist durch eine abnehmende Menge und zunehmende Aufsalzung gekennzeichnet. Besonders in Wüstenregionen wie aber auch an Küstenbereichen arider Gebiete sind eine große Zahl von Brackwasserressourcen zu finden, die mit dem derzeitigen Stand der Technik nicht aufbereitet werden können. Die Ursache liegt darin begründet, dass die in diesen Brackwässern meist vorhandenen hohen Salzkonzentrationen eine kosteneffiziente Anwendung einer Umkehrosmose- oder Verdampfertechnik nicht zulässt.

Im Institut für Umweltverfahrenstechnik (IUV) wurde eine Anlagentechnik (”Wasserturm”) entwickelt, die eine Trinkwassergewinnung auch bei sehr hohen Salzgehalten erreicht und daher auch für die Meerwasserentsalzung geeignet ist. Die Verdunstung der Wasserphase bei Kontakt mit der Luft wird hierbei ausgenutzt. Die Turmkonstruktion ist im Design auf städtebauliche Maßstäbe ausgerichtet und kann überall eingebunden werden.

Das Rohwasser (Brack- oder Meerwasser) wird zunächst vorgewärmt und dem in der Solarerwärmungsanlage erhitztem und bereits vorentsalztem Kreislaufwasser (ca. 90°C) zugegeben. Hierdurch wird verhindert, dass die Salze nicht bereits in den Solarrohren auskristallisieren und diese verstopfen. Das gemischte Wasser hat eine Temperatur von ca. 80°C und die Salze können jetzt in einem „Haus“ auskristallisieren sowie gewonnen werden. Das verbleibende Wasser (geringere Salzfracht) wird einerseits wiederum über die Solaranlage geschickt und auf die benötigte Temperatur erwärmt, andererseits zur Wassergewinnung demWasserturm” zugeleitet.

Im “Wasserturm” wird am Boden das heiße Wasser verdüst (blauer Pfeil). Aufgrund von Temperaturunterschieden (ca. 40°C) zwischen dem Inneren des “Wasserturmes” und seiner äußeren Umgebung wird Luft angesaugt (grüner Pfeil). Die Luft kann bei hoher Temperatur sehr viel Wasser durch Verdunstung aufnehmen und sättigt sich hier auf. Der mit Wasser gesättigte Luftstrom wird am Kopf des “Wasserturms” durch kaltes Wasser wieder aus der Luft kondensiert, so dass eine große Vermehrung des Wassers erhalten wird. Der abgesättigte Luftstrom verlässt den “Wasserturm” am oberen Austritt mit Umgebungstemperatur und geringem Wassergehalt. Das gewonnene, immer noch warme Kondensat wird zurVorerwärmung des Rohwassers verwendet und dadurch abgekühlt. Ein Teil wird als Kondensationsmedium wieder am Kopf des “Wasserturms” verwendet und der andere Teil kann als Wasserressource dem Verbraucher zugeführt werden.

 

 

Stoffaustauschmaschine

Das in vielen Regionen dieser Welt vorhandene Wasserreservoir ist durch eine abnehmende Menge und zunehmende Aufsalzung gekennzeichnet. Besonders in Wüstenregionen wie aber auch an Küstenbereichen arider Gebiete sind eine große Zahl von Brackwasserressourcen zu finden, die mit dem derzeitigen Stand der Technik nicht aufbereitet werden können. Die Ursache liegt darin begründet, dass die in diesen Brackwässern meist vorhandenen hohen Salzkonzentrationen eine kosteneffiziente Anwendung einer Umkehrosmose- oder Verdampfertechnik nicht zulässt.

Das Salzwasser wird durch den Wärmetauscher erhitzt und auf die untere Scheibe der Stoffaustauschmaschine aufgegeben. Durch die Rotation der Scheibe wird das erhitzte Salzwasser nach außen transportiert und an den in Umfangsrichtung auf Kreislinien angeordneten Stufen mehrfach zerstäubt. Ein Luftstrom, der durch den Kontakt der im Gegenstrom geführten heißen Flüssigkeit erhitzt wird, sättigt sich mit Wasser an. Der mit Süßwasser angereicherte Luftstrom strömt nun auf der oberen Scheibe der Stoffaustauschmaschine im Gleichstrom mit der aufgegebenen gekühlten Flüssigkeit nach außen.

Das im Luftstrom enthaltene Wasser kondensiert an der Phasengrenzfläche der kalten Flüssigkeit. Der abgekühlte Luftstrom verlässt den oberen Teil der Stoffaustauschmaschine und wird wieder in den unteren Teil zur erneuten Aufnahme von Wasser aus dem heißen Salzwasser geführt. In separaten Behältern wird so eine mit Trinkwasser angereicherte und eine entsprechend abgereicherte Flüssigkeit (aufkonzentriertes Salzwasser) gesammelt, die ggf. dem Prozess wiederholt zugeführt werden kann.

Die Wärmetauscher werden zur Energieminimierung gekapselt betrieben.

 

Teichbelüfter

Eine Tauchpumpe fördert sauerstoffarmes Wasser aus der tiefe des Gewässers zum Belüfter. Durch eine Düse mit innenliegendem Luftansaugrohr wird dsa Wasser in die sogenannte Strahlzone eingedüst und dort intensiv mit der nach dem Ejektorprinzip angesaugten Luft vermischt. Durch eine spezielle Konstruktion der Einbauten entsteht in der Strahlzone eine Schlaufenströmung, wodurch die Verweilzeit und somit der Stoffübergang sowie der Sauerstoffertrag erhöht wird.

Oberhalb des Wasserspiegels tritt das mit Sauerstoff gesättigte Wasser aus dem Belüfter aus, fließt durch eine hochporöse Schüttschicht und von dort in das Gewässer zurück. Auf der Oberfläche der Schüttung bildet sich ein Film aus Mikroorganismen, welche zum Abbau der Abwasserinhaltstoffe beitragen.

Durch die Förderung des Wassers an die Wasseroberfläche entsteht eine Zwangszirkulation im Gewässer.