DE69206452T2 - Verfahren und Einrichtung für biologische Abwasserreinigung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die biologische Reinigung von Abwässern wie beispielsweise städtische Abwässer, Industrieabwässer und Wasser aus Verteilernetzen, das zu Trinkwasser gereinigt werden soll. Insbesondere betrifft sie ein Reinigungsverfahren, bei dem das zu behandelnde Wasser und das sauerstoffghaltige Gas über gemeinsame steigende Strömungen in einen einzigen Reaktor oder in ein biologisches Filter eingeleitet werden, bei denen als Filtermaterial Kunststoffteilchen oder expandierte Mineralstoffe verwendet werden, deren Dichte geringer als die des Wassers ist.
• Es ist bekannt, daß die biologische Reinigung von Wasser in der Zersetzung der organischen Verunreinigungen durch das Einwirken einer reinigenden Biomasse besteht, die entweder im freien oder im gebundenen Zustand vorliegt und die verschiedenartige Mikroorganismen enthält: Bakterien, Hefen, Protozoen, Metazoen usw. Beim Verfahren mit freistehender Aktivschlamm-Biomasse ist es nicht möglich, die verschiedenen Arten von Mikroorganismen in großen Mengen zu konzentrieren, da diese in dem Maße schwer dekantierbar sind, in dem die Konzentration der Biomasse durch Dekantieren erfolgt. Das Verfahren ist somit eingeschränkt mit Hinblick auf die anwendbare Belastbarkeit, sowohl bezüglich DBO (biologischer Sauerstoffbedarf) als auch DCO (chemischer Sauerstoffbedarf). Bei einem System mit festgehaltener Biom asse erfolgt die Konzentration der Biomasse (mit Bakterien) durch Festhalten auf einer Halterung. Damit ist die Dekantierfähigkeit nicht mehr von hervorstehender Bedeutung und diese Technik hat ein viel höheres Reinigungspotential als dies bei den konventionellen Verfahren der Fall ist.
• Unter den leistungsfähigsten Verfahren, die auf dem Prinzip der Reinigung mit festgehaltener Biomasse basieren, können insbesondere die vom Antragsteller entwickelten und patentierten genannt werden, darunter das "Biocarbolle" (eingetragenes Markenzeichen) genannte Verfahren sowie die Technik, die darin besteht, in einem einzigen Reaktor mit aufsteigender Strömung, ein körniges Bett wirken zu lassen, bestehend aus zwei Zonen mit verschiedenen Korngrößen und biologischen Eigenschaften (französische Patente Nr.76 21246, Veröffentlichungs- Nr.2358 362; Nr.78 30282, Veröffentlichungs-Nr. 2439 749 und Nr.86 13675, Veröffentlichungs-Nr. 2 604 990).
• Bei den sogenannten Techniken mit freistehender Biomasse wird hier insbesondere auf die Wirbelschichtbettverfahren hingewiesen, bei denen als Biofiltermaterial Produkte eingesetzt werden, deren Dichte geringer als 1 ist, wie beispielsweise expandiertes Polystyrol, wobei diese Verfahren mittlerweile der Öffentlichkeit zugänglich sind (französisches Patent Nr.1 363 510 von 1963, Englisches Patent Nr. 1 024 076 von 1 962). Aus verschiedenen Ausführungsvarianten dieser Verfahren haben sich verschiedene Patente ergeben (französische Patente Nr.330 652, 2 406 664, 2 538 800; amerikanisches Patent Nr.4 256 573; japanisches Patent Nr.58-153 590 usw.).
• Die Anwendung dieser Schwebstoffe sowie körniger Wirbelschichtbetten ist an sich interessant, sie ist jedoch des öfteren mit Schwierigkeiten behaftet und weist außerdem Nachteile auf. Verwirbelt man beispielsweise Materialien, die schwerer als Wasser sind (Sand oder ähnliches), so ist der Energiebedarf zum Pumpen der Flüssigkeit erheblich, und das Halten des Materials im Reaktor ist schwer zu beherrschen. Um diesem Energieverbrauchsnachteil entgegenzuwirken wurde die Verwendung von Wirbelschichtbetten mit leichten Materialien vorgeschlagen, deren Dichte geringer als die des Wassers ist, mit Einblasen von Luft an der tiefsten Stelle des Bettes aber mit steigender Wasserzufuhr (bereits erwähnte Patente US Nr. 4 256 573 und Japan Nr, 58 1 53590). Ab einer bestimmten Fallgeschwindigkeit des Wassers werden jedoch die Luftblasen im Material eingeschlossen oder vom Fluß mitgerissen, was dazu führt, daß der Reaktor nicht mehr richtig belüftet wird Um die oben erwähnten Nachteile zu umgehen, wurden beim Antragsteller eine Vielfalt von Versuchen durchgeführt, um alle Vorteile eines schwebenden Bettes auszunutzen, wobei versucht wurde, solche Dinge zu vermeiden, wie der Einschluß der Luftblasen an der Oberfläche, die Verstopfung des Bettes, der Energieaufwand, die Schwierigkeiten beim Waschen des Filterbettes usw.
• Diese Schwierigkeiten wurden durch die Entwicklung des Verfahrens nach Anspruch 1 ausgeräumt.
• Dem Stand der Technik entsprechend war die Verwendung von Teilchen mit kleinerer oder größerer Volumenm asse als die des Wassers im Rahmen biologischer Filter bekannt.
• So befaßt sich das Dokument FR-A-2538800 mit einem Verfahren zur Behandlung von Abwässern mit Hinblick auf ihre Reinigung, bei dem biologische Filter zur Anwendung kommen, die aus einer Matenalschüttung bestehen, deren Volumenmasse kleiner als 1000 kg/m³ ist.
• Das Dokument EP-A-0046900 schlägt als Trägermaterial für die Biomasse ein großporiges Material vor, dessen spezifisches Gewicht zwischen 10 und 200 kg/m³ liegt, entsprechend einer Volumenmasse zwischen etwa 100 und 2000 kg/m³.
• Zuletzt schlägt das Dokument DE-A-37422 10 die Verwendung eines Materials vor, dessen spezifisches Gewicht 60 kg/m beträgt, entsprechend einer Volumenmasse von 600 kg/m³.
• Die Erfindung schlägt somit die Wahl eines engen Dichtebereichs aus dem breiten Angebot an Dichten und Teilchen vor, die nach dem Stand der Technik geboten werden, wodurch die Wasserreinigung merklich erhöht wird.
• Aus einer Vielfalt von Versuchen, die vom Patentanmelder durchgeführt wurden, hat sich herausgestellt, daß nur die strenge Auswahl des oben erwähnten gewünschten Bereichs an Volumenmasse eine hohe Reinigungsleistung ermöglichte, die außerdem zeitlich beständig war.
• Es wurde nämlich festgestellt, daß die Verwendung von Styroporkügelchen, deren Massedichte kleiner als 0,035 ist, Zerdrückungs- und Verdichtungserscheinungen an der Rückhaltedecke verursachte, was zu starken hydraulischen Durchsatzverlusten sowie zu einer starken Verstopfung des Bettes führte.
• Ferner verursacht, neben den technischen Herstellungsschwierigkeiten, die Verwendung von Polystyrolkügelchen mit einer größeren Dichte als 0,065 unerwartet hohe Materialmitnahmen beim Waschen der Betten bei Gegenströmung und somit unannehmbare Verluste.
• Weitere Eigenschaften des Verfahrens werden im folgenden Teil dieser Beschreibung verdeutlicht.
• Die Erfindung betrifft einen Reaktor oder ein biologisches Filter gemäß Anspruch 2.
• Eine nicht einschränkende Ausführung einer Abwasserreinigungsanlage wird in den Abbildungen dargestellt, die folgendes zeigen:
• - Figur 1 einen auseinandergezogenen Perspektivschnitt einer Behandlungsanlage mit zwei parallelen Reaktoren oder Biofiltern;
• - Figur 2 einen Teilschnitt eines Reaktors nach der Linie AA der Figur 1 und
• - Figur 3 eine Ansicht desselben Reaktors gemäß Schnitt BB der Figur 1.
• Diesen Figuren entsprechend umfaßt somit ein Reaktor 1 im unteren Teil einen Raum 2 zur Verdickung und zum Herausschleusen der Schlämme, gefolgt vom Einspritzsystem für die sauerstoffhaltige Flüssigkeit 3, wobei das feststehende Bett 4, das durch die Lochplatte 7 zunickgehalten wird, die Decke bildet und zuletzt von einem Vorratsgefäß 8 für gereinigtes Wasser, das dem nachträglichen Waschen des Filtermaterials dient, an dessen oberem Teil das Herausschleusen der gereinigten Flüssigkeit vorgesehen ist.
• Die zu behandelnde Flüssigkeit kommt durch die Leitung 11 an und wird in den Bereich 2 unterhalb der Einspritzvorrichtung für das sauerstoffhaltige Gas 3 eingeleitet, wobei diese sich unter dem Bett 4 befinden kann, wie in der Zeichnung dargestellt oder aber innerhalb des Bettes (Referenzzeichen 3').
• Wenn Luft (oder sauerstoffhaltiges Gas) am unteren Teil 3 eingeleitet wird, erhält man einen intensiven Austausch zwischen Gas, zu behandelndem Wasser und dem an den Teilchen haftenden Biofilm. Während dieses Vorgangs bleibt das Bett 4 im nicht turbulenten Zustand (was zum Ausdruck "feststehendes Bett" führt, das in dieser Beschreibung Anwendung findet).
• Aufgrund der Ansammlung an suspendierten Stoffen und des biologischen Wachstums innerhalb des Filterbetts, verstopft das Material allmählich. Dem fortschreitenden Durchsatzrückgang folgt ein Anstieg des Flüssig keitspegels in der Säule 11, die der Zufuhr oder der Durchsatzverlustmessung dient. Die Rückhaltung von Teilchen kann durch Zugabe eines Ausflockungsmittels verbessert werden.
• Beim Erreichen eines im voraus festgelegten Durchsatzverlustwertes wird das Spülen des Bettes ausgelöst. Dazu wird ein Spülventil 13 geöffnet, bis die gewünschte Spülgeschwindigkeit erreicht wird. Das schnelle Ablaufen im Gegenstrom der gereinigten Flüssigkeit, die im oberen Teil 8 des Reaktors gespeichert wird, ermöglicht das Ausdehnen des Materials. Bei der oben definierten Körnung und Dichte des Materials wird eine Spülgeschwindigkeit zwischen 30 und 80 m/h eingestellt.
• Der schnelle Gegenstromdurchlauf ermöglicht die Mitnahme der in den Kornzwischenräumen eingelagerten Stoffe sowie das Ablösen der an der Oberfläche des Materials haftenden überschüssigen Biomasse, wobei der oben erwähnte Geschwindigkeitsbereich das Aufrechterhalten eines aktiven Biofilms auf dem Material sicherstellt. Nach Entleeren der Reserve 8 und Schließen des Spülventils 13 kann die Zufuhr bei ähnlichem Durchsatz wie vor dem Spülvorgang wieder eingestellt werden.
• Eine Rezyklierung des gereinigten Abwassers mittels einer Pumpe kann u. U. die Verteilung verbessern oder Nitrate in Vorfilterbereiche einleiten.
• Um die Zeiten zwischen zwei Spülungen zu verlängern, können sehr kurze heftige Spülungen durch Öffnen des Ventils 13 periodisch durchgeführt werden, um das Material zu lockern und ein tieferes Eindringen der Verunreinigungen in das Filtermaterial zu ermöglichen. Diese Mini-Spülungen entstopfen besser den unteren Teil des Filters, das stärker mit Schwebstoffen belastet ist. Die Schnellspülungen können derart ausgelöst werden, daß ein gleichmäßig über die gesamte Höhe des Filterbettes verteilter Durchsatzverlust sichergestellt wird.
• Um eine zu starke Kompression des Bettes durch stetiges Einblasen zu vermeiden, kann eine gepulste Zufuhr von Luft oder von sauerstoffhaltigem Gas eingestellt werden. Das Einblasen von Luft kann während des Spülvorgangs, der u. U. gepulst erfolgen kann, aufrechterhalten werden, um die Auflösung der Verstopfung des Bettes zu begünstigen.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführung wird eine Filterbattene wie in Fig 1 dargestellt kombiniert. Ein gemeinsamer Wasservorrat speist die individuellen Säulen für die Durchsatzauslösung eines jeden Filters. Die Säulen für die Durchsatzauslösung vermeiden die Unterdrückungen, die eventuell durch von Störungen hervorgerufene Verstopfung ausgelöst werden könnten, wobei die Verstofpung stetig ausgeglichen wird. Bei dieser durch die Schwerkraft gesteuerten Zufuhr kann der Durchsatz leicht gemessen und über die Abläufe geregelt werden.
• Die Abteile zum Speichern des Spülwassers einer Filterbatterie werden hydraulisch miteinander verbunden. So speist das gereinigte Wasser der in Betrieb befindlichen Filtern den Spülfluß der Filter, deren Verstopfung gelöst wird, wodurch den sich oberhalb des Filterbettes befindlichen Speicherabteilen eine ausreichende Höhe und ein ausreichendes Volumen gegeben werden kann, wobei die Abmessungen als Funktion des Durchsatzes und der Anzahl der Filter berechnet werden kann.
Ausführungsbeispiel
• Es wurde mit einer Reinigungsanlage für städtische Abwässer gearbeitet, die 5 parallel gelagerte Filterzellen mit einer Oberfläche von jeweils 16 m² umfaßte (wobei jede Zelle einem Reaktor 1 des oben beschriebenen Typs entsprach). Die Höhe einer jeden Zelle oder eines jeden Reaktors betrug etwa 5,70 m und die Höhe des Zellenmaterials (in diesem Falle Polystyrolkügelchen mit ca. 3,5 mm Durchmesser und einer Dichte von 0,045) etwa 3 m.
• Der Abwasserdurchsatz betrug 2300 m³/Tag und die typische Verunreinigung umfaßte folgende Werte: NTK: 40 mg (Gesamtstickstoff nach Kjehldahl); DCO (chemischer Sauerstoffbedarf): 400 mg; MES (Schwebstoffe): 100 mg/l.
• Am Ausgang wies das gereinigte Abwasser die sehr guten folgenden Werte auf: DCO: 50 mg; MES: 10 mg/l; Gesamtstickstoff (N): 8 mg, davon fielen 1 mg auf N aus NH&sub4;, 5 mg auf N aus NO&sub3; und 2 mg auf organischen N.

Claims (3)

1. Verfahren für die biologische Reinigung von Abwässern durch Einleiten des zu reinigenden Wassers und eines sauerstoffhaltigen Gases über gemeinsame steigende Strömungen in einen Reaktor oder in ein biologisches Filter, welches über ein festes Bett aus Teilchen verfügt, deren Dichte geringer als die des Wassers ist und die zum Halten von Bakterien dienen,

dadurch gekennzeichnet, daß man als Halterung Polystyrol-Teilchen verwendet, deren Korngröße zwischen 2 und 6 mm und deren Volumenm asse zwischen 35 und 65 kg/m³ liegt und dadurch,

daß das Bett periodisch in der Art rückgespült wird, daß das behandelte Wasser im Gegenstrom durch das Bett strömt, mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 80 mih, wobei sehr kurze heftige Wasserstöße zwischen den Rückspülungsperioden durchgeführt werden, um das Material aufzulockern und dadurch,

daß das Verfahren einen Schritt umfaßt, bei dem ein Teil des behandelten Wassers rezykliert wird.

2. Reaktor oder biologisches Filter zur Verwirklichung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, welches von unten nach oben folgendes umfaßt: ein Gefäß (2) zum Eindicken der Schlämme sowie Mittel, um diese abzuleiten;

mindestens eine Einspeisevorrichtung für sauerstoffhaltiges Gas (3); einen filtrierenden Stoff; eine Decke oder Rückhaltevorrichtung (7),

dadurch gekennzeichnet, daß es folgendes umfaßt:

- Mittel zum Einleiten des Wassers am unteren Teil des Reaktors (1),

- einen Vorratsbehälter (8) für behandeltes Wasser am oberen Teil des Reaktors, das för die Rückspülung des Filtermaterials genutzt wird, an dessen Scheitelpunkt der Ablauf (9) des behandelten Abwassers vorgesehen ist,

- ein Wasserspülungsventil (13),

- Mittel zum Rezyklieren des behandelten Wassers,

- mindestens eine Beladesäule (11), um die Unterdrückung, die durch eine eventuelle Verstopfung des Filtermaterials entstehen würde, zu vermeiden, wobei die Verstopfung kontinuierlich kompensiert wird und dadurch,

daß das Filtermaterial aus Polystyrolkügelchen besteht, deren Korngröße zwischen 2 und 6 mm und deren Volumenmasse zwischen 35 und 65 kg/m³ liegt.

3. Einrichtung zum Reinigen von Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Reaktoren/Filter gemäß Anspruch 2 umfaßt, die parallel in der Nähe eines gemeinsamen Gewässers liegen und deren Reinigungskammern hydraulisch miteinander verbunden sind, um das Spülwasser für die in Betrieb befindlichen Filter zu liefern.