DE4321552C1 - Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung - insbesondere für kleinere und mittlere Industriebetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Ab­ wasserreinigung für insbesondere kleinere und mittlere Industriebetriebe und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anlage. Das Ver­ fahren ist jedoch ebenfalls geeignet, um aus Flüssigkeiten aller Art mit Hilfe von immobilisierten und suspendierten Mikroorganismen bestimmte Stoffe zu entfernen, wenn die Flüssigkeiten nur sporadisch anfallen.

Es ist bekannt, Abwasser biologisch mit Hilfe von immobilisierten oder suspendierten Mikroorganismen in Form von Tropfkörper-Rieselfilm-Sy­ stemen oder in suspendierter Form in sogenannten Belebungsanlagen - auch mit eingetauchten Trägermaterialien in Form von Scheiben, Waben, "Lockenwickler"-Paketen oder Pellets unterschiedlicher Ausprägung von Aktivkohle bis zu Schaumstoffwürfeln - zu reinigen (s.d. ausführlich KUNZ, P.: Behandlung von Abwasser - Kapitel 5, Vogel-Verlag, Würz­ burg; 3. Auflage 1992).

Weiterhin ist bekannt, daß Kleinkläranlagen im häuslichen Bereich dezen­ tral betrieben werden, die aus sogenannten Containern bestehen und sich entweder als Festbettreaktoren oder als Belebungsreaktoren in Miniaturaus­ führung darstellen. Letztere werden teilweise auch als Sequenzing-Batch- Reaktoren im Aufstaubetrieb gefahren.

Beschrieben werden in der Patentliteratur insbesondere für kleine Abwassermengen auch Filterkörbe (aerob oder anaerob), die teils mit Blähschiefer gefüllt sind (DE 41 22 804 A1), teils mit schwimmenden Kugeln (US 5,211,844 A) oder anderen Trägermaterialien (in einem rotierenden Filterkäfig: US 4,683,062), teils mit starren Röhren (US 5,126,042 A) oder mit starren Kunststoffsegmenten (US 4,818,404). In allen skizzierten Fällen sind die eingesetzten Filtermaterialien, die auch als Trägermaterialien für den Aufwuchs von Mikroorganismen dienen, als bewegliche oder starre Tauchkörpersysteme anzusprechen.

Nachteil der genannten Verfahren ist, daß eine Belebungsanlage nur als Belebungsanlage und ein Rieselfilmanlage nur als Rieselfilmanlage betrieben werden kann, obwohl jedes Verfahren nur in einem speziellen Einsatzbe­ reich optimal ist:

• - Der Rieselfilmreaktor ist optimal bei geringen Abwassermengen mit geringer Abwasserbelastung, weil er in diesem Fall die Rohrreaktorei­ genschaften mit sequentiellem Abbau von zunehmend schwerer abbau­ baren Abwasser-Komponenten längs des Fließweges entfalten kann. Heutige Rieselfilmreaktoren werden jedoch wegen hoher Konzentratio­ nen mit Rückführung von gereinigtem Abwasser zwecks Verdünnung der Konzentrationsspitzen und damit reaktionstechnisch wie ein idealer Mi­ schungsreaktor gefahren. Bei hohen Zuflußwassermengen ist die Ver­ weilzeit des Abwassers im Rieselfilmbereich zu gering, als daß eine weitgehende sorptive Elimination in den Biofilm auf den Rieselkörpern erfolgen kann.
• - Die Belebungsanlagen weisen Vorteile bei hohen Abwassermengen und hohen Abwasserbelastungen auf, weil das ankommende Abwasser zu­ nächst in ein - wie auch immer - gerührtes System eingeleitet wird, das die Konzentration herabsetzt - damit auch toxische Wirkungen mindert - und über eine einstellbare Verweilzeitverteilung der suspendierten Mi­ kroorganismen in Folge eines häufigen oder weniger häufigen Schlamm­ abzuges (Schlammalter) in gewissem Umfang Einfluß auf die Reini­ gungswirkung genommen werden kann. In Zeiten geringer Abwasserzu­ flüsse ist das biologische System aber unterversorgt, gleichzeitig muß permanent Sauerstoff eingetragen werden, was zur Autoxidation der Mikroorganismen führt und die unnötige Betriebskosten verursacht. In den Gemeinden sind die Zeiten geringer Abwassermengen und -bela­ stungen jedoch meist nur auf die Nacht beschränkt, fallweise auf das Wochenende, weshalb dieser Zustand toleriert wird.

Auch die bekannten Belebungsanlagen mit Tauchkörpern oder schwimmen­ den Trägermaterialien sind nicht optimal:

• - Den kombinierten Systemen - bestehend aus Belebungsbecken und darin eingebrachten schwimmenden, schwebenden oder festen Trägermateria­ lien, die über Druckbelüftungssysteme mit Sauerstoff versorgt und über den Sauerstoffeintrag umgewälzt werden, werden in der Literatur Vorteile im Hinblick auf ein Spezialistenwachstum zugeschrieben, weil der in submersen Systemen unvermeidliche Schlammaustrag - täglich muß der zugewachsene Schlamm als Überschußschlamm abgezogen werden - auch zu einem Austrag der Spezialisten führt, während sich bei Ver­ wendung von Trägermaterialien, auf denen sich Mikroorganismen im­ mobilisieren können, im System auch Spezialisten etablieren können, wenn die Trägermaterialien im System verbleiben. Die Praxis zeigt je­ doch, daß dieser Effekt nur von untergeordneter Bedeutung ist, weil bei diesen Systemen aufgrund der Mischungseffekte in allen Beckenberei­ chen die gleiche Konzentration an Stoffen herrscht, somit auch allen Organismen über die Zeit die gleichen Substrate zur Verfügung stehen und insbesondere bei stark schwankenden Abwasserzuflüssen mit schwankenden Abwasserbelastungen ein Wachstum von r-Strategen ein­ setzt, das über kurz oder lang die langsam wachsenden Spezialisten überwuchert und diese vom Geschehen infolge begrenzter Diffusion ab­ koppelt. Dies gilt insbesondere für industrielle Abwässer mit unter­ schiedlichen Abbaubarkeitsgraden der Abwasserinhaltsstoffe.

Trotz dieser mittlerweile bekannten Nachteile (s.d. KUNZ, P.: UMWELT- BIO-VERFAHRENSTECHNIK, Vieweg-Verlag, Wiesbaden 1992) werden die genannten Systeme auch in Kleinkläranlagen im Bereich von Hotels, Gaststätten und in dezentralen Wohnhäusern bis hin zu kleineren Gemein­ den in Ermangelung besser angepaßter Verfahren eingesetzt. Ungeschönte Bilder von derartigen Kleinkläranlagen zeigen Schaumberge (z. B. Firmen­ prospekt CONTEC-Siebrechen in Verbindung mit einer ENVICON VCK- Anlage nach DP 39 29 510 C2), Blähschlamm infolge starken Belastungs­ wechsels, Schwimmschlamm auf den Sedimentern und abtreibende Schlammflocken.

Angesichts wachsender Umweltprobleme in der Industrie werden in jüng­ ster Zeit immer häufiger auch für sie biologische Abwasserreinigungsanla­ gen angeboten, die mehr oder weniger nur eine Miniaturisierung der oben beschriebenen Anlagensysteme darstellen. Angesichts der in der Industrie noch sehr viel extremer auftretenden Abwasserprobleme - häufig wird nur zu Beginn und am Ende einer Schicht Abwasser produziert, viele Betriebe arbeiten nur noch einschichtig und die Abwasserinhaltsstoffe sind meist in die Kategorie schwerer abbaubar einzustufen - ist es Aufgabe der Erfin­ dung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die die bekann­ ten Vorteile der beiden biologischen Abwasserreinigungsprinzipien mitein­ ander kombinieren, ohne die Nachteile der kombinierten Belebungs-Tauch­ körpersysteme in Kauf nehmen zu müssen.

Der Erfindung liegt konkret die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die sowohl bei kleinem als auch großem Abwasserzufluß eine Abwasserreinigung in jeweils optimalen Betriebsbereichen ermöglicht; insbesondere, wenn es sich um lange Perioden mit geringem Abwasserzu­ fluß (wie beim Einschicht-Betrieb) und/oder schwerer abbaubare Abwas­ serinhaltsstoffe handelt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Contain­ ment

• 1. sowohl das Prinzip der Rieselfilm-Verfahren
  • - das Abwasser wird vergleichbar einem Tropfkörper über einem Käfig mit darin befindlichen beweglichen Trägermaterialien verrieselt,
• 2. als auch das Prinzip der Belebungsverfahren
  • - das Abwasser wird durch Einstau des Käfigs vergleichbar einer Tauch­ körper-Belebungsanlage sowohl über die sessile Biomasse auf den infolge Gaseintrags schwebenden Trägermaterialien als auch über submerse, suspendierte Mikroorganismen-Lebensgemeinschaften behandelt
• realisiert wird. Die Umschaltung zwischen den Verfahrensprinzipien erfolgt automatisch über eine Abwasserzufluß-Steuerung.

Um die Aufgabe überhaupt erfolgreich lösen zu können, mußten die bei­ den bekannten Verfahrensprinzipien erst einmal in geeigneter Weise auf­ einander abgestimmt werden. Diese Abstimmung erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Festbett-Elemente beweglich sind und über Gaseintrag in Turbulenz bzw. Schwebezustand versetzt werden können. Weiterhin muß ein Schlamm-Wasser-Gemisch vorgehalten werden, das in Zeiten großer Abwasserzuflüsse zur Ergänzung der sessilen Biomasse auf den Trägermate­ rialien als submerse, suspendierte Mikroorganismen-Lebensgemeinschaft verwendet werden kann, aber auch zur Berieselung des Rieselfilmelementes in Zeiten fehlenden Abwasserzuflusses verwendet wird.

Die biologische Behandlung des Abwassers findet erfindungsgemäß vor­ zugsweise in einem als Käfig bezeichneten Reaktionsraum statt, der verhin­ dert, daß die beweglichen Trägermaterialien ausgetragen werden, der aber auch genügend Porenraum aufweist, damit in Zeiten höherer geforderter Stoffwechselleistungen in den freien Porenräumen submerse Mikroorganis­ men-Lebensgemeinschaften den notwendigen Stoffwechsel herbeiführen können.

Der Wechsel zwischen den beiden Verfahrensprinzipien erfolgt automatisch über den Abwasserzufluß, wobei eine Steuerung den Verschluß des tiefer­ liegenden Abflusses und die Kreislaufführung des Schlamm-Wasser-Gemi­ sches vornimmt. Sie gewährleistet aber auch, daß ein ständiges Hin- und Herschalten zwischen den beiden Betriebsweisen über Totzeitschaltungen verhindert wird, daß periodisch das Schlamm-Wasser-Gemisch umgepumpt und je nach Betriebsweise auch Schlamm abgeführt und einer Schlammbe­ handlung zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin dadurch biologisch steuer­ bar, daß über das Gaseintragssystem Turbulenzen und wechselnde aerobe, anoxische und anaerobe Betriebszustände ausgelöst werden können, die die Biofilm-Masse als auch Biofilm-Zusammensetzung auf den Trägern und auch im Schlammsediment im Spitzkesselbereich beeinflussen.

Schließlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht allein auf den aero­ ben Betrieb beschränkt, das Verfahren kann auch total anaerob mit Gas­ umwälzung betrieben werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen auf der Hand: In einfacher Weise können die beiden bekannten Verfahrensprinzipien mit ih­ ren unterschiedlich optimalen Reinigungsfunktionen nebeneinander genutzt werden:

• - In der Praxis kommen über die Betriebszeit verteilt unterschiedlich große Abwassermengen mit unterschiedlichen Konzentrationen von leichter und schwerer abbaubaren Komponenten in die Abwasserreini­ gungsanlage. Dort werden die Inhaltsstoffe an die Biomasse sorbiert.
• - Bei geringen Abwassermengen sorbieren sie allein an den Biofilm auf den Trägern, bei großen Abwassermengen auch an die suspendierte Biomasse, die über den Spitzkessel aufkonzentriert und im Kreis gefah­ ren wird.
• - Die leichter abbaubaren Verbindungen werden überwiegend von den so­ genannten r-Strategen, die zum schnellen Wachstum befähigt sind, ver­ stoffwechselt; die schwerer abbaubaren verbleiben zunächst sorbiert an der Biomasse.
• - Sobald die Betriebsruhe einkehrt - beispielsweise nach einem zehnstündigen Betrieb - schaltet die Steuerung auf Rieselfilmbetrieb um, wo­ durch die Biomasse auf dem Biofilm genügend Zeit bekommt, auch die schwerer abbaubaren Komponenten zu verstoffwechseln.
• - Auch die Biomasse im Sediment des Spitzkessels wird über eine periodi­ sche Rückführung in den Rieselfilmbereich mit Sauerstoff versorgt; da­ neben ist auch ein kombinierter anaerober, anoxischer und aerober Ab­ bau der - auch schwerer abbaubaren - Abwasserinhaltsstoffe möglich.

Diese Fahrweise bietet weiterhin den Vorteil, daß ein Teil der während der Betriebszeiten zugewachsenen Biomasse autoxidiert werden kann, so daß der Schlammanfall sich in Grenzen hält. Letzteres ist jedoch abhängig von der Abwasserreinigungsaufgabe - insbesondere vom Anteil der leicht ab­ baubaren Substanzen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung überwindet somit die Leistungsgrenzen der bekannten Abwasserreinigungsverfahren. Das Prinzip ist äußerst einfach und robust. Die Energiekosten sind vergleichsweise geringer, weil die Be­ lüftung nur dann eingeschaltet wird, wenn große Abwassermengen ankom­ men.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht auch den Betrieb als total anaerobes Reaktionssystem. Die Aufgabe der Durchmischung des Träger­ materials wird dabei durch eine Gaseinpressung des gebildeten Biogases erfüllt.

Anhand Fig. 1 läßt sich die Vorrichtung und das Verfahren im Detail er­ klären:

Das Abwasser strömt über den Zulauf (1) und wird dort in seiner Menge erfaßt (FIC). Über das Verteilernetzwerk (2) wird es über den Käfig [A] in allen Betriebszuständen verrieselt. Bei geringen Abwas­ serzuflüssen und aerober Betriebsweise ist der Käfig [A] mit Umge­ bungsluft versorgt, die in Form eines Kamineffektes von unten nach oben strömt, während das behandelte Abwasser in den Spitzkesselbe­ reich [C] gelangt, in dem es sich von mitgerissenen Biofilm-Fetzen trennt und über den Ablauf (ab I, 7) die Anlage verläßt. Über die angesteuerte oder getaktete Pumpe in der Rückführleitung (4) wird zeitweise das gesamte Schlamm-Wasser-Gemisch aus [C] dem Vertei­ lernetzwerk (2) zugeführt; zeitweise wird Überschußschlamm über die Schlammleitung (5) entnommen. Bei größeren Abwassermengen wird der Ablauf (7) verschlossen und der gesamte Käfig [A] eingestaut; gleichzeitig wird der Raum [B] als zusätzlicher Phasentrenner genutzt, da aufgrund der größeren Abwassermenge auch eine größere Trennflächenbelastung auftritt. Das Abwasser verläßt in diesem Fall die Anlage über den Ablauf (ab II, 6). In dieser Zeit trennen sich die Schlammflocken vom gereinigten Abwasser sowohl im Spitzkesselbe­ reich [C] als auch im zugeschalteten Segment [B]. Registriert der Durchfluß-Controller über eine vorgewählte Zeit niedrigere Zufluß­ mengen, wird der Abfluß (7) so geöffnet, daß das gereinigte Abwas­ ser mit mäßiger Strömung die Vorrichtung auf diesem Wege verläßt und der Wasserspiegel auf das Niveau des Ablaufes ab I in (7) sinkt. Die Zuluft respektive der Gaseintrag über das Röhrengitter (8) wer­ den über einen Kontaktwasserschalter an der Unterkante des Käfigs [A] zu- bzw. abgeschaltet.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung, dadurch gekennzeichnet, daß für den biologischen Stoffumsatz ein biologisch wirksamer Reaktionsraum geschaffen ist, der Trägerma­ terial für den Aufwuchs von Mikroorganismen enthält, das bei ge­ ringen Abwasserzuflußmengen wie ein Rieselfilmreaktor überrieselt wird und das bei zunehmenden Abwasserzuflußmengen wie ein Tauchkörpersystem mit überwiegend suspendierter Biomasse einge­ staut wird.

2. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung in einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der biologisch wirksame Reaktionsraum abhängig von der zufließenden Abwassermenge wie in einem Tropfkörperverfahren mit Rohrreaktorverhalten oder wie in einem Belebungsverfahren mit suspendiertem Trägermaterial mit idealem Mischungsreaktor­ verhalten genutzt wird.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das aus festen, starren und/oder losen, geschütteten Ma­ terialien bestehende, verstopfungsfreie Trägermaterial in einen gitternetzartig begrenzten Raum eingebracht ist und darüber sowie darunter gitterförmig Röhren oder ähnliche Einrichtungen für die Verteilung des Abwasserzustromes bzw. den Eintrag von Gasen an­ geordnet sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß unterhalb des biologisch wirksamen Reaktionsraumes ein Spitzkessel oder spitzkesselartiges System als Sedimenter für die Trennung von Schlamm und behandeltem Abwasser angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß seitlich neben dem biologisch wirksamen Reaktionsraum ein Segment angeordnet ist, dessen unteres Ende in den Spitzkessel mündet.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß im Tropfkörperbetrieb der Ablauf für gereinigtes Abwas­ ser unterhalb des biologisch wirksamen Reaktionsraumes liegt, durch Drosselwirkung des Ablaufes infolge Einstau dieser Ablauf automatisch geschlossen wird und ein Überlauf in Höhe der Ober­ kante des biologisch wirksamen Reaktionsraumes wirksam wird.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß über eine Zulaufwassermengenmessung der tiefer sitzende Ablauf mittels eines Ventils oder einer vergleichbaren Einrichtung geschlossen und der biologisch wirksame Reaktionsraum nebst dem daneben liegenden Segment eingestaut wird.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Erreichen eines festgelegten Wasserspiegelniveaus über dem Röhrengitter durch dieses Druckluft in den biologisch wirksamen Reaktionsraum eingetragen wird.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung nach Kapselung wahlweise anaerob be­ trieben werden kann und die Druckluftanlage durch den Einbau ei­ nes Dreiwegehahnes und eines Biogasverdichters für eine Bio­ gasumwälzung des biologisch wirksamen Reaktionsrauminhaltes ge­ nutzt werden kann.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere gleichartige Vorrichtungen parallel oder sequen­ tiell geschaltet werden können.

11. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung in einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Abwasser bei geringem Abwasserzufluß über der Käfigoberfläche verrieselt wird und auf dem Weg durch den Käfig mit den auf dem Trägermaterial immobilisierten Mikroorganismen in Kontakt kommt, der benötigte Sauerstoff zur Oxidation der Abwasserinhaltsstoffe aus der Umgebungsluft Verwendung findet und die zeitweise von der Oberfläche mit dem abströmenden Abwasser mitgerissenen Biofilmfetzen im Spitzkesselraum sedimentieren, während das gereinigte Abwasser den Behälter über den tiefer sitzenden Ablauf verläßt.

12. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung in einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Abwasser bei Überschreiten einer Grenz-Abwasserzuflußmenge nach Verschluß des tiefer sitzenden Ablaufes, in der Vorrichtung eingestaut wird, ab einem festgelegten Wasserspiegelniveau über dem Be­ lüftersystem eine Druckluftversorgung zugeschaltet und das im Spitzkessel angesammelte Schlamm-Wasser-Gemisch für eine vorge­ wählte Zeit oder für die Dauer des erhöhten Abwasserzuflusses in das Verteilernetzwerk gepumpt wird, während das gereinigte Ab­ wasser den Behälter über den oberen Ablauf verläßt.

13. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung in einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei fehlendem Abwasserzufluß der Spitzkesselinhalt periodisch in das Verteilernetzwerk gepumpt wird.

14. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung in einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der biologisch wirksame Reaktionsraum auch ohne Sauerstoffeintrag dafür mit Gasumwälzung als anaerobes Verfahren betrieben werden kann.