DE19734759C1 - Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Abwasserreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung, wobei in einem Bioreaktor Reinwasser von der Biomasse mittels mehrerer Membranmodule abgetrennt wird, wobei das Wasser von dem Bioreaktor durch die Membran in einen Innenraum permeiert und aus diesem abgezogen wird und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Konventionelle aerobe Kläranlagen arbeiten, begrenzt durch die Leistungsfähigkeit des Nachklärbeckens, mit Biomassekonzentrationen von ca. 3-5 g TS/l. Der Grund für diese niedrige Biomassekonzentration ist das ständige Ausschwemmen der Mikroorganismen. Dadurch wird ein Großteil des im Abwasser als Verunreinigung enthaltenen Kohlenstoffs und damit auch des eingetragenen Sauerstoffs in Schlamm umgewandelt, der letztlich entsorgt werden muß.

Ein weiterer Nachteil der heutigen Technologie besteht in der schlechten Nutzung des in der Belebungsstufe eingetragenen Sauerstoffs, was erhebliche Energieverluste bedeutet. Als Belebungsstufe wird der Teil der Kläranlage verstanden, in dem die mit Sauerstoff (bzw. Luft) versorgten Mikroorganismen (die sog. Biomasse) die Schmutzstoffe, insbesondere Kohlenstoff, verwerten und damit abbauen.

Diese beiden Nachteile führen dazu, daß man über Alternativen zur konventionellen aeroben Abwasserreinigung nachgedacht hat.

So wird in der EP-A-0 510 328 vorgeschlagen, die Biomasse am Verlassen der Belebungsstufe dadurch zu hindern, daß man dort poröse Membranen (Porendurchmesser 0,2-0,4 µm) einbringt, durch die das biologisch gereinigte Wasser permeieren kann, während die Mikroorganismen zurückgehalten werden. Dadurch können in der Belebungsstufe Biomassekonzentrationen bis 15 g TS/l erzielt werden.

Diese hohe biologische Beladung des zu reinigenden Wassers hat allerdings zur Folge, daß sich Proteine und Mikroorganismen auf der Membranoberfläche niederschlagen bzw. aufwachsen. Dieses unter dem Begriff "Biofouling" in der Literatur beschriebene Phänomen ist gefürchtet, weil dadurch die Poren der Membran verstopft und damit der Permeatfluß des gereinigten Wassers durch die Membran drastisch reduziert wird.

In der EP-A-0 510 328 wird daher vorgeschlagen, die porösen Membranen als Flachmembranen senkrecht in der Belebungsstufe mit einem gewissen Abstand zueinander anzuordnen und sie von unten mit Luft anzuströmen. Dadurch sollen die Mikroorganismen am Aufwachsen auf der Membranoberfläche gehindert werden.

Da dies offensichtlich nicht zufriedenstellend gelingt, wird vorgeschlagen (1. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, 30.6.-1.7.1997, Beitrag B3 von Dipl.-Ing. H. Möslang, Zenon GmbH), statt Flachmembranen Hohlfasermembranen zu verwenden. Werden diese ebenfalls von unten mit Luft angeströmt, so bewegen sie sich im Luftstrom und schütteln praktisch die aufwachsende Biomasse ab. Außerdem wird vorgeschlagen, den Permeatstrom, der normalerweise die Hohlfaser von außen nach ihnen durchströmt, kurzfristig umzukehren, so daß das durch die Poren zurückströmende Wasser den Biofilm absprengt.

Bei diesen beiden beschriebenen Membranverfahren zur Abwasserreinigung mittels Biomasserückhaltung dient die eingeblasene Luft nicht nur zur Vermeidung des Biofoulings, sondern auch zur Versorgung der Mikroorganismen mit Sauerstoff bestimmend für die eingetragene Luftmenge ist die Vermeidung des Biofoulings, d. h. es wird ständig mit einem erheblichen Luftüberschuß gearbeitet. Dies bringt insbesondere drei Nachteile mit sich:

• - einen überhöhten Energieaufwand und
• - eine Aerosolbildung oberhalb der Belebungsstufe (Austragung von mit Keimen beladenen Wassertröpfchen)
• - zu große Luftblasen, so daß die Anreicherung des zu reinigenden Wassers im Verhältnis zu der eingebrachten Luftmenge gering ist.

Für die Aufbereitung von Oberflächenwasser zu Trinkwasser und für den Einsatz von geklärtem kommunalem Abwasser zur Kesselspeisewasseraufbereisung ist es bekannt, Kapillarmembranen aus Polypropylen zu verwenden, die von außen nach ihnen durchströmt werden und bei Bedarf von innen nach außen mit Druckluft rückzuspülen (1. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, 30.6.-1.7. 1997, Beitrag B1, Dipl.-Ing. Sigbert Hölbling, SEITZ-FILTER-WERKE GmbH).

Dies ist insofern nachteilig, als während des Rückspülens kein Reinwasser aus dem Bioreaktor abgezogen werden kann und während des Permeierens sich die Membranen das Biofouling stetig zunimmt, so daß die Menge an abgezogenem Reinwasser stetig abnimmt, bis während des Rückspülvorgangs kein Reinwasser mehr aus dem Bioreaktor abgezogen werden kann. Da während des Permeierens keine Luft austritt, eignet sich dieses Verfahren nicht für die Abwasserreinigung mit hohem Biomasseanteil, da sich hierbei eine Unterversorgung der Mikroorganismen mit Sauerstoff ergeben würde.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung gemäß dem Oberbegriff zu schaffen, bei dem die geschilderten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils mindestens bei einem Membranmodul die Membran entgegen der Permeatrichtung von einem Gas durchströmt wird, während bei den übrigen Membranmodulen das Reinwasser von dem Bioreaktor durch die Membran in den Innenraum permeiert und daß außerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnittes in jedem der Membranmodule einmal die Membran entgegen der Permeatrichtung von Luft durchströmt wird.

Es ist bei dieser Verfahrensweise nicht mehr erforderlich, das Permeationsverfahren zum Rückspülen zu unterbrechen. Hierdurch wird ein Verfahren geschaffen, bei dem kontinuierlich Reinwasser aus dem Bioreaktor abgezogen werden kann und gleichzeitig ein kontinuierliches Reinigen der Membran von Biofouling erfolgt. Hierdurch kann eine erhebliche Energieeinsparung erzielt werden und zudem wird durch die feinen, aus der Membran in das zu reinigende Wasser austretenden Luftbläschen auch bei geringeren Luftmengen eine gute Sauerstoffversorgung des Wassers sichergestellt.

Eine Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß das Gas Luft ist.

Dies gilt für die aerobe biologische Abwasserreinigung.

Eine andere Ausbildung sieht vor, daß das Gas Kohlendioxid ist.

Dies gilt für die anaerobe biologische Abwasserreinigung.

Vorteilhaft ist auch, daß das zu reinigende Wasser in dem Bioreaktor schlaufenförmig zirkuliert.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß ein Teil des Wassers durch eine Denitrifikationsstufe geführt wird.

Es ist zweckmäßig, daß die Druckdifferenz beidseits der Membranen mittels einer Flüssigkeitspumpe variiert wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bioreaktor, der einen Abwasserzulauf einen Reinwasserablauf aufweist, mehrere Membranmodule angeordnet sind, die jeweils an einen Gasverdichter und an eine Flüssigkeitsunterdruckpumpe angeschlossen sind und daß Mittel vorgesehen sind, um wechselweise die einzelnen Membranmodule mit Gas zu beaufschlagen oder über die Membranmodule Reinwasser aus dem Bioreaktor abzusaugen.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Bioreaktor aus einem Außen- und einem Innenbehälter besteht.

Es ist zweckmäßig, daß im unteren Teil des Innenbehälters eine Pumpe angeordnet ist.

Schließlich ist es vorteilhaft, daß der Bioreaktor in Form einer externen Schlaufe mit einem zweiten Behälter mit einer Denitritikationsstufe verbunden ist.

Im folgenden wird eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Bioreaktors,

Fig. 2 eine geschnittene Darstellung eines Membranmoduls,

Fig. 3 eine geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Schlaufenreaktors,

Fig. 3.1 eine geschnittene Darstellung eines Membranmoduls zu einem Schlaufenreaktor gemäß Fig. 3,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bioreaktors.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Bioreaktor dargestellt, der einen Abwasserzulauf 1 und einen Reinwasserablauf 6 aufweist. Das Reinwasser wird durch eine poröse Membran 3 aus der Belebungsstufe 4 entfernt und dabei die Biomasse durch die Membran 3 zurückgehaken. Eine größere Anzahl von Membranen 3 ist zu Membranmodulen 2b zusammengefaßt.

Es sind also mehrere, mindestens zwei Membranmodule 2a, 2b in dem Bioreaktor derart angeordnet, daß immer mindestens ein Membranmodul 2b entgegen der Permeatrichtung von einem Gas durchströmt wird, während die übrigen Membranmodule 2a das Reinwasser permeieren lassen. Das in den Innenraum der Membranmodule 2a permeierte Reinwasser wird dann über eine Pumpe in dem Reinwasserablauf 6 abgesaugt. Das Gas wird aus einem Gasverdichter 5 über Leitungen zu dem Membranmodul 2b geführt und tritt dort (Stelle 7) in Form von feinen Gasbläschen in das zu reinigende Wasser aus. Je nachdem, ob es sich um eine aerobe oder um eine anaerobe Abwasserreinigung handelt, wird als Gas Luft (bzw. Sauerstoff) oder Kohlendioxid zur Anwendung kommen. Kohlendioxid fällt bei einer anaeroben Abwasserreinigung ohnehin an, so daß es genügt, einen Teil des entstehenden Gases zu verdichten und zum Rückspülen der Membranen 3 zu verwenden. Um sicherzustellen, daß in den Membranmodulen 2b eine Rückspülung mit Gas stattfindet, während in den Membranmodulen 2a der Permeationsvorgang stattfindet, sind Mittel (nicht dargestellt) vorgesehen, die eine wechselseitige Beaufschlagung der Membranmodule 2b mit Gas und ein Absaugen von Reinwasser durch die Membranmodule 2a ermöglichen. Dies können beispielsweise Ventile in der Leitung von dem Gasverdichter 5 zu den Membranmodulen 1 und im Saugbereich des Reinwasserablaufs 6 sein.

Dadurch, daß das Gas nicht außen die Membran 3 tangential anströmt, sondern die Poren der Membranen 3 entgegen der Permeatrichtung durchströmt, genügt eine sehr geringe Gasmenge, um ein Biofouling zu verhindern. Die Menge der die Membran durchströmenden Luft (bzw. des durchströmenden CO₂) wird erfindungsgemäß nicht mehr von der Tendenz der Membran zum Biofouling, sondern vom Gesamtsauerstoffbedarf den die Belebungsstufe benötigt, bestimmt. Dadurch arbeitet die Kläranlage mit der optimal benötigten Sauerstoffmenge und damit auch mit einem mimalen Energiebedarf.

Erfindungsgemäß wird gemäß Fig. 1 und Fig. 2 in einer zeitlichen Reihenfolge von einigen Minuten nacheinander jedes der Membranmodule 2a, 2b einmal im Gegenstrom von Gas durchströmt, während die übrigen Membranmodule 2a, 2b das gereinigte Wasser permeieren lassen. Die zeitliche Reihenfolge hängt von verschiedenen Faktoren, insbesondere von der Rate des Biofoulings an den Membranen 3 ab.

Ein weiterer Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß es im Bodenbereich der Belebungsstufe 4 Zonen gibt, die sich anoxisch verhaken, d. h. in denen vorübergehend ein gewisser Sauerstoffmangel herrscht. Dies ist immer dann erwünscht, wenn das zu reinigende Wasser Stickstoffverbindungen enthält, die entfernt werden müssen (z. B. Ammonium). Dies geschieht in den Stufen Denitrifikation 10 und Nitritikation 11. Dieser Effekt kann durch eine interne Schlaufe 9, wie in Fig. 3 und Fig. 3.1 dargestellt, verstärkt werden. Hierbei besteht der Bioreaktor aus einem Außen- und einem Innenbehälter, wobei der Innenbehälter oben und unten geöffnet ist. Das zu reinigende Wasser zirkuliert in Pfeilrichtung, wobei eine Pumpe 13 zur Unterstützung der Schlaufenzirkulation vorgesehen sein kann. Eine andere Möglichkeit besteht in einer externen Schlaufe 12, wie sie in Fig. 4 neben einer internen Schlaufe 9 dargestellt ist. Dort wird ein Teil des zu reinigenden Wassers aus dem Bioreaktor in eine Denitrifikationsstufe 10 und von dort wieder zurück in den Bioreaktor geleitet.

Der Permeatfluß des gereinigten Wassers durch die Membran wird durch zwei Größen bestimmt, nämlich den Unterdruck auf der Permeatseite und den Überdruck auf der Außenseite des Membranmoduls 2, wobei letzterer gemäß Fig. 3 über die Höhe der Wassersäule 8 eingestellt werden kann. Darüber hinaus kann über eine Pumpe 13 ein zusätzlicher Staudruck erzeugt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung, wobei in einem Bioreaktor Reinwasser von der Biomasse mittels mehrerer Membranmodule abgetrennt wird, wobei das Wasser von dem Bioreaktor durch die Membran in einen Innenraum permeiert und aus diesem abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens bei einem Membranmodul (2b) die Membran (3) entgegen der Permeatrichtung von einem Gas durchströmt wird, während bei den übrigen Membranmodulen (2a) das Reinwasser von dem Bioreaktor durch die Membran (3) in den Innenraum permeiert und daß außerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnittes in jedem der Membranmodule (2a, 2b) einmal die Membran (3) entgegen der Permeatrichtung von Luft durchströmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Luft ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Kohlendioxid ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Wasser in dem Bioreaktor schlaufenförmig zirkuliert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Wassers durch eine Denitrifikationsstufe (10) geführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz beidseits der Membranen mittels einer Flüssigkeitspumpe (13) variiert wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bioreaktor, der einen Abwasserzulauf (1), einen Reinwasserablauf (6) aufweist, mehrere Membranmodule (2a, 2b) angeordnet sind, die jeweils an einen Gasverdichter (5) und an eine Flüssigkeitsunterdruckpumpe in dem Reinwasserablauf (6) angeschlossen sind und daß Mittel vorgesehen sind, um wechselweise die einzelnen Membranmodule (2a, 2b) mit Gas zu beaufschlagen oder über die Membranmodule (2a, 2b) Reinwasser aus dem Bioreaktor abzusaugen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor aus einem Außen- und einem Innenbehälter besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil des Innenbehälters eine Pumpe (13) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor in Form einer externen Schlaufe (12) mit einem zweiten Behälter mit einer Denitrilikationsstufe (10) verbunden ist.