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"Verfahren zur biologischen Wasserrein##ung"
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Die Erfindung betrifft die biologische Wasserreinigung durch Filterung
in einem eingetauchten, festen Aktivkohlebett unter aeroben Bedingungen, insbesondere
von Abwässern der Industrie und der Haushalte.
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Die biologische Reinigung der Kanal abwässer wird heutzutage fast
ausschließlich mit belebten Schlämmen vorgenommen. Die Reinigung mit solchen Hilfsmitteln
ist zeitaufwendig und kostspielig. Abwässer anderer Art und insbesondere die industriellen
Abwässer werden in bestimmten Fällen mehr oder weniger zufriedenstellend
gereinigt
durch eine Filtern? unter aeroben Bedingungen beim Durchströmen eines aktiven Kohlebettes,
in dessen Zwischenräumen in geeigneter Weise Bakterienkolonien eingelagert sind,
die Stoffwechsel vorgänge oder den Abbau der Verunreinigungen ermöglichen, die im
zu reinigenden Wasser enthalten sind. Dieses Verfahren basiert auf der Adsorption
der Verunreinigungen mittels Aktivkohle und auf dem allmählichen Abbau der adsorbierten
Verunreinigungen. Nach der britischen Patentschrift 1 296 333 soll es auf diese
Weise möglich sein, den chemischen Sauerstoffbedarf um mehr als 90 °, zu senken
bei einer Abwasserdurchflußleistung von bis zu 300 l/h/dm2; das entspricht einer
linearen Durchflußzeschwindiskeit von ungefähr 30 mih durch das Bett. Setzte man
Jedoch dieses Verfahren speziell für städtische Abwässer ein, so war es bisher nicht
möglich, annehmbare Resultate zu erzielen, sogar dann, wenn man drei oder mehrere
Betten oder Kolonnen zur Reinigung hintereinander einsetzte. Eine gewisse Verbesserung
wurde erzielt mit Filterbetten aus einer Mischung von Aktivkohlegranulaten und belebten
Schlämmen und durch das ständige Hinzufügen von belebten Schlämmen in das strömende
zu reinigende Wasser.
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Mit einem solchen Verfahren wurde jedoch die gesamte Reinigungseinrichtung
sehr kompliziert, da eine Kläreinrichtung zur Wiedergewinnung der Filterschlämme
vorgesehen werden mußte; ohne noch besonders auf die notwendigen Einrichtungen zur
Regenerierung
und zur Rückführung dieser Schlamme hinzuweisen.
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Bei diesen bekannten Verfahren ist es besonders wichtig, die mit Sauerstoff
angereicherte Luft unter dem Kohlebett einzuführen oder in gleichguter Weise das
Abwasser sofort mit Sauerstoff anzureichern, bevor es das Bett durchströmt.
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Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur biologischen Wasserreinigung
durch Filterung, in einem eingetauchten, festen Aktivkohlebett uitrr aeroben Bedingungen,
welches die Erzielung eines Reinir#ungsgrades ermöglicht (ausgedrückt durch die
Verhältnisse des chemischen Sauerstoffbedarfes zum biologischen Sauerstoffbedarf),
welcher unvergleichbar höher ist als der bisher erreichte. Das Verfahren ist durch
folgende Merkmale gekennzeichnet: a) die Korngröße der Aktivkohle beträgt zwischen
1,5 - 8 mm; b) die mit Sauerstoff angereicherte Luft wird in das Kohlebett in einer
Zwischenschicht so eingeführt, daß direkt und lediglich die Kohlemenge mit Sauerstoff
angereichert wird, die sich oberhalb dieser Zwischenschicht befindet; c) die lineare
Durchflußgeschwindigkeit des Wassers durch das Bett (d.h. die Durchflußleistung
in m3/h durch einen Bettbereich in m2) ist kleiner oder gleich 2 m/h;
d)
die Kontaktzeit des Wassers mit der Kohle oberhalb der Zwischenschicht beträgt mindestens
30min.; e) die Zwischenschicht ist unter den genannten Bedingungen so gewählt, daß
eine Kohleschicht unter dieser Zwischenschicht die aktiven Bakterienkolonien aufnimmt.
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Wahlweise können andere Luft mengen an einer oder mehreren Stellen
oberhalb der Zwischenschicht eingeführt werden.
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Der Ausdruck ~Kontaktzeit , der in dieser Beschreibung verwendet wird,
zeigt das Verhältnis zwischen der Hälfte des Kohlemengenvolumens oberhalb der Zwischenschicht
und dem stündlichen Durchfluß des zu reini,enden Wassers an. Tatsächlich kann man
mit sehr guter Annäherung abschätzen, daß das vom Wasser eingenommene Volumen in
dieser Masse ungefähr der Hälfte des Volumens der Masse selbst entspricht.
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Wie man aus dieser Beziehung leicht ableiten kann, läßt das erfindungsgemäße
Verfahren die gesamte absorbierende Aktivität der Aktivkohle außer Acht. Die Hohlräume
der Kohle sind in dem Maße von Bedeutung, in dem sie große Oberflächen für die Bildung
der Bakterienkolonien bilden, deren Dichte oberhalb der .genannten Zwischenschicht
maximal ist. Bei der genannten Korngröße und der aufgezeigten linearen Durchflußgeschwindigkeit
bilden die
Bakterienkolonien ein Gefüge, welches die einzelnen Kerner
oder Kohleteile miteinander verbindet. Dieses Zusammenwirken trägt in entscheidender
leise zur Reinigung und zu den über 2m/h betragenden linearen Durchflußgeschwindigkei#qbei,
die sonst die Existenz und die Wirksamkeit der Bakterienkolonien beeinflussen würden.
Dieses Asammenwirken dient außerdem der Zurückhaltung der Teile, die im zu reinigenden
Wasser vorhanden sind und die sonst dem einfluß der Bakterien entweichen würden.
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Die Ausbildung der Bakterienkolonien bereitet keine Schwierigkeiten.
Bei einer frischen Schicht von Aktivkohlc genügt es, das zu reinigende Wasser (
im geschlossenen oder offenen Kreislauf) durch das Bett strömen zu lassen, wobei
gleichzeitig Luft eingeführt wird solange, bis der Ausfluß praktisch klar ist, d.h.
ohne kolloidale Turbidität. Diese vorangehende Phase dauert einige Stunden, im Maximum
bis zu 12 Stunden. In der Aktivkohleschicht unterhalb der mit Luft injizierten Zwischenschicht
ist die Bakterienansammlung zunehmend verringert in Richtung nach unten mit einem
erhöhten Gradienten, zum Teil aufgrund der fehlenden Nährstoffe im abströmenden
Wasser und zum Teil aufgrund des Sauerstoffmangels in diesem Wasser. Die Kohleschicht
unterhalb der Zwischenschicht arbeitet sowohl als Reinigungsschicht als auch gleichzeitig
als Filter. Insbesondere werden die nach unten aus der oberen Schicht mitgenommenen
Bakterien in Form von Flocken oder Mikroflocken durch die untere Schicht festgehalten
und durch den verteilten Sauerstoff, der vom Wasser mitgenommen wird, mineralisiert.
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Ungefähr nach einer Arbeitszeit von einer Woche muß das Kohlebett
gereinigt werden. Dazu genügt es, das setzt mit aufwärts gerichtetem Wasser zu durchströmen,
vorzugsweise mit einem Strom mit einer solchen Intensität (lineare Geschwindigkeit
von 30 mih oder mehr), daß das Bett entmischt werden kann. Man entfernt auf diese
Weise alle Schlämme, die praktisch vollständig mineralisiert und wirkungslos sind.
Daraufhin werden die Bakterienkolonien in der beschriebenen eis neu bildet.
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Die Korngröße der Aktivkohle beträgt vorzugsweise zwischen 3 - 5 mm.
Es ist außerdem vorteilhaft, die lineare Filtergeschwindigkeit zwischen 0,5 - 1
mih und eine Kontaktzeit von 40 - 70 min. einzuhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren
wird in vorteilhafter Weise durchgeführt mit hilfe eines Aktivkohlebettes, dessen
über dem Injektionsniveau angeordneter Teil eine Höhe von 1 - 1,5 mund dessen darunter
angeordneter Teil eine Höhe von mindestens 10 cm, vorzugsweise 15-20 cm besitzt
(größere Schichten als 20 cm ergeben, obwohl möglich, keinerlei Verbesserungen).
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In der Praxis benötigt man 1 - 1,5 n3 Aktivkohle zur Reinigung von
1 m3/h Abwasser, wobei die Reduzierung des chemischen Sauerstoffbedarfes um mehr
als 9G % und des biologischen Sauer-0l stoffbedarfes um mehr als 95 15 möglich ist.
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In den anliegenden Abbildungen zeiten: Fig. 1 einen Längsschnitt durch
eine Vorrichtung zur DurehfUhrung des Verfahrens und Fig. 2 einen Querschnitt nach
der Linie II - II durch Figur 1.
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Mit der Ziffer 10 ist ein vertikal stehender, zylindrischer Behälter
mit einer Höhe von 1,9 m und einem inneren Durchmesser von 0,6 m bezeichnet, der
nach oben offen ist und in einen konischen unteren Teil 10 A ausläuft In seinem
Inneren ist zwischen dem Boden und dem zylindrischen Teil des Behälters eine gelochte
Platte 12 eingesetzt, die ein festes Bett 13 aus 370 1 Aktivkohle aufni#t mit einer
Korngröße von 3,3 - 4,7 mm (6 - 4 mesh).
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In einer Ebene A in einer Höhe h = 20 cm über der Platte 12 ist radial
in den Behälter ein Luftzufhrunsrohr 14 eingeführt, von dem in horizontaler Richtung
eine Vielzahl von perforierten Rohren 16 abzweigen. Das Rohr 14 ist mittels des
Verbindungsrohres 18 mit einem Kompressor 20 verbunden. Die perforierten Rohre 16
sind in das Bett 13 eingeführt. Die Kohleschicht M über dem Niveau A hat eine Höhe
H von ungefähr 1,1 m und ein Volumen von ungefähr 0,310 m3. Das Volumen der Schicht
M1 unterhalb des Niveau A beträgt ungefähr 0,060 m3. In den oberen Teil des Behälters
10
mündet ein Zuführungsrohr 24 für das Abwasser, dessen Durchflußmenge durch ein Ventil
26 während des Betriebes 30 gesteuert wird, daß das das Bett 13 überdeckende Abwasser
eine Höhe von ungefähr 40 cm besitzt. über diesem trasserspiegel weist der Behälter
10 eine überlauföffnung 28 auf.
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Vom Boden des Behälters geht ein Rohr 30 ab, welches sich in drei
Arme 32,34,36 teilt, die über die Ventile 38,40,42 steuerbar sind. Das Abzweigrohr
36 mündet in das Rohr 24 zwischen dem Ventil 26 und dem Behälter, wobei die Verbindung
zwischen diesen beiden RoF"en über das Ventil 44 steuerbar ist, welches in dem Rohr
36 eingesetzt ist. Zwischen den Ventilen 44 und 42 ist in dem Rohr 36 eine Umlaufpumpe
P eingesetzt, mit einem variierbaren Durchfluß und vorzugsweise mit einer Umsteuerbarkeit.
Unmittelbar oberhalb der gelochten Platte 12 ist der Behälter 10 mit einer seitlichen
Öffnung ausgerüstet, die fest von einem Deckel 46 verschlossen ist, durch die gezebenenfalls
das Kohlebett ausgewechselt werden kann.
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Mit der gezeigten Vorrichtung, die mit frischer Aktivkohle gefüllt
ist, wird das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchgefuhrt: Die Ventile 38
und 40 sind geschlossen, der Behälter 10 ist mit Abwasser über die Leitung 24 gefüllt,
das Ventil 26 ist geschlossen, die Pumpe P ist in Betrieb und regelt den Durchfluß
durch das Bett 13 in Abwärtsrichtung (Pfeil F) des Abwassers mit einer Geschwindigkeit
unter 2 m/h, vorzugsweise
unter t m/h. Der Kompressor 20 ist in
Betrieb, seine Leistung ist so geregelt, daß das über dem Bett stehende Wasser den
Sauerstoff unter Verschluß hält ohne das geschlossene Kohle bett zu beeinflussen.
Diese Bedingungen werden solange aufrechter~ halten, bis das umlaufende Wasser im
wesentlichen ohne kolloidale Turbidität ist.
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Das Bett 13 ist nunmehr biologisch aktiv. Die Pumpe P wird daher stillgesetzt,
die Ventil 42 und 44 sind geschlossen.
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Die Ventile 40 und 26 werden erneut geöffnet, wobei der Durchfluß
durch diese Ventile so geregelt wird, daß sich im Behälter eine Abwasserdurchflußmenge
von ungefähr 0,25 m3/h einstellt.
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Wenn der Querschnitt des Behälters 0,283 m2 beträgt, während die Hälfte
des Volumens der Aktivkohleschicht M ungefähr 0,155 m3 beträgt, so beträgt die lineare
Filtergeschwindigkeit 0,9 mih und die Kontaktzeit ungefähr 37 min.. Das gereinigte
Wasser wird fortlaufend über das Rohr 34 abgezogen.
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Die typische Reinigungsorkung kann mittels nachfolgender Tabelle angegeben
werden: Abwasser gereiniztes Wasser Reduzierung chem. Sauerstoffbedarf (mg/l) 330
26 92 74 biol. Sauerstoffbebedarf (mg/l) 220 7 97 % NH3 (mg/l) 40 12 70 % Nitrate
(mg/l) 0,6 0,06 90 % Turbidität (SiO2 mg/l) 70 5 93 % Suspensionsanteile 3 cc nicht
nachweisbar (Imhoffkegel)
Nach einer gewissen Benutzungsdauer,
nach der der Schleppverlust durch das Bett bedeutend wird, muß eine Regenerationsbehandlung
durchgeführt werden. Aus diesem Grunde werden das Zuführungsventil 26 und das Ablaßventil
140 geschlossen, während einige Minuten die Luftzufuhr vom Kompressor 20 erhöht
wird. Danach wird der Kompressor stillgesetzt.
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Nach Cffnung des Ventil es 38 schickt man durch die Leitung 32 in
Aufwärtsrichtung gereinigtes Wasser in einer Durehflunmer.ge (beispielsweise 10
m3/h) derart, daß das Bett 13 fluidisiert wird. Auf diese Weise werden die Schlämme
vom durchströmendem hasser mitgenommen und fließen durch den überlauf 28 in einen
nicht gezeigten Überlaufkanal. Vorzugsweise nach dem man einmal auf diese Weise
eine erste ntfcrnun der Schlämme erreicht hat, schließt man das Ventil 38, öffnet
erneut die Umlaufventile 42 und 44 und setzt die Pumpe P in umgekehrter Richtung
(Pfeil F') in Gang mit einer maximalen Durchflußmenge, wodurch das Bett 13 etwa
während 10 min. in einem fluidisierten Zustand gehalten wird. Eine endgültige Spülung
erreicht man durch erneutes Öffnen des Ventiles 38 und durch Abführen der Schlämme
durch die überlauföffnung 28. Das Bett 13 ist danach durch die Umlaufspülung im
dienen oder geschlosgenen Kreislauf reaktiviert.
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Das beschriebene Verfahren kann in dieser Weise oder in Kombination
mit anderen Mitteln oder Verfahrensschritten zur Behandlung der verschiedensten
zu reinigenden Abwässer eingesetzt werden.