DE19633889C1 - Bioreaktor zum Schadstoffabbau und zur Abwasserfiltrierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zum Schadstoffabbau und zur Abwasserfiltrierung gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1, der insbesondere für die aerobe Abwasserbehandlung einsetzbar ist.

Aus der DE 43 31 434 C1 ist ein gattungsgemäßer Bioreaktor bekannt. Dieser Bioreaktor, der zur Endreinigung von organisch belastetem Abwasser im Rahmen einer mehrstufigen Abwasserreinigung vorgesehen ist, weist einen geschlossenen Behälter auf, der im unteren Teil einen Düsenboden aufweist, auf dem eine Stützschicht aus Kies angeordnet ist. Auf der Stützschicht wiederum ist eine Schüttung aus einem körnigen Trägermaterial aufgebracht. Der Behälter weist im oberen Teil eine Abwasserzuleitung für unbehandeltes und unterhalb des Düsenbodens eine Abwasserableitung für gereinigtes Abwasser auf. Die Durchströmung des Behälters erfolgt also von oben nach unten (Abstromprinzip). Von der Abwasserableitung zweigt eine mit einer Umwälzpumpe versehene Rückführleitung ab, die eine Rezirkulierung eines Teilstroms des Abwassers in den Behälter ermöglicht. Das zurückgeführte Abwasser wird über ein Düsensystem, das in einem mittleren Bereich der Trägermaterialschüttung angeordnet ist, über den gesamten Querschnitt des Reaktors verteilt. Mittels eines Injektors kann ein O₂-haltiges Gas in Bläschenform in den zu rezirkulierenden Abwasserstrom der Rückführleitung eingetragen und teilweise im Abwasser gelöst werden. Aus dem Düsensystem strömt daher ein Zwei-Phasen-Medium (Gas/Abwasser) aus. Die Austriftsgeschwindigkeit ist dabei so hoch, daß die Trägermaterialschüttung oberhalb und im Bereich der Austrittsebene des Düsensystems ein Wirbelbett bildet, während unterhalb des Düsensystems die Trägermaterialschüttung als Festbett unbewegt bleibt. Der Querschnitt des Behälters ist in Abhängigkeit von der Förderleistung der Rückführleitung derart ausgelegt, daß die Durchströmung des Festbetts mit einer mittleren Geschwindigkeit von 10 bis 100 m/h erfolgt. Als Trägermaterial werden Aktivkohle, Hydroanthrazit, Blähton oder Bims eingesetzt.

Während des Betriebs des Bioreaktors bildet sich auf den Teilchen des Trägermaterials ein Biofilm aus Mikroorganismen, die den Abbau der im Abwasser enthaltenen Schadstoffe unter Verwertung des eingetragenen gelösten Sauerstoffs besorgen. Im Vergleich zu einem Betrieb ohne Trägermaterial kann sich eine erheblich größere Menge an aktivem Biomaterial bilden (sessile Mikroorganismen). Grundsätzlich ist es auch möglich, einen solchen Reaktor z. B. in Intervallen unter anaeroben Bedingungen zu betreiben, um etwa eine Denitrifikation zu bewirken.

Der als Festbett ausgebildete Teil der Trägermaterialschüttung und die darunterliegende Stützschicht aus Kies wirken als Filterschicht und halten den feinteiligen Abrieb des Trägermaterials und des Biomaterials wirksam zurück, so daß das aus dem Reaktor abgeführte behandelte Abwasser klar ist. Dieser bekannte Reaktor hat sich im Betrieb als außerordentlich wirksam für einen hohen Sauerstoffeintrag bei der Endreinigung von Abwasser erwiesen.

Bei der Reinigung von Abwässern, in denen in der Endstufe noch sehr schwer abbaubare organische Abwasserinhaltsstoffe zu beseitigen sind, kann der Betrieb des bekannten Reaktors gelegentlich zu Problemen führen. Dies kann insbesondere bei der Reinigung von bestimmten hochproblematischen Färbereiabwässern der Fall sein, wenn das gereinigte Abwasser direkt in ein Oberflächengewässer eingeleitet werden soll und daher einen vorgeschriebenen Schadstoffhöchstgehalt nicht überschreiten darf (z. B. max. 15 mg BSB₅). Ganz besonders bei Verwendung von silikatischem Trägermaterial kann es dann zu erheblichem Abrieb an Biomasse und Trägermaterial kommen wegen der zur Sicherstellung eines ausreichenden Reinigungsgrades erforderlichen hohen Umwälzleistung. Dies führt zu einer Verstärkung der Verschlammung der filtrierenden Festbettschicht und läßt den Strömungswiderstand entsprechend ansteigen. Dabei kann es leicht zu ungleichmäßigen Verteilungen des Gas- und Abwassergemisches im Festbett kommen. Diese Erscheinung wird auch als Kanalbildung bezeichnet, da sich Zonen bilden, die zu schnell durchströmt werden, was einen zu geringen Schadstoffabbau bedeutet, während in anderen Zonen, die völlig verstopft sind, lokale unkontrollierte anaerobe Prozesse ablaufen. Um diese unerwünschte Entwicklung in Grenzen zu halten, sind dann in kurzen Zeitintervallen Rückspülvorgänge nötig, in denen das Abriebmaterial mitsamt den suspendierten Bioflocken weitgehend aus dem Reaktor ausgetragen wird, bevor der ordnungsgemäße Reinigungsbetrieb wieder anlaufen kann. Bei der Rückspülung wird das Festbett umgekehrt durchströmt und aufgelockert, indem in den Raum unterhalb des Düsenbodens Druckluft und Druckspülwasser eingeleitet wird. Die ausgespülten Feststoffe werden mit dem Spülwasser über gesonderte Ableitungen abgezogen und können in die vorgelagerten Stufen der Abwasserreinigung zurückgeführt werden. Da während der Rückspülung der Reaktor keine Reinigungsleistung zur Verfügung stellt, sind diese Phasen des Betriebs selbstverständlich unerwünscht und sollten möglichst selten notwendig sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Bioreaktor dahingehend zu verbessern, daß er auch bei besonders schwer abbaubaren organischen Abwasserinhaltsstoffen eine hohe Reinigungsleistung zeigt und die Zeitintervalle zwischen den erforderlichen Rückspülvorgängen deutlich verlängert werden. Dieser Reaktor soll außerdem mit möglichst geringem Energieaufwand für die Flüssigkeitsförderung betreibbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 25.

Der erfindungsgemäße Reaktor hält an dem bewährten Abstromprinzip bei der Durchströmung des Reaktorbehälters fest, da es eine sehr gute Filtrierung des Abwassers ermöglicht und einen Trägermaterialaustrag beim Reinigungsbetrieb vermeidet. Im Unterschied zur gattungsbildenden DE 43 31 434 C1 entfällt die Rezyklierung eines Teilstroms des aus dem Reaktor abgeführten behandelten Abwassers. Das für den Schadstoffabbau benötigte O₂-haltige Gas kann daher nicht in die bisher vorhandene Rückführleitung gegeben werden, sondern wird über ein System von Gasdüsen (Luftverteiler), das innerhalb der unteren Hälfte der Trägermaterialschüttung angeordnet und an eine Druckluftzuleitung angeschlossen ist, eingetragen. Weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist der Einsatz eines andersartigen körnigen Trägermaterials für die Ansiedlung von Mikroorganismen (Biofilm). Es wird nämlich ein abriebfester Kunststoff verwendet, der mit einem spezifischen Gewicht im Bereich 1,1 bis 2,0 g/cm³, vorzugsweise 1,4 bis 1,5 g/cm³, schwerer als Wasser ist, aber durch vergleichsweise geringe Auftriebskräfte (Gasbläschen) in Bewegung gehalten werden kann. Die Korngröße des Trägermaterials sollte unter 10 mm, vorzugsweise unter 5 mm liegen. Die Oberfläche der Trägermaterialkörnchen ist rauh, so daß sich gute Ansiedlungsmöglichkeiten für die Mikroorganismen ergeben. Bevorzugter Kunststoff für das Trägermaterial ist PVC, insbesondere Hart-PVC, und zwar möglichst ohne Weichmacher. Die Beständigkeit des Kunststoffs erhöhende Stabilisatoren können dem Material zweckmäßig zugesetzt sein. Ganz besonders empfiehlt sich die Zugabe von feinteiligen Füllstoffen, insbesondere Kreide, in den Kunststoff, da dann eine rauhe und poröse Oberfläche, die für die Bildung und Beständigkeit des Biofilms wichtig ist, gefördert wird. Die Füllstoffieilchen im Oberflächenbereich des Trägermaterials lassen sich nämlich durch Auswaschung im Betrieb unter Bildung entsprechender Hohlräume vielfach aus dem Kunststoffverbund austragen. Bewährt hat sich der Zusatz von 2 bis 10 Gew.-%, insbesondere etwa 5 Gew.-%, an Kreide. Die Schüttdichte des Trägermaterials liegt zweckmäßig im Bereich von 500 bis 1000 kg/m³, vorzugsweise bei 750 bis 850 kg/m³.

Obwohl die Durchströmung des erfindungsgemäßen Reaktors von oben nach unten erfolgt, wird durch den direkten Eintrag von O₂-haltigem Gas in die Trägermaterialschüttung infolge der Auftriebwirkung durch die aufsteigenden Gasblasen eine gewisse Bewegung der Trägermaterialteilchen oberhalb des Luftverteilers bewirkt. Diese sollte so stark eingestellt werden, daß sich oberhalb des Luftverteilers ein Schwebebett ausbildet. Die einzelnen Teilchen sollten sich möglichst nicht so stark bewegen, daß sie wie in einem Wirbelbett herumgewirbelt werden, sondern sollten ihre Ortsposition in etwa beibehalten, d. h. um eine mittlere Ortsposition herum pendeln, so daß ein aufgelockertes Trägermaterialbett entsteht. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines für die Ansiedlung von Mikroorganismen besonders freundlichen Trägermaterials wird die Ausbildung eines sehr starken und daher für den Schadstoffabbau außerordentlich effektiven Biofilms gewährleistet. Dies wiederum erlaubt es, den Reaktor für den erforderlichen Schadstoffabbau lediglich in einem einzigen Durchgang, also ohne Rezyklierung, zu durchströmen. Dadurch kann die mittlere Strömungsgeschwindigkeit vergleichsweise niedriggehalten werden. Das wiederum hält den Abrieb an Biofilm und Trägermaterial in engen Grenzen. Letzterer ist aufgrund der Abriebfestigkeit des Trägermaterials ohnehin praktisch nicht vorhanden.

Somit ergibt sich der große Vorteil, daß im Reaktor stets ein außerordentlich hoher Gehalt an aktiver Biomasse verfügbar bleibt, so daß auch eine entsprechend gesteigerte Abbauleistung ermöglicht wird. Außerdem verlängert sich wegen des stark verminderten Anfalls an filtrierbaren Feststoffabrieb die Betriebsdauer zwischen zwei Rückspülvorgängen zur Regenerierung des Reaktors ganz beträchtlich. Auch die Lebensdauer der Trägermaterialschüttung ist um ein Vielfaches höher als bei herkömmlichen Materialien, so daß die Betriebskosten entsprechend reduziert werden. Außerdem wirkt sich der Verzicht auf eine Rezyklierung eines Teilstroms des behandelten Abwassers nicht nur wegen des Entfallens einer entsprechenden Umwälzpumpe, sondern auch wegen des Entfallens der zu deren Betrieb erforderlichen Antriebsenergie deutlich kostensenkend aus.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Reaktors, während

Fig. 2 ausschnittsweise in einem Teilschnitt eine mögliche Ausführung einer Vorrichtung zur Absenkung des Wasserstandes im Reaktor zeigt.

Der in Fig. 1 dargestellte Reaktor weist einen Behälter 1 auf, der vorzugsweise geschlossen ausgeführt ist, um die Schaumbildung bei problematischen Abwässern dämpfen zu können. Ein offener Behälter 1 ist grundsätzlich ebenfalls im Rahmen der Erfindung verwendbar. In der Nähe seines oberen Endes weist der Behälter 1 eine Abwasserzuleitung 14 zur Einleitung von zu behandelndem Abwasser auf. An diese Abwasserzuleitung 14 ist ein Spülwasserablauf 16 angeschlossen, der durch ein Ventil 15 verschließbar ist. Weiterhin ist im oberen Teil eine Oberlaufleitung 17 an den Behälter 1 angeschlossen. Sie dient als zweiter Spülwasserablauf ggf. zur Absicherung eines Störungsfalls, bei dem der Wasserstand im Behälter 1 unkontrolliert ansteigen würde. Am Boden des Behälters 1 befindet sich eine Ablaufleitung 26 für behandeltes Abwasser, das aus einer Abflußkammer 3 des Behälters 1 abgeleitet wird. Die Abflußkammer 3 wird durch einen vorzugsweise mit Grobfilterdüsen 4a bestückten Lochboden (Düsenboden 4) von einem darüber im Inneren des Behälters 1 befindlichen Reaktionsraum 30 abgetrennt. Auf dem Düsenboden 4 liegt eine flüssigkeitsdurchlässige Stützschicht 2, die vorzugsweise aus mindestens zwei Teilschichten 2a, 2b eines Materials von jeweils unterschiedlicher Körnung besteht. Dabei wird die Körnung von unten nach oben feiner. Die unterste Teilschicht muß eine Körnung aufweisen, die größer ist als die Löcher des Düsenbodens 4, damit keine Teilchen der Stützschicht 2 in die Abflußkammer 3 gelangen können. Als Material für die Stützschicht 2 eignet sich besonders Kies. Auf die Stützschicht 2 ist eine Schüttung eines körnigen Trägermaterials aufgebracht, die den Reaktionsraum 30 nur zu einem Teil ausfüllt. Die Höhe dieser Schüttung liegt zweckmäßig im Bereich von 1,5 bis 3 m.

Mindestens auf einer Höhe von 500 mm oberhalb der Stützschicht 2 sollte eine Einrichtung (Luftverteiler 5) zur direkten Zuführung eines O₂-haltigen Gases (vorzugsweise Druckluft) in den Reaktionsraum 30 vorgesehen sein, und zwar innerhalb der unteren Hälfte der Schüttung des Trägermaterials. Der Luftverteiler 5 ist über eine mittels Ventil 23 absperrbare Prozeßluftzuleitung 21 an eine Druckluftzuleitung 20 angeschlossen. Der Luftverteiler 5 ist zweckmäßig mit Feinbelüftungsdüsen bestückt, um möglichst feine Gasbläschen im Abwasser erzeugen zu können, damit der Sauerstoff möglichst effektiv gelöst werden kann. Vorteilhaft ist besonders die Verwendung von Kreuzverteilern zur grobflächigen, über den gesamten Reaktorquerschnitt verteilten Einleitung von Luft. Die Kreuzverteiler sollten dabei mit zahlreichen Membranrohrbelüftern bestückt sein, die sehr feine Schlitzöffnungen besitzen und aufgrund der Elastizität des Materials die Verstopfungsgefahr minimieren sowie das Eindringen des Abwassers ins Innere des Luftverteilers 5 verhindern.

Die Druckluftzuleitung 20 ist durch eine ebenfalls mittels eines Ventils 24 absperrbare Spülluftleitung 22 auch mit der Abflußkammer 3 verbindbar. Oberhalb der Schüttung des Trägermaterials ist im Behälter 1 eine Absenkvorrichtung 13 angeordnet, mit der der Wasserstand im Reaktionsraum 30 bei Bedarf abgesenkt werden kann. Die Absenkvorrichtung 13, die weiter unten anhand der Fig. 2 noch näher erläutert wird, weist eine durch ein Ventil 18 absperrbare Ableitung 19 auf. Die bereits erwähnte Ablaufleitung 26 ist über ein Absperrventil 28 an einen Überlaufsiphon 9 angeschlossen, dessen Aufgabe die Einstellung der Füllstandshöhe im Behälter 1 ist. Hierzu ist der Überlaufsiphon 9 zweckmäßig durch eine in seinem Schaltbereich angeschlossene Entlüftungsleitung 10 mit dem Behälterinneren verbunden. Die Entlüftungsleitung 10 endet mit einem Schwimmerventil 11 im Bereich des für den Reinigungsbetrieb vorgegebenen maximal zulässigen Füllstandes, schließt also, wenn der Füllstand darüber hinauszugehen versucht. Außerdem ist geringfügig über diesem maximalen Füllstand ein Niveauschalter 12 vorgesehen, mit dem im Bedarfsfall die Zuleitung von unbehandeltem Abwasser unterbunden werden kann, indem z. B. das Ventil 15 geöffnet wird, so daß das frische Abwasser vor Eintrift in den Behälter 1 über den Spülwasserablauf 16 abgeführt wird. Die Ablaufleitung 26 ist mit einer durch ein Ventil 27 absperrbaren Spülwasserleitung 25 für den noch zu erläuternden Rückspülvorgang verbunden.

Die bereits erwähnte Absenkvorrichtung 13 in Fig. 2 soll zur Vorbereitung des Rückspülvorgangs eine rasche Absenkung des Füllstands auf das mit "min." gekennzeichnete Niveau (Höhe h1) ermöglichen, ohne daß dabei Partikel der Trägermaterialschüttung ausgetragen, d. h. mit dem durch die Ableitung 19 ausströmenden Abwasser fortgerissen werden. Entsprechende Siebeinrichtungen zur Feststoffabtrennung sind wegen der hohen Verstopfungsgefahr und des erforderlichen Reinigungsaufwandes an sich nicht erwünscht. Daher ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Ableitung 19 in einem vertikal verlaufenden Abschnitt in den Behälter 1 mündet und in ihrem Einlaufbereich eine trichterförmige Erweiterung (Abzugglocke 29) aufweist. Dadurch wird der Durchmesser D des Eintrittsquerschnitts der Absenkvorrichtung 13 um ein Vielfaches größer als der Durchmesser d der Ableitung 19. Das wiederum führt zu einer gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit in der Ableitung 19 drastisch verminderten Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Eintriftsquerschnitts während der Absenkung des Wasserspiegels und somit zu einer Minimierung der Sogwirkung des ablaufenden Abwassers. Oberhalb der Abzugglocke 29 ist in der Ableitung 19 eine Rückschlagklappe 31 (vorzugsweise aus PVC) angeordnet, die während des normalen Reinigungsbetriebs aufgrund des Füllstandes geschlossen bleibt. Allerdings ist die Abzugglocke 29 dabei in ihrem oberen Bereich mit einem Luftpolster gefüllt, das sich infolge der Einbringung des O₂-haltigen Gases dort ansammelt. Hierzu ist das Volumen der Abzugglocke und der Rohrleitung 19 bis zum Ventil 18 so ausgelegt worden, daß unter Berücksichtigung des Drucks durch die maximale Füllstandshöhe (Höhe h1 + h2) stets ein solches Druckluftpolster gewährleistet ist. Dies verhindert, daß das Abwasser bis direkt an die Rückschlagklappe gelangen kann, so daß sich keine Trägermaterialteilchen, die z. B. durch Schaumbildung hochgedrückt werden könnten, im horizontalen Teil der Ableitung 19 ansammeln können, die bei einem Absenkvorgang sonst ausgetragen würden. Die Rückschlagklappe ist auch zweckmäßig, weil im Falle einer Leckage an dem Ventil 18 beim Füllen der Abzugglocke 29 die Trägermaterialteilchen sicher zurückgehalten werden.

Der Betrieb des erfindungsgemäßen Reaktors läuft wie folgt ab:
Im normalen Reinigungsbetrieb sind die Ventile 15,18, 24, 27 geschlossen, während das Ventil 28 geöffnet ist. Dadurch ist ein Zulauf von frischem Abwasser oben in den Behälter 1 und der Ablauf von gereinigtem Abwasser unten aus der Abflußkammer 3 möglich. Durch den Überlaufsiphon 9 bleibt der Wasserstand mindestens auf der minimalen Höhe h1, da bei einem Unterschreiten dieses Füllstandes kein gereinigtes Abwasser die Scheitelhöhe des belüfteten Überlaufsiphons 9 erreichen könnte, also auch kein Abfluß möglich wäre. Im Normalfall läuft genau so viel Wasser ab, wie zuläuft. Währenddessen wird durch den Luftverteiler 5 in feinen Bläschen ein O₂-haltiges Gas, vorzugsweise Druckluft, eingeblasen. Da der Wasserdruck im Behälter 1 verfahrensbedingt sehr klein gehalten werden kann (unter 1 bar), kann auch die Bereitstellung der Druckluft auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau und damit sehr kostengünstig erfolgen. Der Luftverteiler 5 und die Druckluftführung sind zweckmäßig so ausgelegt, daß sich während des normalen Reinigungsbetriebs über dem Luftverteiler 5 in der Trägermaterialschüttung durch die Auftriebswirkung der Luftbläschen ein Schwebebett 6 ausbildet, das in Fig. 1 schraffiert dargestellt ist. Der untere Teil der Trägermaterialschüttung stellt ein Festbett 7 dar, dessen Teilchen unbewegt bleiben und das in Fig. 1 mit einer anderen Schraffur versehen wurde. Die Dicke des Festbettes 7 sollte mindestens 500 mm betragen, da hierdurch der Grad der Filtrierung von Feststoffen auf ein ausreichendes Maß angehoben wird. Die Höhe des Schwebebetts 6 sollte etwa 2- bis 5-mal größer sein. Die minimale Füllstandshöhe mit Abwasser sollte etwa 500 mm über der Oberseite des Schwebebetts 6 liegen. Der mit Abwasser ausgefüllte Belebungsraum über dem Schwebebett 6 ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 8 versehen worden. Oberhalb des maximalen Füllstandes für den Reinigungsbetrieb befindet sich ein Gasraum, der ggf. auch mit Schaum gefüllt sein kann.

Das fortwährend mit Sauerstoff angereicherte Abwasser durchströmt den Reaktionsraum 30 langsam von oben nach unten, wobei durch die Aktivität der insbesondere im Schwebebett 6 anwesenden Mikroorganismen ein weitestgehender Abbau der organischen Belastung stattfindet. Dieser Abbau setzt sich aber auch in dem als Filterschicht wirkenden Festbett 7 fort, da feine Luftbläschen mit der Abströmung nach unten mitgenommen werden, so daß der Sauerstoff in Lösung gehen und für den Abbau wirksam werden kann. Die Abwasserdurchsatzgeschwindigkeit (errechnet als Quotient aus Durchflußrate und Reaktorquerschnittsfläche) sollte dabei 8 m/h nicht überschreiten. Die in entsprechender Weise berechnete Prozeßluftdurchsatzgeschwindigkeit sollte je nach Sauerstoffbedarf für den Abbau der vorliegenden Schadstoffbelastung im Bereich von etwa 5 bis 30 m/h liegen. Unter diesen Bedingungen ist die Ausbildung eines für den Schadstoffabbau sehr effektiven Schwebebetts 6 gewährleistet.

Mit zunehmender Betriebszeit ergibt sich unvermeidbar eine Anreicherung der im Festbett 7 und in der Stützschicht 2 ausfiltrierten Feststoffe (insbesondere ausgeschwemmte Biofilmmasse). Dadurch steigt der Strömungswiderstand im Behälter 1 an. Das bedeutet, daß bei gleichem Durchfluß von frischem Abwasser ein höherer Druck im Behälter erforderlich ist, um die gleiche Menge je Zeiteinheit im Abfluß durch die Ablaufleitung 26 beibehalten zu können. Solange der mit zunehmendem Strömungswiderstand erforderliche höhere Druck (statischer Druck durch Höhendifferenz zwischen Füllstand im Behälter 1 und Höhe des Scheitels des Ablaufsiphons 9) noch nicht verfügbar ist, vermindert sich die Abflußmenge entsprechend, so daß der Füllstand im Behälter 1 ansteigt, bis eine ausreichende Druckerhöhung vorliegt. Wenn der Füllstand die maximal zulässige Höhe erreicht hat, wird die Entlüftungsleitung 10 selbsttätig durch das Schwimmerventil 11 geschlossen. Dadurch kann sich im Siphon 9 eine zusammenhängende Flüssigkeitssäule bilden, so daß sofort eine höhere Druckdifferenz (entsprechend der Füllstandshöhe und dem tiefsten Punkt der Flüssigkeitssäule im Leitungsstrang 26, 9 des Ablaufs) einstellt, die wieder zu einer kurzfristigen Füllstandsabsenkung führt (Hebewirkung). Dadurch öffnet sich aber wieder das Schwimmerventil 11 der Entlüftungsleitung 10, so daß die Druckdifferenz bald wieder absinkt. Diese Vorgänge wiederholen sich, so daß der Füllstand in dieser Phase des Reinigungsbetriebs stets um den maximal zulässigen Wert pendelt. Irgendwann wird jedoch der Punkt erreicht werden, wo auch bei geschlossener Entlüftungsleitung 10 die abfließende Menge an gereinigtem Abwasser kleiner ist als die frisch zulaufende Abwassermenge. In diesem Fall wird eine Rückspülung des Reaktors unumgänglich. Diese wird durch einen Niveauschalter 12 ausgelöst, der etwas oberhalb des vorgesehenen maximalen Füllstands angeordnet ist. Er bewirkt, daß das zulaufende Abwasser, wie bereits erwähnt, über das geöffnete Ventil 15 in den Spülwasserablauf 16 umgeleitet wird.

Selbstverständlich wäre es im Rahmen der Erfindung auch möglich, den Füllstand im Behälter 1 auf anderem Wege zu regulieren. Beispielsweise könnte dies durch eine entsprechende Steuerelektronik geschehen, die auf Mengenregelventile im Ablauf und/oder Zulauf des Abwassers wirkt. Die vorliegende Form der Regulierung mittels Überlaufsiphon 9 hat nicht nur den Vorteil einer einfachen, robusten, preiswerten und betriebssicheren Bauweise, sondern bewirkt auch durch die Möglichkeit einer schlagartigen Druckerhöhung im Reaktor bei Erreichen des maximalen Füllstandes eine erhebliche Verlängerung des Betriebszyklusses zwischen zwei Rückspülvorgängen.

Die Rückspülung selbst erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß bei geöffnetem Ventil 15 und geschlossenen Ventilen 23, 24 nach Verstreichen einer Ruhepause, in der sich das Schwebebett 6 absetzt und die noch vorhandenen Luftbläschen entweichen können, zunächst der Füllstand im Behälter 1 bis auf den vorgesehenen minimalen Stand abgesenkt wird. Dies könnte auch allein durch den Ablauf durch die Ablaufleitung 26 bewirkt werden, würde aber relativ lange dauern, also die Stillstandszeit drastisch erhöhen. Daher erfolgt die Absenkung vorzugsweise mittels der speziellen Absenkvorrichtung 13, indem das Ventil 18 (z. B. pneumatische Absperrklappe) in der Ableitung 19 geöffnet wird. Zur besseren Regulierung der Ausströmgeschwindigkeit empfiehlt sich der Einbau einer Staublende oder Feinregulierklappe (nicht dargestellt) hinter dem Ventil 18. Nach Erreichen des vorgesehenen minimalen Füllstandes erfolgt der Rückspülvorgang, indem der Reaktor in umgekehrter Richtung durchströmt wird. Hierzu wird zweckmäßig zunächst Druckluft über das geöffnete Ventil 24 und die Leitung 22 in die Abflußkammer 3 eingeblasen, während das Ventil 28 zum Ablaufsiphon 9 geschlossen ist. Die Druckluft entweicht in Blasenform über die Löcher des Düsenbodens 4 nach oben und bewirkt eine Auflockerung der Stützschicht 2 und der Trägermaterialschüttung. Anschließend wird nach Öffnung des Ventils 27 durch die Leitungen 25, 26 Spülwasser unter Druck in die Abflußkammer 3 eingeführt und strömt mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit ebenfalls durch die Teilchenschüttungen der Stützschicht und des Trägermaterials. Das Ventil 28 ist während dieser Rückspülung weiterhin geschlossen. Der schnell aufströmende Spülwasserstrom spült die ausfiltrierten Feststoffteilchen aus der Stützschicht 2 und dem Festbett 7 aus, befördert sie auch durch die Zone des Schwebebetts 6 und bringt sie in den Belebungsraum 8. Dort steigt der Füllstand entsprechend an. Um die ausgespülten Feststoffteilchen aus dem Reaktor zu entfernen, kann das Spülwasser im vorliegenden Beispiel der Fig. 1 wahlweise (einzeln oder gemeinsam) über die Ableitung 19 der Absenkvorrichtung 13, über die Überlaufleitung 17 oder über die Zuleitung 14 und den Spülwasserablauf 16 (kleiner weißer Pfeil in Fig. 1) ausgetragen und in vorgelagerte, nicht dargestellte, Abwasserreinigungsstufen zurückgeführt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, einen Rückspülvorgang zur Regenerierung des Reaktors von Hand auszulösen. Als Spülwasser wird zweckmäßig auf bereits gereinigtes Abwasser zurückgegriffen, das in einem entsprechenden Becken vor der endgültigen Ableitung zwischengespeichert werden kann.

Dem im Rahmen der Erfindung verwendeten Material des Trägermittels für die Ansiedlung der Mikroorganismen kommt eine entscheidende Bedeutung zu. Hier hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, ein Granulat aus abriebfestem Hart-PVC ohne Weichmacher vorzusehen. Eine bevorzugte Materialzusammensetzung besteht aus ca. 91 Gew.-% Roh-PVC-Pulver, ca. 4 Gew.-% Stabilisierungsmittel und ca. 5 Gew.-% Kreide als Füllstoff. Das spezifische Gewicht beträgt etwa 1,44 g/cm³. Das bevorzugte Granulat weist eine Schüttdichte von etwa 800 kg/m³ auf und besitzt jeweils eine Teilchenform von kleinen, im wesentlichen zylindrischen Scheiben mit einem Durchmesser von etwa 3 mm und einer Höhe von etwa 1,5 bis 2 mm. Wie allgemein bekannt, weisen kugelförmige Teilchen des Trägermaterials die kleinste Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen auf. Besonders günstig im Hinblick auf den Erhalt des Biofilms auf der Oberfläche des Trägermaterials ist eine Scheibenform, bei der die eine Flachseite konvex und die andere konkav gewölbt ist. Die Oberfläche selbst ist rauh, so daß sich eine spezifische Oberfläche von ca. 1000 m²/m³ ergibt. Die Rauhigkeit der Oberfläche wird zusätzlich durch die Füllstoffzugabe verbessert. Die Herstellung des Granulats sollte im Unterschied zur üblichen Granulatherstellung für die Kunststoffverarbeitung in der Weise erfolgen, daß das Zerschneiden des plastifizierten extrudierten Rohmaterials bei möglichst hoher Temperatur erfolgt und dann eine sofortige Abkühlung mit Luft vorgenommen wird, bevor das Granulat zur weiteren Abkühlung in ein Wasserbad gelangt.

Der erfindungsgemäße Reaktor hat sich insbesondere für die Endreinigung von Abwässern mit schwer abbaubaren organischen Belastungen als außerordentlich wirksam erwiesen. Er ermöglicht wesentlich längere Phasen des Reinigungsbetriebs bei Verbesserung des Abbaugrades der Schadstoffe infolge eines verstärkten Wachstums und einer wirksamen Zurückhaltung des aktiven Biofilms auf dem Trägermaterial. Der Zulauf in den Reaktor kann im freien Gefälle, also drucklos erfolgen. Während des Reinigungsbetriebs wird keine Rezyklierung von Abwasser vorgenommen. Der erforderliche Druck für die Einspeisung des benötigten Sauerstoffs ist vergleichsweise gering, so daß der Energieaufwand beim Betrieb sehr niedrig liegt.

Claims (25)

1. Bioreaktor zum Schadstoffabbau und zur Abwasserfiltrierung, insbesondere für die aerobe Abwasserbehandlung, mit einem aufrechtstehenden Behälter (1), in dessen oberem Bereich eine Abwasserzuleitung (14) mündet und an dessen unterem Ende eine Ablaufleitung (26) für gereinigtes Abwasser angeschlossen ist,
mit einem im Abstand vom unteren Ende angeordneten Lochboden (Düsenboden 4), der das Innere des Behälters (1) in einen Reaktionsraum (30) und eine unter diesem angeordnete Abflußkammer (3) unterteilt,
ferner mit einer Druckluftzuleitung (20) für die Einleitung eines O₂-haltigen Gases in den Reaktionsraum (30)
und mit einer auf dem Lochboden (Düsenboden 4) angeordneten körnigen Stützschicht (2) sowie einer darüber befindlichen, den Reaktionsraum (30) im Ruhezustand nur zu einem Teil auffüllenden Schüttung aus einem körnigen Trägermaterial für den Bewuchs mit Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb der unteren Hälfte der Trägermaterialschüttung ein Luftverteiler (5) angeordnet ist, der an die Druckluftzuleitung (20) angeschlossen ist, und daß die Trägermaterialschüttung aus abriebfesten Kunststoffteilchen mit rauher Oberfläche, einer Korngröße unter 10 mm und einem spezifischen Gewicht im Bereich 1,1 bis 2 g/cm³ gebildet ist.

2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spezifische Gewicht der Kunststoffteilchen im Bereich 1,4 bis 1,5 g/cm³ liegt.

3. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffteilchen im wesentlichen aus PVC, insbesondere aus Hart-PVC, bestehen.

4. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffteilchen feinteilige Füllstoffe enthalten.

5. Bioreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff 2 bis 10 Gew.-% Kreide, insbesondere etwa 5 Gew.-% Kreide, dem Kunststoff zugesetzt sind.

6. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff frei von Weichmachern ist.

7. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttdichte der Trägermaterialschüttung im Bereich 500 bis 1000 kg/m³, insbesondere im Bereich 750 bis 800 kg/m³ liegt.

8. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Kunststoffteilchen unter 5 mm und über 2 mm liegt.

9. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffteilchen im wesentlichen in Form kleiner Scheiben, insbesondere als Scheiben mit zylindrischer Mantelfläche ausgebildet sind.

10. Bioreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibendicke etwa im Bereich von 1,0 bis 2,5 mm und der Scheibendurchmesser etwa im Bereich von 2,5 bis 4 mm liegt.

11. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flachseiten der scheibenförmigen Trägermaterialteilchen gewölbt sind, wobei die eine nach außen und die andere nach innen gewölbt ist.

12. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Trägermaterialschüttung im Bereich 1,5 bis 3 m liegt.

13. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftverteiler (5) mindestens 500 mm über der Stützschicht (2) angeordnet ist.

14. Bioreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftverteiler (5) mit Feinbelüftungsdüsen bestückt ist.

15. Bioreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftverteiler (5) aus Kreuzverteilern gebildet ist, die mit zahlreichen Membranrohrbelüftern bestückt sind.

16. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftverteiler (5) und die Druckluftzuführung so ausgelegt sind, daß sich im Reinigungsbetrieb über dem Luftverteiler (5) in der Trägermaterialschüttung ein Schwebebett (6) ausbildet.

17. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht (2) aus mindestens zwei übereinanderliegenden Teilschichten (2a, 2b) besteht, wobei die Teilchengröße einer höher liegenden Teilschicht (2a) jeweils kleiner ist als die der darunterliegenden Teilschichten (2b) und die Korngröße der untersten Teilschicht (2b) größer ist als die Lochgröße im Lochboden (Düsenboden 4).

18. Bioreaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschichten (2a, 2b) der Stützschicht (2) aus Kiesschüttungen bestehen.

19. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher des Lochbodens mit Grobfilterdüsen (4a) bestückt sind.

20. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflußkammer (3) durch eine Spülluftzuleitung (22) mit der Druckluftzuleitung (20) verbindbar ist.

21. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Abwasserfüllstandes im Reaktionsraum (30) die Ablaufleitung (26) mit einem Überlaufsiphon (9) verbunden ist, welcher seinerseits durch eine Entlüftungsleitung (10) belüftbar ist, die in den oberen Teil des Reaktionsraums (30) führt und dort durch ein Schwimmerventil bei Erreichen eines vorgegebenen maximalen Wasserstandes selbsttätig verschließbar ist.

22. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesonderte Absenkvorrichtung (13) zur Absenkung des Wasserstandes im Reaktionsraum (30) auf einen minimalen Stand vorgesehen ist.

23. Bioreaktor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkvorrichtung (13) in Form einer durch ein Ventil (18) verschließbaren Ableitung (19) ausgebildet ist, deren Einlaufseite in den Reaktionsraum (30) hineinragt und nach unten weist, wobei der Einlauf zur Erzielung einer im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit in der Abzugsleitung (19) deutlich niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit im Eintrittsquerschnitt eine trichterförmige Erweiterung (Abzugsglocke 29) aufweist.

24. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) geschlossen ausgeführt ist.

25. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufleitung (26) mit einer Spülwasserzuleitung (25) verbindbar ist.