DE19806768A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von organisch belasteten Abwässern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von organisch belasteten Abwässern, bei dem ein wiederverwendbarer Brauchwasserstrom und ein Abwasserstrom erzeugt wird, der zur umweltgerechten Einleitung in Kläranlagen und Vorfluter geeignet ist, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Das Verfahren und die Vorrichtung sind verwendbar zur Aufbereitung von Abwässern, die in großen Mengen anfallen und eine hohe organische Belastung aufweisen, insbesondere zur Aufbereitung betrieblicher Abwässer in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie.

Die Lebensmittel- und speziell die Getränkeindustrie benötigen große Mengen von Wasser zur Herstellung ihrer Produkte. An dieses Wasser werden bezüglich der Hygiene Anforderungen gestellt, wie sie in vielen anderen Industriezweigen nicht bestehen. Deshalb wird in Lebensmittelbetrieben fast ausschließlich Trinkwasser benutzt, meist auch vom Gesetzgeber gefordert. Obwohl es nun zum Stand der Technik gehört - und auch vom Wasserhaushaltsgesetz gefordert wird - Wasser einzusparen und wiederzuverwenden wo immer das möglich ist, verläßt der größte Teil dieses Trinkwassers den Betrieb als Abwasser, nur ein kleiner Teil in Form des Produktes.

Nach der EP 0 561 456 B1 ist ein Verfahren zur Reinigung von Wasser, insbesondere aus der Landwirtschaft, bekannt, wobei eine Sauerstoff/Ozon- Gasmischung unter hohem Druck in in das zu reinigende Wasser eingeführt wird, dieses mit Sauerstoff und Ozon angereicherte Wasser durch mindestens einen Reaktor geleitet und das Wasser aus dem Reaktor einer Membranfiltereinheit mit einer Membran mit einem Ausschlußwert von ≦ 100 Dalton zugeführt wird. Zur besseren Oxidation der organischen Bestandteile wird in einem zusätzlichen Reaktor Wasserstoffperoxid in Anwesenheit von Aktivkohle als Katalysator verwendet. Obwohl nach diesem Verfahren ein wiederverwendbares Brauchwasser nach der Membranfiltration erzeugt werden kann, hat es den Nachteil, daß die Oxidation unter hohem Druck und zur vollständigen Oxidation der organischen Bestandteile des Abwassers eine zusätzliche katalytische Reaktion in einem weiteren Reaktor durchzuführen ist. Zur Überführung der organischen Bestandteile in biologisch abbaubare Produkte ist auch eine durch Eisen(II)salze katalysierte Reaktion mit Wasserstoffperoxid (H₂O₂) bekannt (Solvay Interox GmbH, Abwasserreinigung mit Fenton's Reagenz (Wasserstoffperoxid/Eisensalz), Technische Information FA 1.4.33]. Der Vorteil bei der Anwendung dieser Methode in Lebensmittel- oder Getränkebetrieben besteht darin, daß das erhaltene Wasser direkt in Kläranlagen oder Vorfluter eingeleitet werden kann, sie hat aber die Nachteile, daß große Abwasserströme schlecht zu bewältigen sind und daß hierbei zunächst kein wiederverwendbares Brauchwasser anfällt. Versucht man nämlich nach der katalytischen Oxidation mit Fenton's Reagenz Brauchwasser durch eine anschließende Membranfiltration durchzuführen, führt das durch eine rasche Verblockung der Membran, die offensichtlich durch den Eisenkatalysator hervorgerufen wird, zum Mißerfolg.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufbereitung großer Mengen von Abwässern, insbesondere aus der Lebensmittel- und Getränkeindustrie aufzufinden, bei dem ein möglichst großer Teilstrom als betrieblich wiederverwendbares Brauchwasser anfällt und ein zweiter Teilstrom soweit aufbereitet wird, daß er direkt in Kläranlagen oder Vorfluter eingeleitet werden kann sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.

Die Erfindung wird durch ein Verfahren gelöst, nach dem große Mengen von organisch belasteten Abwässern durch kombinierte Behandlung mittels Crossflow-Membranfiltration und katalytischer Oxidation mit Wasserstoffperoxid aufbereitet werden, wobei zunächst die Abwässer mittels Ultrafiltration und Umkehrosmosefiltration in einen Brauchwasserstrom und in einen intermediären Abwasserstrom aufgetrennt werden, der eine höhere Belastung an organischen Stoffen aufweist als die ursprünglichen Abwässer. Anschließend wird der intermediäre Abwasserstrom einer katalytischen Oxidation mittels aus Wasserstoffperoxid und Eisen(II)Salzen bestehendem Fenton's Reagenz unterworfen, wobei ein Abwasserstrom mit einer verminderten organischen, biologisch abbaubaren Belastung erzeugt wird, der nach Abtrennung des Eisens umweltgerecht in ein Klärwerk oder einen Vorfluter eingeleitet wird. Für den Fall, daß die organisch belasteten Abwässer lediglich eine geringe Salzfracht aufweisen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Umkehrosmosefiltration durch eine Nanofiltration ersetzt, die bei geringeren Drücken betrieben wird.

Dadurch, daß zuerst die Membranfiltration durchgeführt wird, können große Mengen an Abwässern aufbereitet werden, weil der dabei gewonnene Brauchwasserstrom die Menge an durch katalytische Oxidation zu behandelndem Abwasser entsprechend reduziert. Ein Verblocken der Membranen durch den Katalysator ist ausgeschlossen. Die in dem intermediären Abwasserstrom enthaltenen organischen Stoffe werden nicht vollständig zu Kohlendioxid, sondern lediglich zu biologisch abbaubaren Stoffen umgewandelt. Damit kann das Verfahren durch entsprechende Reaktionsführung, beispielsweise über die Menge an Wasserstoffperoxid oder den Anteil an Brauchwasser, technisch flexibel und wirtschaftlich so gesteuert werden, daß die durch die Umweltgesetzgebung oder Einleitungsvorschriften festgelegten Grenzwerte an organischer Abwasserbelastung gerade erreicht oder unterschritten werden.

Erfindungsgemäß wird der Brauchwasserstrom aus dem Permeat einer Umkehrosmosefiltration gewonnen, welcher mindestens ein Teil des Permeats einer vorgelagerten Ultrafiltration zugeführt wurde. Erforderlichenfalls kann das Brauchwasser nachbehandelt werden, zum Beispiel durch UV-Be­ strahlung oder Chlorung. Aus den Konzentratströmen oder Teilen der Konzentratströme der Ultrafiltration und der Umkehrosmosefiltration wird ein intermediärer Abwasserstrom gesammelt, der eine höhere organische Belastung aufweist als das ursprüngliche Abwasser. Deshalb wird der intermediäre Abwasserstrom einer katalytischen Oxidation mittels aus Wasserstoffperoxid und Eisen(II)salzen bestehendem Fenton's Reagenz unterworfen, um einen Abwasserstrom mit einer verminderten organischen, biologisch abbaubaren Belastung zu erzeugen. Dazu wird der pH-Wert des intermediären Abwasserstroms durch Zugabe einer anorganischen Säure auf 3 bis 4 eingestellt, das Wasserstoffperoxid als Fenton's-Reagenz für den angestrebten Grad der Oxidation der organischen Bestandteile langsam zudosiert und nach Beendigung der Reaktion das Eisen durch Einstellen des pH-Wertes auf etwa 10 mittels Lauge ausgefällt und abfiltriert. Das als Filtrat anfallende Abwasser wird in ein Klärwerk oder einen Vorfluter eingeleitet. Die Eisen(II)salze können beispielsweise elektrolytisch regeneriert und wieder eingesetzt werden. Das Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise für die Aufbereitung betrieblicher Abwässer aus der Lebensmittelindustrie geeignet, weil dort große Mengen an Abwässern anfallen und beträchtliche Mengen an Brauchwasser benötigt werden. Durch die erfindungsgemäße Aufbereitung läßt sich der Verbrauch an wertvollem Trinkwasser deutlich senken.

Der Kern der Anlage zur Durchführung des Verfahrens besteht aus mindestens einer Ultrafiltrationsvorrichtung und nachgeschaltet mindestens einer Umkehrosmosevorrichtung, der mindestens teilweise das Filtrat der Ultrafiltrationsvorrichtung zugeführt wird. Die Konzentratausgänge beider Vorrichtungen gestatten die Sammlung von Teilen des Konzentrats in einem Vorlagentank, das den intermediären Abwasserstrom darstellt. Aus ihm wird mindestens ein Reaktor gespeist, in welchem die katalytische Oxidation durchgeführt wird und der mit Vorratsgefäßen für die Reagenzien verbunden ist. Zum kontinuierlichen Betrieb verfügt die Anlage vorzugsweise über mehrere derartige Reaktoren. Zur Abtrennung des ausgefallenen Eisens ist dem Reaktor eine Filtervorrichtung, beispielsweise ein Bandfilter nachgeschaltet. Die Anlage kann rechnergestützt und mit entsprechenden Sensoren, Meßinstrumenten und Ventilen bestückt, automatisch betrieben werden.

In einer bevorzugten Verfahrensweise wird mittels der Anlage der aufzubereitende Abwasserstrom in einen Brauchwasserteilstrom von ca. 2/3 der Eingangsmenge und einen Abwasserteilstrom von ca. 1/3 der Eingangsmenge, der fast die gesamte Schmutz- und Salzfracht enthält, aufgeteilt.

Die Erfindung soll anhand der Figur näher erläutert werden.

Dabei zeigt die Figur schematisch den erfinderischen Teil einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur Aufbereitung von organisch belasteten Abwässern.

Die aufzubereitenden organisch belasteten Abwässer 1 werden beispielsweise über Sandfilter (nicht dargestellt) aus einem Tank 2, beispielsweise einem Senkschacht, einer im Crossflow-Regime arbeitenden Ultrafiltration­ vorrichtung 3 mittels nicht dargestellter Pumpe zugeführt. Der Filtratausgang 4 der Ultrafiltrationsvorrichtung 3 ist mit dem Eingang einer Umkehrosmosefiltrationsvorrichtung, alternativ einer Nanofiltrations­ vorrichtung 5 verbunden, die an ihrem Filtratausgang 6 den Brauchwasserstrom 7 liefert. Wahlweise kann der Brauchwasserstrom eine Nachbehandlungsvorrichtung 8 passieren. Die Konzentrate der Ultrafiltrationsvorrichtung 3 und der Umkehrosmosefiltrationsvorrichtung 5 passieren über Kreisläufe 9, 10 die jeweiligen Crossflow-Module und ein einstellbarer Anteil der Konzentrate wird als intermediärer Abwasserstrom über die Leitungen 11 und 12 einem Vorlagentank 13 zugeführt. Der Vorlagentank 13 ist mit mindestens einem Reaktor 14 für die Durchführung der katalytischen Oxidation des intermediären Abwasserstroms verbunden. Er kann über nicht dargestellte Umwälz- oder Rühreinrichtungen verfügen und ist mit Vorratsgefäßen für Eisen(II)salz 15, Säure 16, Lauge 17 und Wasserstoffperoxid 18 verbunden, aus denen die Reagenzien entsprechend der Reaktionsführung zudosiert werden. Der Ausgang des Reaktors 14 ist mit einer Filtervorrichtung 19 für die Abtrennung von ausgefälltem Eisenkatalysator (Eisenhydroxid/-oxid) verbunden, das in einer Regenierungsvorrichtung 20 als Eisen(II)salz für den Prozeß zurückgewonnen werden kann. Der aus der Filtervorrichtung 19 austretende Abwasserstrom 21 mit einer verminderten organischen, biologisch abbaubaren Belastung kann umweltgerecht direkt in ein Klärwerk oder in einen Vorfluter (nicht dargestellt) eingeleitet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Aufbereitung von organisch belasteten Abwässern (1) durch eine kombinierte Behandlung der Abwässer mittels Crossflow-Mem­ branfiltration und katalytischer Oxidation mit Wasserstoffperoxid, dadurch gekennzeichnet, daß

• A) in einer ersten Gruppe von Schritten die Abwässer (1) mittels Ultrafiltration (3) und Umkehrosmosefiltration (5) in einen Brauchwasserstrom (7) und in einen intermediären Abwasserstrom aufgetrennt werden, indem das Permeat (4) der Ultrafiltration (3) der Umkehrosmosefiltration (5) zugeführt wird und das Permeat (6) der Umkehrosmosefiltration (5) als Brauchwasserstrom (7) abgeführt und indem mindestens ein Teil des Konzentrats der Ultrafiltration (11) und der Umkehrosmosefiltration (12) als intermediärer Abwasserstrom in einem Vorlagentank (13) gesammelt wird und
• B) in einer zweiten Gruppe von Schritten der intermediäre Abwasserstrom aus dem Vorlagentank (13) der katalytischen Oxidation mittels aus Wasserstoffperoxid und Eisen(II)Salzen bestehendem Fenton's Reagenz unterworfen wird, um einen Abwasserstrom (21) mit einer verminderten organischen, biologisch abbaubaren Belastung zu erzeugen, indem der pH-Wert des in einen Reaktor (14) überführten intermediären Abwasserstroms durch Zugabe von Säure (16) auf 3 bis 4 eingestellt, das Wasserstoffperoxid (15, 18) für den angestrebten Grad der Oxidation der organischen Bestandteile langsam zudosiert und nach der Reaktion der Eisenkatalysator durch Einstellung des pH-Werts auf etwa 10 mittels Lauge (17) ausgefällt und in einer nachgeordneten Filtervorrichtung (19) abfiltriert wird und der als Filtrat anfallende Abwasserstrom (21) in ein Klärwerk oder einen Vorfluter eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Steuerung des Permeatanteils (6) aus der Umkehrosmosefiltration (5) und der Konzentratanteile (11, 12), die aus der Ultrafiltration (3) und Umkehrosmosefiltration (5) dem Vorlagentank (13) zugeführt werden, die Anteile an dem Brauchwasserstrom (7) und dem Abwasserstrom (21), in die die aufzubereitenden Abwässer (1) aufgeteilt werden, einstellbar sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrosmosefiltration durch eine Nanofiltration ersetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Brauchwasserstroms (7) auf einen Wert zwischen 50 und 80% bezogen auf die aufzubereitenden Abwässer (1) eingestellt wird.

5. Verfahren nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Abwässer (1) aus der Lebensmittelindustrie aufbereitet werden.

6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur Aufbereitung von organisch belasteten Abwässern (1) nach Anspruch 1 bestehend aus mindestens einer Crossflow-Membranfiltrationsvorrichtung (3, 5) und mindestens einem Reaktor (14) zur katalytischen Oxidation mit Wasserstoffperoxid, dadurch gekennzeichnet, daß die Crossflow-Membranfiltrationsvorrichtung (3, 5) aus mindestens einer Ultrafiltrationsvorrichtung (3) und nachgeschaltet mindestens einer Umkehrosmosefiltrationsvorrichtung (5) besteht derart, daß die Permeatleitung (4) der Ultrafiltrationsvorrichtung (3) mit dem Eingang der Umkehrosmosefiltrationsvorrichtung (5) verbunden ist, deren Permeatausgang (6) einen Brauchwasserstrom (7) liefert und derart, daß die Konzentratausgänge (11, 12) der Ultrafiltrations- (3) und der Umkehrosmosefiltrationsvorrichtung (5) zumindest teilweise in einem Vorlagentank (13) zur Aufnahme eines intermediären Abwasserstroms münden, und dem Vorlagentank (13) ein Reaktor (14) für die Durchführung einer katalytischen Oxidation der organischen Bestandteile des intermediären Abwasserstroms mit Fenton's Reagenz nachgeschaltet ist, welcher mit Vorratsgefäßen für eine Zudosierung von Eisen(II)salz (15), Säure (16), Lauge (17) und Wasserstoffperoxid (18) und an seinem Ausgang mit einer Filtervorrichtung (19) zum Abfiltrieren von ausgefälltem Eisenkatalysator von einem als Filtrat anfallenden Abwasserstrom (21) verbunden ist.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrosmosefiltrationsvorrichtung (5) durch eine Nanofiltrationsvorrichtung (5) ersetzt ist.