DE102011084272A1

DE102011084272A1 - Anaerobe Abwasserreinigung

Info

Publication number: DE102011084272A1
Application number: DE201110084272
Authority: DE
Inventors: Axel Gommel; Dieter Efinger; Ronald Mulder
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2013-04-11
Also published as: WO2013053592A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie entsprechende Reaktoren zur biologischen Abwasserreinigung mittels anaerobe Mikroorganismen aufweisenden Bioschlamms (1), wobei sich der Bioschlamm (1) in einem Reaktorbehälter (2) befindet, das Abwasser (3) unterhalb des Bioschlamms (1) zugeführt wird, den Bioschlamm (1) von unten nach oben durchströmt und oberhalb des Bioschlamms (1) abgeführt wird. Dabei soll eine möglichst konstante Abwasserreinigung auf hohem Niveau dadurch erreicht werden, dass zumindest ein Teil des Bioschlamms (1) aus einem unteren Bereich in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters (2) gefördert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung mittels anaerobe Mikroorganismen aufweisenden Bioschlamms, wobei sich der Bioschlamm in einem Reaktorbehälter befindet, das Abwasser unterhalb des Bioschlamms zugeführt wird, den Bioschlamm von unten nach oben durchströmt und oberhalb des Bioschlamms abgeführt wird.
Die Erfindung betrifft ebenso Reaktoren zur biologischen, anaeroben Abwasserreinigung umfassend einen Reaktorbehälter, welcher anaerobe Mikroorganismen aufweisenden Bioschlamm enthält und im unteren Teil wenigstens einen Zulauf für das zu reinigende Abwasser und im oberen Teil wenigstens einen Überlauf zur Abführung des gereinigten Abwassers sowie einen Abscheider zur Trennung zumindest des bei der Abwasserreinigung entstehenden Biogases von dem gereinigten Abwasser aufweist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der anaeroben biologischen Abwasserreinigung wird das zu reinigende Abwasser mit anaeroben Mikroorganismen kontaktiert, welche die im Abwasser enthaltenen, organischen Verunreinigungen zu Biogas, welches im Wesentlichen Kohlendioxid und Methan umfasst, und nur zu einem geringen Teil zu Biomasse abbauen.
Je nach Art und Form der eingesetzten Biomasse werden die Reaktoren für die anaerobe Abwasserreinigung in Kontaktschlammreaktoren, UASB-Reaktoren, EGSB-Reaktoren, Festbettreaktoren und Fließbettreaktoren unterteilt.
Während die Mikroorganismen bei Festbettreaktoren an ortsfesten Trägermaterialen und die Mikroorganismen bei Fließbettreaktoren auf frei beweglichem, kleinem Trägermaterial anhaften, werden die Mikroorganismen bei den UASB(upflow anaerobic sludge blanket – anaerobes Aufströmschlammbett) und EGSB(expanded granular sludge bed – expandiertes, granuliertes Schlammbett)-Reaktoren in Form so genannter Pellets eingesetzt.
Bei den UASB und EGSB-Reaktoren wird dem Reaktor über einen Zulauf im unteren Reaktorbereich kontinuierlich zu reinigendes Abwasser zugeführt und durch ein oberhalb des Zulaufs befindliches, Mikroorganismenpellets enthaltendes Schlammbett geführt. Beim Abbau der organischen Verbindungen aus dem Abwasser bilden die Mikroorganismen insbesondere Methan und Kohlendioxid enthaltendes Biogas, das sich teilweise in Form kleiner Bläschen an den Mikroorganismenpellets anlagert und teilweise in Form freier Gasbläschen in dem Reaktor nach oben steigt. Aufgrund der angelagerten Gasbläschen sinkt das spezifische Gewicht der Pellets, weshalb die Pellets in dem Reaktor nach oben steigen. Um das gebildete Biogas und die aufsteigenden Pellets von dem Wasser zu trennen, sind in dem mittleren und/ oder oberen Teil des Reaktors Abscheider zumeist in Form von Gashauben angeordnet, unter deren First sich Biogas ansammelt, welches ein Gaspolster ausbildet, worunter eine Flotationsschicht aus Mikroorganismenpellets und Abwasser befindlich ist. Von Gas und Mikroorganismenpellets befreites, gereinigtes Wasser steigt in dem Reaktor nach oben und wird am oberen Ende des Reaktors über Überläufe abgezogen, wohingegen die von den Gasbläschen befreiten Mikroorganismenpellets aufgrund des nunmehr erhöhten spezifischen Gewichts in dem Reaktor wieder nach unten absinken. Derartige Verfahren und entsprechende Reaktoren sind beispielsweise in der EP 0 170 332 A , in der EP 1 071 636 B und in der EP 0 539 430 B beschrieben.
Mit zunehmender Größe, insbesondere zunehmendem Durchmesser der Reaktoren kann es zu Unregelmäßigkeiten im Schlammbett kommen. Diese äußern sich darin, dass bestimmte Zonen im Strömungsquerschnitt des Abwassers durch das Schlammbett das Abwasser mit geringerer Intensität reinigen, was sich dort auch in einer verminderten Erzeugung von Biogas zeigt.
Ursachen hierfür können beispielsweise eine Störung im Zuführsystem des zu reinigenden Abwassers infolge von Ablagerungen, örtlich schwerer Bioschlamm oder Sedimente sein. Im Ergebnis kann sich die Reinigungsleistung des Reaktors erheblich vermindern.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher eine möglichst gleichmäßige Reinigung des Abwassers innerhalb des Schlammbetts zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil des Bioschlamms aus einem unteren Bereich in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters gefördert wird. Diese Förderung des Bioschlamms nach oben verbessert die Fluidisierung des Schlammbetts erheblich und sorgt damit für eine Vergleichmäßigung der Reinigungsleistung. Auf Grund der im Vergleich zum Abwasser größeren Dichte des Bioschlamms entsteht ein Rieselbett. Damit kann verhindert werden, dass in Zonen im Schlammbett mit reduzierter Aktivität der Mikroorganismen und damit auch reduzierter Gasbildung die Fluidisierung dieser Zonen des Schlammbetts noch weiter abnimmt.
Dabei kann es in Abhängigkeit von der Art und Größe des Reaktors, aber auch von der Beschaffenheit des Bioschlamms vorteilhaft sein, wenn zumindest ein Teil des Bioschlamms innerhalb des Reaktorbehälters und/oder außerhalb des Reaktorbehälters nach oben gefördert wird.
Um die Fluidisierung des Schlammbetts und damit die Reinigungsleistung beeinflussen zu können, ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Menge des pro Zeiteinheit aus dem unteren in den oberen Bereich des Reaktorbehälters geförderten Bioschlamms veränderbar, vorzugsweise steuerbar ist. Dabei sollte die Menge des pro Zeiteinheit aus dem unteren in den oberen Bereich des Reaktorbehälters geförderten Bioschlamms bei größer werdender Dichte des Bioschlamms erhöht werden und umgekehrt. Eine hohe Dichte weist bei dem Bioschlamm auf Klumpenbildung und Verkalkung hin, was die Reinigungsleistung des Bioschlamms sehr beeinträchtigt. Indem in diesem Fall verstärkt Bioschlamm im Reaktorbehälter umgewälzt wird, kann beim Fördern und Herabrieseln des schweren Bioschlamms eine bessere Verteilung herbeigeführt werden.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn 5 bis 50% der gesamten Biomasse innerhalb einer Zeitspanne von 6–24 h aus dem unteren in den oberen Bereich des Reaktorbehälters gefördert werden.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der Erfindung in Fällen, bei denen unterhalb des Schlammbetts kontinuierlich zu reinigendes oder eine Mischung aus bereits gereinigtem und zu reinigendem Abwasser zugeführt und/oder der Bioschlamm von granuliertem Bioschlamm gebildet wird.
Hinsichtlich des Reaktors kann die Förderung des Bioschlamms mittels unterschiedlicher Vorrichtungen erfolgen, welche auch miteinander kombinierbar sind. Dabei ist zu beachten, dass der Bioschlamm nicht durch zu starke Scherkräfte geschädigt wird. Außerdem darf der Auftrieb des Bioschlamms im Reaktorbehälter nicht so stark sein, dass es zu einem Austrag von Biomasse aus dem Schlammbett kommt.
Falls der Bioschlamm innerhalb des Reaktorbehälters aus einem unteren in einen oberen Bereich gefördert werden soll, so kann dies gemäß der Erfindung dadurch erfolgen, dass sich im Bioschlamm zumindest ein Rührwerk, insbesondere ein
Schrauben- oder ein Propellerrührwerk befindet, welches zumindest einen Teil des Bioschlamms aus einem unteren in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters fördert und/oder dass sich im Bioschlamm zumindest ein Schraubenförderer befindet, welcher zumindest einen Teil des Bioschlamms aus einem unteren in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters fördert und/oder dass sich im Bioschlamm zumindest eine Mammutpumpe befindet, welches zumindest einen Teil des Bioschlamms aus einem unteren in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters fördert.
Für eine Förderung des Bioschlamms außerhalb des Reaktorbehälters können schonende Förderorgane, wie zum Beispiel Verdränger- oder Propellerpumpen zum Einsatz kommen, wobei der untere Teil des Bioschlamms über eine Absaugleitung mit dem außerhalb des Reaktorbehälters angeordneten Förderorgan in Verbindung steht, welches den Bioschlamm über eine Zuführleitung in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters zurück fördert. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Förderorgan von einer Mammutpumpe gebildet wird.
Falls das Förderorgan von einer Mammutpumpe gebildet wird, so ist es unabhängig davon, ob diese innerhalb oder außerhalb des Reaktorbehälters realisiert wird, von Vorteil, wenn das in die Suspension (Abwasser und Bioschlamm) der Mammutpumpe eingepresste Gas zumindest teilweise vom Biogas des Abscheiders des Reaktors gebildet wird. Damit kann einer Beeinträchtigung des Bioschlamms sowie der Abbauprozesse im Schlammbett wirksam begegnet werden. Alternativ oder ergänzend kann das Gas auch von einem inerten Gas, insbesondere Kohlendioxid gebildet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigen die 1 bis 4 einen schematischen Querschnitt durch unterschiedlich ausgebildete anaerobe Reaktoren (UASB oder EGSB) zur Abwasserreinigung.
Gemeinsam ist allen Ausführungen, dass das zu reinigende Abwasser 3, welches beispielsweise aus einer Papierfabrik stammt, im unteren Zulauf 4, insbesondere kontinuierlich in den Reaktorbehälter 2 eingedüst wird.
Im anaeroben Reaktor wird das eingeführte Abwasser 3 zunächst über den nicht dargestellten Zulaufverteiler im unteren Bereich des Reaktorbehälters 2 mit dem im Reaktorbehälter 2 befindlichen Medium vermischt und durch den oberhalb des Zulaufs 4 befindlichen und Mikroorganismenpellets enthaltenden Bioschlamm 1 (Schlammbett) geführt, wobei die in dem Reaktorbehälter 2 befindlichen anaeroben Mikroorganismen die in dem Abwasser 3 enthaltenen organischen Verunreinigungen vorwiegend zu Kohlendioxid und Methan, d.h. Biogas 7 abbauen.
Das sich beim Abbau der organischen Verbindungen bildende, insbesondere Methan und Kohlendioxid enthaltende Biogas 7 lagert sich teilweise in Form kleiner Bläschen an den Mikroorganismenpellets an und steigt teilweise in Form freier Gasbläschen in dem Reaktorbehälter 2 nach oben. Aufgrund der angelagerten Gasbläschen sinkt das spezifische Gewicht der Pellets, weshalb die Pellets in dem Reaktorbehälter 2 nach oben steigen. Um das gebildete Biogas 7 und die aufsteigenden Pellets von dem Wasser abzutrennen, sind in dem mittleren und/oder oberen Teil des Reaktorbehälters 2 Abscheider 6 zumeist in Form von Gashauben angeordnet, unter deren First sich das Biogas 7 ansammelt, welches ein Gaspolster ausbildet, worunter eine Flotationsschicht aus Mikroorganismenpellets und Abwasser 3 befindlich ist. Von Gas und Mikroorganismenpellets befreites, gereinigtes Abwasser 3 steigt in dem Reaktorbehälter 2 nach oben und wird am oberen Ende des Reaktorbehälters 2 über einen Überlauf 5 abgezogen, während das gebildete Biogas 7 den anaeroben Reaktor über eine Gasabfuhrleitung verlässt.
Um die Fluidisierung des Bioschlamms 1 zu steigern und insbesondere über den senkrechten Querschnitt des Reaktorbehälters 2 hin zu vergleichmäßigen, wird ein Teil des Bioschlamms 1 aus einem unteren Bereich in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters 2 gefördert. Da die Dichte des Bioschlamms 1 größer als die Dichte des Abwassers 3 ist, rieselt der Bioschlamm 1 auch wieder nach unten. Es stellt sich somit eine Umwälzung des Bioschlamms 1 verbunden mit einer Verwirbelung und Auflockerung des Bioschlamms 1 ein. Dabei lösen sich auch größere Verklumpungen auf.
Im Ergebnis kann so eine annähernd gleichbleibend hohe Reinigungsleistung des Reaktors gewährleistet werden.
In den Ausführungsbeispielen wird eine Auswahl wesentlicher Varianten der vorrichtungsgemäßen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Bei 1 wird die Förderung des Bioschlamms 1 aus einem unteren in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters 2 von einem Schraubenförderer 9 übernommen, der innerhalb des Bioschlamms 1 angeordnet ist. Schraubenförderer 9 sind seit langem bekannt und in vielerlei Ausführung erhältlich, wobei im Wesentlichen eine, in einer Röhre rotierende Förderschnecke den Transport des Mediums übernimmt. Dabei kann die Röhre sogar von dem Reaktorbehälter 2 selbst gebildet werden. In diesem Fall kann es von Vorteil sein, daß die Förderschnecke insbesondere oder ausschließlich im Randbereich der Röhre den Bioschlamm 1 nach oben fördert.
Die Ausführung gemäß 2 zeigt eine Lösung, bei der beispielhaft zwei, nebeneinander im Bioschlamm 1 angeordnete Rührwerke 8 für eine Verwirbelung und die Förderung zumindest eines Teils des Bioschlamms 1 aus dem unteren in den oberen Bereich des Reaktorbehälters 2 sorgen. Die Rührwerke 8 sollten hierbei sehr scherarm arbeiten, was mit strömungsgünstig geformten Rührelementen und/oder einer langsamen Rotationsgeschwindigkeit erreicht werden kann.
Im Unterschied hierzu wird bei 3 der Transport des Bioschlamms 1 von unten nach oben von einer im Bioschlamm 1 vorhandenen Mammutpumpe 10 übernommen. Hierzu wird in ein senkrecht im Bioschlamm 1 angeordnetes Rohr von unten ein inertes Gas oder Biogas 7 gepresst, welches für den Auftrieb des Bioschlamms 1 in diesem Rohr sorgt. Am oberen Ende des Rohres kann der Bioschlamm 1 dann außerhalb des Rohres wieder nach unten rieseln. In 4 ist die Mammutpumpe 10 als Förderorgan außerhalb des Reaktorbehälters 2 angeordnet. Der Bioschlamm 1 wird dabei über eine Absaugleitung 11 aus dem unteren Bereich des Bioschlamms 1 zum Förderorgan und von diesem über eine Zuführleitung 12 zum oberen Bereich des Bioschlamms 1 zurückgeführt. Auch hier wird die Mammutpumpe 10 im Wesentlichen von einem senkrecht verlaufenden Rohr gebildet, welches allerdings mit der Absaugleitung 11 und der Zuführleitung 12 verbunden ist. Die Zuführung des inerten Gases oder des Biogases 7 erfolgt ebenso von unten in das Rohr. Bei 3 und 4 wird das eingepresste Gas der Mammutpumpe jeweils gänzlich von Biogas 7 gebildet, welches von einem Abscheider 6 des Reaktors über eine Pumpe 13 zugeführt wird.
Um den Grad der Fluidisierung des Schlammbetts steuern zu können, ist die Umwälzrate des Bioschlamms 1 veränderbar, insbesondere steuerbar. Steigt die Dichte des Bioschlamms 1 an, so muss die Umwälzrate des Bioschlamms 1 erhöht werden.
Dies kann beim Schraubenförderer 9 oder dem Rührwerk 8 durch eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des jeweils rotierenden Elementes (Rührelement, Förderschnecke) erreicht werden. Bei der Mammutpumpe 10 ist eine Erhöhung der Förderleistung durch eine Steigerung der Menge an eingepresstem Gas (Biogas 7) mittels der steuerbaren Pumpe 13 möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0170332 A [0006]
EP 1071636 B [0006]
EP 0539430 B [0006]

Claims

Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung mittels anaerobe Mikroorganismen aufweisenden Bioschlamms (1), wobei sich der Bioschlamm (1) in einem Reaktorbehälter (2) befindet, das Abwasser (3) unterhalb des Bioschlamms (1) zugeführt wird, den Bioschlamm (1) von unten nach oben durchströmt und oberhalb des Bioschlamms (1) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Bioschlamms (1) aus einem unteren Bereich in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters (2) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Bioschlamms (1) innerhalb des Reaktorbehälters (2) nach oben gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Bioschlammes (1) außerhalb des Reaktorbehälters (2) nach oben gefördert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des pro Zeiteinheit aus dem unteren in den oberen Bereich des Reaktorbehälters (2) geförderten Bioschlamms (1) veränderbar, vorzugsweise steuerbar ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des pro Zeiteinheit aus dem unteren in den oberen Bereich des Reaktorbehälters (2) geförderten Bioschlamms (1) bei größer werdender Dichte des Bioschlamms (1) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass 5 bis 50% der gesamten Biomasse (1) innerhalb einer Zeitspanne von 6–24 h aus dem unteren in den oberen Bereich des Reaktorbehälters (2) gefördert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Bioschlamms (1) kontinuierlich zu reinigendes oder eine Mischung aus bereits gereinigtem und zu reinigendem Abwasser (3) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioschlamm (1) von granuliertem Bioschlamm (1) gebildet wird.
Reaktor zur biologischen, anaeroben Abwasserreinigung umfassend einen Reaktorbehälter (2), welcher anaerobe Mikroorganismen aufweisenden Bioschlamm (1) enthält und im unteren Teil wenigstens einen Zulauf (4) für das zu reinigende Abwasser (3) und im oberen Teil wenigstens einen Überlauf (5) zur Abführung des gereinigten Abwassers (3) sowie wenigstens einen Abscheider (6) zur Trennung zumindest des bei der Abwasserreinigung entstehenden Biogases (7) von dem gereinigten Abwasser (3) aufweist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bioschlamm (1) zumindest ein Rührwerk (8) befindet, welches zumindest einen Teil des Bioschlamms (1) aus einem unteren in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters (2) fördert.
Reaktor zur biologischen, anaeroben Abwasserreinigung umfassend einen Reaktorbehälter (2), welcher anaerobe Mikroorganismen aufweisenden Bioschlamm (1) enthält und im unteren Teil wenigstens einen Zulauf (4) für das zu reinigende Abwasser (3) und im oberen Teil wenigstens einen Überlauf (5) zur Abführung des gereinigten Abwassers (3) sowie wenigstens einen Abscheider (6) zur Trennung zumindest des bei der Abwasserreinigung entstehenden Biogases (7) von dem gereinigten Abwasser (3) aufweist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bioschlamm (1) zumindest ein Schraubenförderer (9) befindet, welcher zumindest einen Teil des Bioschlamms (1) aus einem unteren in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters (2) fördert.
Reaktor zur biologischen, anaeroben Abwasserreinigung umfassend einen Reaktorbehälter (2), welcher anaerobe Mikroorganismen aufweisenden Bioschlamm (1) enthält und im unteren Teil wenigstens einen Zulauf (4) für das zu reinigende Abwasser (3) und im oberen Teil wenigstens einen Überlauf (5) zur Abführung des gereinigten Abwassers (3) sowie wenigstens einen Abscheider (6) zur Trennung zumindest des bei der Abwasserreinigung entstehenden Biogases (7) von dem gereinigten Abwasser (3) aufweist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bioschlamm (1) zumindest eine Mammutpumpe (10) befindet, welches zumindest einen Teil des Bioschlamms (1) aus einem unteren in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters (2) fördert.
Reaktor zur biologischen, anaeroben Abwasserreinigung umfassend einen Reaktorbehälter (2), welcher anaerobe Mikroorganismen aufweisenden Bioschlamm (1) enthält und im unteren Teil wenigstens einen Zulauf (4) für das zu reinigende Abwasser (3) und im oberen Teil wenigstens einen Überlauf (5) zur Abführung des gereinigten Abwassers (3) sowie wenigstens einen Abscheider (6) zur Trennung zumindest des bei der Abwasserreinigung entstehenden Biogases (7) von dem gereinigten Abwasser (3) aufweist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil des Bioschlamms (1) über eine Absaugleitung (11) mit einem außerhalb des Reaktorbehälters (2) angeordneten Förderorgan in Verbindung steht, welches den Bioschlamm (1) über eine Zuführleitung (12) in einen oberen Bereich des Reaktorbehälters (2) fördert.
Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderorgan von einer Mammutpumpe (10) gebildet wird.
Reaktor nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Suspension der Mammutpumpe (10) eingepresste Gas zumindest teilweise vom Biogas (7) des Abscheiders (6) gebildet wird.