DE4201167A1 - Verfahren zur biologischen aeroben oder anaeroben behandlung von abwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen aeroben oder anaeroben Behandlung von Abwasser in Bioreaktoren in denen sich biomasse-beladene, bewegte Träger befinden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Besonders zur Schäumung und Inkrustierung neigende Abwässer sind damit behandelbar.

Bei der biologischen Reinigung von Abwässern werden in zunehmenden Maße Trägermaterialien in die Bioreaktoren eingesetzt, die eine ideale Ansiedelungsfläche für die jeweils benötigten Mikroorganismenstämme, entsprechend dem gewünschten biologischen Prozeß und der spezifisch vorhandenen Abwasserart bieten.

Aus der Literatur und dem Patentschriftenfonds sind dazu eine Reihe von Lösungen bekannt.

So beschreibt das DD-AP 2 12 021 einen Reaktor mit einer Festbettschüttung, welche in ihrem Inneren ein zentrales Leitrohr aufweist, wobei das obere Ende des Leitrohres in Höhe der Oberfläche der Füllkörperschüttung angeordnet ist, durch die gesamte Füllkörperschüttung führt und bis in einen füllkörperfreien Bodenraum reicht. Die Reinigung der mit biologischem Rasen, Sedimentationen und Verunreinigungen zu gesetzten Füllkörper erfolgt mit prozeßeigenem Wasser durch eine reaktorinterne, durch die Füllkörperschüttung aufwärts strömende Flüssigkeit.

Nachteilig bei dieser Lösung sind die bei Festbetten allgemein üblichen Einbauten, die die Kosten für Reaktoren erhöhen. Außerdem ist die Einsatzmöglichkelt nur auf weniger stark mit Feststoffen belasteten Abwässern begrenzt, da sich erfahrungsgemäß Festbetten schnell zusetzen und verkleben.

In der DE-OS 38 29 497 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten in einem vertikalen Schüttkörperbett offenbart. Kontinuierlich oder wiederkehrend wird ein geringer Anteil - nämlich 0,1 bis 20% - der mit Biomasse bewachsenen Trägerkörper am unteren Ende unter Einwirkung von Scherkräften abgezogen und bis über das obere Ende des Bettes befördert und dadurch von Biomasse befreit. Unter der Wirkung ihrer Schwerkraft gelangen die Trägerkörper auf das obere Ende des Bettes zurück. Die Aufwärtsbewegung der Trägerkörper erfolgt durch einen axial eingeblasenen Gas- oder Flüssigkeitsstrahl, der vorzugsweise in ein vertikales, vom unteren Ende bis über das Bett reichende Rohr unter Ausnutzung der Mammutpumpenwirkung eingeblasen wird. Die Vorrichtung enthält außerdem noch verschiedene Leiteinrichtungen (schikanenartige Einbauten oder Querschnittsveränderungen), die für eine erhöhte Verwirbelung sorgen sollen. Diese Maßnahme erhöht allerdings den konstruktiven Aufwand der Vorrichtung. Außerdem ist nicht gewährleistet, daß bei stärker feststoffhaltigen Flüssigkeiten, bei einem so geringen Anteil der gleichzeitig von überschüssiger Biomasse gereinigten Trägerkörper, während dieser Zeit nicht die übrigen im Bett verbliebenen Trägerkörper verkleben und damit eine weitere Aufwärtsströmung unmöglich wird.

Es ist aus der DE-OS 33 40 549 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt, bei welchem für eine Denitrifikation Trägermaterialien für die Denitrifikanten verwendet werden. Zur Befreiung der Träger von überschüssiger Biomasse ist im Gasraum des Behälters eine mechanische Preßeinrichtung, bestehend aus zwei gegenläufig rotierenden Preßwalzen vorhanden.

In der Preßeinrichtung werden die aus Kunststoffteilchen bestehenden Träger komprimiert und ein Teil der anhaftenden Bakterien und der Flüssigkeit ausgepreßt. Dazu werden die Träger mittels einer Fördereinrichtung aus dem Reaktionsraum über eine Rückleitung und eine in die Preßeinrichtung mündende Rutsche geleitet. Der Preßdruck der Walzen ist so einstellbar, daß auf den Trägern nach dem Preßvorgang eine dünne Schicht von Denitrifikanten verbleibt, und diese danach wieder in den Reaktionsraum fallen.

Auch bei dieser Lösung ist der apparative Aufwand hoch und das Fördern der Träger in zu Verklebung neigenden Medien mit Schwierigkeiten verbunden.

Eine weitere Möglichkeit der Regenerierung der Trägerkörper ist in der DE-OS 36 09 898 dargelegt.

Die Träger werden zuerst mit einer Beschleunigungseinrichtung, wie beispielsweise eine Mammutpumpe, auf eine angemessene Geschwindigkeit beschleunigt und dann schlagartig abgebremst, wozu Prallbleche verwendet werden. Dadurch können die Träger bis auf etwa die Hälfte ihres Volumens zusammengepreßt werden. Durch die starke Abbremsung wird die Biomasse im Träger aufgelockert und zum Teil ausgeschwämmt. Neben Mammutpumpen können zur Beschleunigung der Träger, in Nähe der Reaktorwand installierte, mit Druckluft betriebene Beschleunigungsrohre verwendet werden.

Als Nachteil hierbei ist anzusehen, daß die Träger den Reaktionsraum verlassen und ihre Kontaktzeit mit der nährstoffreichen Reaktorflüssigkeit verkürzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen arbeitendes Verfahren und eine Vorrichtung, insbesondere für die Reinigung stark feststoffhaltiger, zur Schäumung und Inkrustierung neigender Abwässer zu entwickeln, bei welchen die Nachteile der bekannten Lösungen vermieden werden und insbesondere der Einsatz von Festdach-Tankreaktoren möglich ist, um Abluft oder Biogas sammeln und einer weiteren Behandlung zuführen zu können. Die eingesetzten Trägerkörper sollen im Reaktor frei zirkulieren können. Schichtbildungen an Boden und Oberfläche des Fluides im Reaktor sollen vermieden werden und ohne, daß der kontinuierliche Reinigungsprozeß unterbrochen werden muß und ohne zusätzliche Hilfsmittel sollen sich die Träger von überschüssiger Biomasse sowie Inkrustierungen befreien können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem die Trägerkörper, die den gesamten Reaktionsraum eines vertikalen Reaktors durchströmen, von einem Fördermedium durch eine im Reaktionsraum integrierte zentrale Zone hoher Turbulenz abwärts geleitet werden. Beim Austritt aus dieser Zone erfahren die Trägerkörper eine Richtungsumkehr und durchströmen nun eine Zone geringerer Turbulenz in Aufwärtsrichtung, um erneut die Zone hoher Turbulenz zu passieren. Dieser Kreislaufprozeß dauert so lange, wie der gesamte durchzuführende Reinigungsprozeß dauert, so daß die Trägerkörper laufend in den turbulenten Scherzonen von überschüssiger Biomasse befreit und Inkrustierungen aufgebrochen werden. Als Fördermedium dient bei anaerob betriebenen Verfahren produziertes Biogas, bei aeroben Verfahren Luft oder ein sauerstoffhaltiges Gas, welches der Versorgung der eingesetzten Mikroorganismen für den bezweckten biologischen Behandlungsprozeß dient.

Das verwendete Fördermedium Gas wird angesaugt entweder aus der Umge­ bung (Luft), oder aus dem Gasraum des Reaktors von einem geregelten bzw. ungeregelten Druckstrahler, der in seinem Aufbau und in seiner Wirkungs­ weise in der DD-PS 1 11 805 sowie in der DD-PS 1 17 353 beschrieben ist.

Dem Druckstrahler wird außerdem Flüssigkeit, vorteilhafterweise abgezogene Reaktorflüssigkeit zugeführt und im Druckstrahler vermischt. Der nun im Druckstrahler erzeugte Zweiphasenfreistrahl wird durch die im Reaktions­ raum vorhandene zentrale Zone abwärts geführt, wodurch Reaktorflüssigkeit und aufschwimmende Trägerkörper in diese Zone eingesaugt und nach unten gefördert werden. Am Reaktorboden wird der Strahl nach außen umgelenkt und das dissipierte Gas steigt nach oben auf. Dadurch entstehen starke Se­ kundärströmungen, die durch ihre Turbulenzen die Bewegung, daß heißt die Verwirbelung der Trägerkörper im gesamten Reaktionsraum bewirken. Somit befinden sich Flüssigkeit und Gasphase in ständiger Zirkulation.

Bei stark zur Schäumung neigenden Abwässern ist die vorgesehene Strö­ mungsrichtung besonders optimal, weil auf dem Flüssigkeitsspiegel sich zu sammeln beginnender Schaum gleich in die turbulente Zone mit eingearbeitet werden kann.

Die Geschwindigkeitsgradienten und daraus resultierenden Scherspannungen im Ansaugbereich und im Umlenkbereich der zentralen Zone hoher Turbulenz sowie der Staupunktströmung im Bodenbereich bewirken eine laufende Oberflächenreinigung der Trägerkörper von zu dicker aufgewachsener Bio­ rasenschicht und Inkrustierungen, die im Inneren der Trägerkörper sich bilden und deshalb zu Verklebung der einzelnen Trägerkörper führen kön­ nen.

Die Trägerkörper weisen eine Dichte von = < 1 g /cm³ auf. Als Material für die Trägerkörper ist ein offenporiger, makroporöser Werk­ stoff aus organischen Polymerverbindungen, wie zum Beispiel Schaumstoff, Schaumgummi, Polyurethan-Weichschaum vorgesehen.

Vorteilhaft lassen sich dafür die Linde-LINPOR-Schaumwürfel, welche in den DE-PS 30 32 869, 30 32 882, 31 37 055 beschrieben sind verwenden. Die Träger­ körper aus diesem Material haben vor allem noch den Vorteil, daß sie sich zusammendrücken lassen.

Das geschieht selbsttätig in den Zonen hoher Scherung, außerdem wird dadurch in dieser Zone die höchste Nährstoffgelöstkonzentration und bei aeroben Prozessen auch die größte Sauerstoffgelöstkonzentration geschaffen, was eine verbesserte Versorgung der Bakterien als Voraussetzung ihrer erhöhten Stoffwechselleistung ermöglicht.

Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

• - Der Anteil der Trägerkörper zum Reaktorvolumen kann gegenüber kon­ ventionellen Verfahren erhöht werden, da alle Trägerkörper infolge der großräumigen turbulenten Bewegung sich gut verteilen lassen.
• - Es erfolgt keinerlei Trennung des Trägerwirbelbettes von der sub­ strathaltigen Bulk-Flüssigkeit infolge Oberflächenschichtbildung oder Bo­ denablagerung.
• - Es ist ein gleichmäßig guter Nährstoff- und/oder Sauerstofftransport zur Biomasse garantiert.
• - Durch die hydraulische Belastung der Trägerkörper innerhalb der turbu­ lenten Zone, als Zone höchster Sauerstoff-und Substratsättigung erfolgt eine verbesserte Versorgung der Biomasse gegenüber reiner Diffusion und dadurch eine entsprechende Aktivierung des Stoffwechsels.
• - Es besteht eine hohe Betriebsstabilität der biologischen Reinigungspro­ zesse durch den Selbstreinigungseffekt, wobei gesichert ist, daß alle Trä­ ger gleichmäßig die Zone hoher Turbulenz, die man deshalb auch als Rei­ nigungszone bezeichnen kann, durchlaufen.
• - Das Verfahren ist gleichermaßen gut in aeroben und anaeroben Prozessen, damit auch für Nitrifikation und Denitrifikation, einsetzbar.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung, die aus einem vertikalen geschlossenen Reaktor (Tank) besteht, der in seinem Inneren ein zentral angeordnetes, axiales Leitrohr aufweist. Das Leitrohr ist an beiden Stirnseiten offen. Es ist vollständig vom zu behandelnden Abwasser umge­ ben und im Reaktor höhenverstellbar entsprechend der Füllhöhe des Abwas­ sers gehaltert. Das obere Ende des Leitrohres befindet sich unter dem Flüssigkeitsspiegel. Das Volumen des Leitrohres beträgt ungefähr ein Fünf­ tel bis ein Drittel des Reaktionsraumes. Das Leitrohr stellt im Reaktor eine Zone hoher Turbulenz dar und fungiert gleichzeitig als Reinigungszone für die Trägerkörper.

Am Reaktorkopf befindet sich eine Begasungseinrichtung in Form des be­ reits beschriebenen Druckstrahlers. Es können aber auch andere Be­ gasungseinrichtungen bekannter Bauart eingesetzt werden. Der Flüssigkeits­ zulauf befindet sich ebenfalls am Reaktorkopf und mündet in den Ansaugbe­ reich des Leitrohres.

Außerhalb des Reaktors ist eine Flüssigkeitsumwälzleitung installiert, die vom Reaktorboden bis in die Begasungseinrichtung mündet. Eine in diese Leitung geschaltene Pumpe fördert Reaktorflüssigkeit aus dem Reaktor zur erneuten Einspeisung.

Neigt das zu behandelnde Abwasser stark zur Schäumung kann außerdem am Reaktorkopf noch ein mechanischer Schaumzerstörer befestigt werden, der die bei der Schaumzerstörung entstehende flüssige Phase in den Reaktor zurückfördert. Schaumfreie Abluft wird an die Umgebung abgegeben. Vorteilhaft kann als Schaumzerstörer der in der DD-PS 1 37 942 Beschriebene Verwendung finden.

Bei kleineren Reaktoren ist in der Nähe des Reaktorbodens ein Zwischenbo­ den aus perforiertem, gelochtem Material angeordnet, der Trägerkörper vom Ansaugstutzen für die Flüssigkeitspumpe fern hält. Unterhalb des Zwischen­ bodens befindet sich ein Freiraum, von wo aus der Ablauf des greinigten Abwassers erfolgt.

Bei großen Reaktoren, in denen sich der Pumpenansaugstutzen seitlich be­ findet ist eine vertikale, perforierte Trennwand vorgesehen. Die Trennwandgröße und Perforation richten sich nach der Partikelgröße der Trägerkörper sowie der Mediengeschwindigkeit im Saugbereich. In anaeroben Reaktoren wird das Gasansaugrohr der Begasungseinrichtung mit dem Biogasraum des Reaktors verbunden. In großen Reaktoren können mehrere Strahlsysteme installiert sein.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert wer­ den.

Es zeigt Fig. 1 die schematische Darstellung eines geschlossenen Re­ aktors mit integriertem Leitrohr,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer kompletten Abwas­ serbehandlungsanlage unter Verwendung eines Reaktors mit biomassebeladenen selbstreinigbaren Trägerkörpern.

In Fig. 1 ist ein geschlossener Reaktor (1) dargestellt, welcher eine Höhe von 9 in und einen Durchmesser von 5 m aufweist. In seinem inneren befin­ det sich ein koaxiales Leitrohr (2) von 1,5 m Durchmesser und einer Höhe von 5 in. Das Leitrohr ist durch eine Halterung (3) im Reaktionsraum in Ab­ hängigkeit vom Füllstand des Abwassers höhenverstellbar angeordnet. Das Leitrohr (2) ist vollständig vom Abwasser umgeben.

Am Kopf des Reaktors (1), über dem Leitrohr auf gleicher Achse, ist ein Druckstrahler (4) der Baugröße 200 mit ca. 12 m/s Austrittsgeschwindigkeit des Gas- Flüssigkeits-Gemisches befestigt.

Im Reaktor (1) sind ca. 40 % des Reaktorvolumens Trägerkörper (5), die mit der jeweils für den Abwasserbehandlungsprozeß notwendigen Bakterienpo­ pulation beladen sind.

Die dargestellten Pfeile geben die erzeugte Strömungsrichtung der Trägerkörper (5) an, die von den Gas-Flüssigkeitsstrahlen des Druckstrahlers erzeugt wird.

Als Trägerkörper (5) dienen Schaumstoffträger mit einem 12 mm Durchmes­ ser und einer Dichte von 1,05 g/cm³ (feucht, bewachsen).

0,5 m vom Reaktorboden entfernt ist ein gelochter, perforierter Zwischenbo­ den (6) befestigt, der die Trägerkörper (5) davon abhält, sich während ihrer Zirkulation vor den Pumpensaugstutzen (7) der Flüssigkeitsumwälzlei­ tung (8) zu stauen. Über den Ablauf (9) wird gereinigtes Abwasser aus dem Reaktor (1) geleitet.

In Fig. 2 ist eine Anlage dargestellt, in der Abwasser aus einer Tierkörper­ beseitigungsanlage behandelt werden soll. Neben der organischen Belastung soll auch vorhandener Stickstoff im Auslauf auf NH₃ < 100 mg/l gesenkt werden. Pro Tag sind 40 bis 70 m³ mit einem BSB₅ ca. 6800 mg/l und einem NH₄ von ca. 4510 mg/l aufzuarbeiten. Damit sind im Abwasser 240 kg pro Tag Stickstoff zu nitrifizieren. Die Temperaturen des zu behandelnden Abwassers liegen bei < 30°C.

Um die geforderten Einleitgrenzwerte zu erreichen, wird bei einem Abwas­ serteilstrom zur Stickstoffentlastung ein Nitrifikationsreaktor (1), so wie in Fig. 1 beschrieben, eingesetzt. Dem ist eine kombinierte Denitrifikations­ /Eindickstufe (10) vorgeschaltet. Die Stufe (10) vergleichmäßigt die Abwas­ sertemperatur und schützt die im Reaktor (1) immobilisierten Nitrifikanten vor größeren Temperaturschwankungen. Außerdem verhindert sie weitgehend den Eintrag heterotropher Bakterien in die hochempfindliche Nitrifikation.

In der Stufe (10) wird in dem Maße denitrifiziert, wie es das Verhältnis BSB₅/NO₃-N zuläßt. Das Restnitrat wird mit dem kontinuierlich zulaufendem Abwasser wieder in den Zulauf einer nicht in der Fig. 2 dargestellten Klär­ anlage eingeleitet.

Der BSB₅- und nitratstickstoffbelastete Dünnüberlauf des in Stufe (10) inte­ grierten Eindickers (11) wird aus einer Pumpenvorlage (12) mittels Pumpe (13) in den Nitrifikationsreaktor (1) gefördert. Der benötigte Luftsauerstoff für die immobilisierten Nitrifikanten wird über ein Umpumpsystem mit Druckstrahlbelüfter (4) und einer Pumpe (14) eingetragen.

Durch die Bakterienimmobilisierung im Reaktor (1) wird die hydraulische Verweilzeit gegenüber konventionellem Anlagenbetrieb drastisch gesenkt und das Reaktionsvolumen auf nur 150 m³ beschränkt. Der notwendige spezifische Sauerstoffbedarf beträgt 0,25 k g/m³/Stunde.

Ein mechanischer Schaumzerstörer (15) sichert, da das Abwasser sehr zur Schäumung neigt, den schaumfreien Austritt der Abluft. Mittels nicht darge­ stelltem Niveauüberlauf erfolgt die Einleitung des aufbereiteten Nitratrück­ laufwasserstromes (16) wieder in die Stufe (10). Für die Denitrifikation in Stufe (10) wird der Nitratwasserrücklauf so eingestellt, daß er in seiner Menge etwa dem Abwasserzulauf entspricht. Ein Teil des Rücklaufwasserstromes (16) wird auch in die vorhandene Klär­ anlage geleitet. Auf Grund der hohen Temperaturen des zu laufenden Abwassers ist der Re­ aktor (1) nicht wärmeisoliert.

Ein Stapeltank und ein Nachklärer nach der Nitrifikation wird durch die gewählte Verfahrenskonzeption eingespart.

Obwohl das aufzubereitende Abwasser aus der Tierkörperbeseitigung sich als stark fett- und feststoffhaltig darstellt, werden die befürchteten Inkrustierungen vermieden.

Claims (9)

1. Verfahren zur biologischen aeroben oder anaeroben Behandlung von Abwasser in Bioreaktoren, in denen sich biomassebeladene, bewegte Trägerkörper befinden, die den gesamten Reaktionsraum durchströmen, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem vertikalen Reaktor einge­ setzten Trägerkörper von einem Gas-Flüssigkeits-Fördermedium im Kreislauf durch eine zentrale Zone hoher Turbulenz in Abwärtsrichtung und danach einer Richtungsumkehr unterworfen und in Aufwärtsrich­ tung durch eine Zone niedriger Turbulenzen geleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmi­ ges Fördermedium entweder Luft oder ein sauerstoffangereichertes Gas verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmi­ ges Fördermedium Biogas verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Fördermedium reaktoreigene Flüssigkeit verwendet wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener, vertikaler Reaktor ein axiales, an beiden Seiten offenes Leitrohr aufweist, welches vollständig vom zu behandelnden Medium umgeben, höhenverstellbar gehaltert ist, sich am Reaktorkopf eine Begasungseinrichtung sowie der Flüssigkeitszulauf, am Reaktorboden der Ablauf für gereinigtes Medium befindet und außerhalb des Reaktors eine Flüssigkeitsumwälzleitung installiert ist, die vom Reaktorboden bis In die Begasungseinrichtung mündet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Träger aus makroporösen, offenporigen Materialien bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Träger aus organischen Polymerverbindungen bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Träger aus Polyurethan-Weichschaum bestehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor bis zu 70% des Reaktorvolumens mit Trägern gefüllt ist.