DE4332762C1 - Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Behandlung von organisch belastetem Abwasser und organischem Abfall - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Behandlung von organisch belastetem Abwasser und organischem AbfallInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biologischen Be
handlung von organisch belastetem Abwasser und organischem Abfall. Ziel
derartiger Verfahren ist es, das organische Material unter weitgehender Volu
menreduktion zu niedermolekularen, energiearmen Verbindungen abzubauen
(Mineralisierung), die beispielsweise ins Erdreich oder in die Kanalisation ab
gegeben werden können ohne die Umwelt nennenswert zu belasten. Die Ab
wässer aus Toiletten beispielsweise enthalten im wesentlichen Kohlehydrate,
C-Polymere, Proteine, Amine, Harnstoff, Ammoniak und Salze.
Während die kohlehydrathaltigen Bestandteile unter aeroben Bedingungen
durch Mikroorganismen zu Kohlendioxid und Wasser zersetzbar sind, werden
die reduzierten Stickstoffverbindungen von nitrifizierenden Mikroorganismen im
wesentlichen zu Wasser und Nitrat abgebaut. Die bei derartigen aeroben Ab
bauprozessen erhaltene Flüssigkeit enthält demgemäß erhebliche Mengen an
Nitrat. Ihre Einleitung in Flüsse oder Seen führt zu einer Nitrat-Überdüngung
mit unerwünschten Folgeerscheinungen wie gesteigertes Algenwachstum. Da
Nitrationen nur schlecht im Boden festgehalten und dementsprechend leicht
von Regenwasser aus den oberflächennahen Bodenschichten ausgewaschen
werden können, gefährdet die Ausbringung beispielsweise auf Ackerflächen
das Grundwasser.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen eine zusätzliche anoxische Abbaustufe
vorhanden ist, um wenigstens einen Teil des Nitrats durch denitrifizierende Mi
kroorganismen in unschädlichen elementaren Stickstoff umzuwandeln. Aus der
US-PS 4 210 528 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Abwasser von Toi
letten zusammen mit den darin enthaltenen Feststoffanteilen in eine erste anoxische
Abbaustufe geführt und anschließend einer aeroben Behandlung
unterzogen wird. Die Flüssigkeit aus der aeroben Stufe wird bei diesem Ver
fahren gefiltert, über ein Aktivkohlebett geleitet und als Spülwasser für die Toi
letten verwendet. Auf diese Weise gelangt das nitrathaltige Wasser in
die anoxische Abbaustufe und steht dort den denitrifizierenden Bakterien als
Sauerstofflieferant für deren respiratorischen Stoffwechsel zur Verfügung.
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens bzw. der bekannten Vorrichtung liegt
darin, daß der Feststoffanteil, der den Hauptteil des abzubauenden organischen
Materials ausmacht, ausschließlich unter anoxischen Bedingungen abgebaut
wird. Mit dem Begriff anoxisch werden Biozönosen umschrieben, in deren
Umgebung zwar chemisch gebundener Sauerstoff, z. B. in Form von Nitrat, je
doch kein gelöster Sauerstoff vorhanden ist. Der Abbau unter den genannten
Bedingungen erfolgt durch Mikroorganismen, die ihren Sauerstoffbedarf durch
Reduktion des Nitrats decken. Dieser Vorgang wird allgemein als Denitrifikation
bezeichnet. Der Abbau bei dem bekannten Verfahren ist somit von der Anwe
senheit von Nitrat abhängig. Um einen vollständigen Abbau zu erreichen,
müßte der Anteil an Stickstoffverbindungen Werte erreichen, die in üblichen und
vor allem in kommunalen Abwässern nicht gegeben sind. Die Folge ist, daß
nach dem Verbrauch der Stickstoffverbindungen Sulfatreduktion und anaerobe
Abbauvorgänge einsetzen. Neben der damit verbundenen Entwicklung von
Schwefelwasserstoff ist vor allen Dingen nachteilig, daß die anaeroben Zer
setzungsvorgänge wesentlich langsamer ablaufen. Es sind also sehr lange
Verweilzeiten bzw. große Reaktionsräume nötig, um eine ausreichende Ab
baurate zu erreichen. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht
darin, daß die Rückführung nitrathaltiger Flüssigkeit aus der aeroben Ab
baustufe in die anoxische an die Benutzung der Toiletten gekoppelt ist. Eine
länger andauernde Nichtbenutzung der Toilette führt einerseits zu einem Ni
tratmangel in der anoxischen Stufe und zu einer Zunahme von anaeroben
Abbauvorgängen, deren Endprodukte Gase wie Methan, Schwefelwasserstoff
und Mercaptane sind. Diese Gase gelangen in die Umwelt und tragen, abge
sehen davon, daß sie stark geruchsbelästigend sind, u. a. zur Zerstörung der
Ozonschicht bei. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin,
daß die in die anoxische Abbaustufe eingeführten Feststoffanteile zerkleinert
werden müssen, um vertretbare Abbauraten erreichen zu können. Zu diesem
Zweck sieht die bekannte Vorrichtung ein intermittierend motorisch angetrie
benes Rührwerk vor, das Energie verbraucht und störanfällig ist.
Auf der anderen Seite ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem in einem
korbartigen Gebilde feste Anteile zurückgehalten werden, um dort aerob ab
gebaut zu werden. Der Nachteil dieses aus der EP 0 165 067 A2 bekannten
Verfahrens ist darin zu sehen, daß die festen Anteile kaum durchfeuchtet wer
den und daß ein aerober Abbau nur ausschließlich an der Oberfläche erfolgen
kann. Für die Reinigung der flüssigen Anteile, für die in der EP 0 165 067 A2 noch kein biologisches Stickstoff-Eliminationsverfahren angegeben ist, böte
sich eines der in Korrespondenz Abwasser 34 (1987), Seiten 77 bis 85 und
168 bis 171 üblichen Verfahren an, der Abbau der festen Anteile bliebe aber
unbefriedigend.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur biologischen Behandlung von organisch belasteten Abwässern
und organischen Abfällen vorzusehen, welche die Nachteile des Standes der
Technik nicht aufweisen und für mobile Toiletten-Anlagen geeignet sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bei dem er
findungsgemäßen Verfahren wird der Feststoffanteil beispielsweise von Toilet
tenabwässern oder organischem Naßmüll aus Küchen etc. abgetrennt und in
einer ersten Abbaustufe (bzw. Kompartiment) unter vorwiegend aeroben Be
dingungen zersetzt. Der flüssige Anteil wird in ein sich anschließendes zweites
Kompartiment geleitet, in dem nach Aufzehrung noch vorhandenen Sauer
stoffs überwiegend ein anoxischer Abbau stattfindet. Nach dem Durchlaufen
dieser Abbaustufe wird die Flüssigkeit schließlich in ein drittes Kompartiment
bzw. Abbaustufe geleitet, in dem aerobe Bedingungen herrschen. Zur Erhö
hung der Abbauraten sind nach Anspruch 2 zumindest in der zweiten und drit
ten Stufe biologisch aktive Trägerstrukturen vorhanden, die den Mikroorganis
men als Aufwuchsflächen dienen. Die Flüssigkeit aus der dritten Stufe wird zur
Aufrechterhaltung einer stetigen Umwälzung in die erste Stufe zurückgeführt.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die in relativ
großen Mengen anfallenden Feststoffe vorwiegend aerob und damit beschleu
nigt und praktisch ohne Entwicklung von Gasen wie Methan und Schwe
felwasserstoff, wie dies bei anaeroben Abbauvorgängen der Fall ist, abgebaut
werden. Die stetig aus dem dritten Kompartiment zurückgeführte nitrat- und
sauerstoffhaltige Flüssigkeit wird nicht wie bei bekannten Verfahren
(Belebungsverfahren mit getrennt vorgeschalteter Denitrifikation - Korr. Ab
wasser a.a.O.) in eine anoxische Vorstufe geleitet sondern gelangt auf die dort
vorhandene Feststoffansammlung und durchfeuchtet sie. Dadurch werden
aufgrund des Sauerstoffgehaltes der Flüssigkeit aerobe Stoffwechselvorgänge
in den oberflächennahen Bereichen der Feststoffansammlung unterstützt. Die
Flüssigkeit dringt auch in oberflächenferne Schichten der Feststoffansammlung
ein. Darin enthaltenes Nitrat wird dort zu elementaren Stickstoff reduziert
(Denitrifikation). Auf diese Weise werden Methan und Schwefelwasserstoff er
zeugende Stoffwechselvorgänge unterdrückt. Die in die erste Abbaustufe zu
rückgeführte Flüssigkeit wird dort mit löslichen Abbauprodukten wie Zucker und
Fettsäuren angereichert und gelangt in das zweite Kompartiment. Hier findet
dann eine Denitrifikation des Nitrats statt, d. h. die denitrifizierenden Mikroorga
nismen bzw. Denitrifikanten entziehen nach Aufzehren von noch vorhandenem
Sauerstoff den zur "Veratmung" von C-Verbindungen notwendigen Sauerstoff
dem Nitrat-Ion.
In der dritten Stufe findet schließlich ein aerober Abbau von C-Verbindungen
zu Kohlendioxid und Wasser sowie eine Nitrifikation von N-Verbindungen, d. h.
eine Oxidation zu Nitrat, statt. Aufgrund der ständigen Umwälzung werden da
mit Stickstoffverbindungen zu elementarem
Stickstoff abgebaut. Im Endeffekt wird also praktisch der gesamte, in Form or
ganischer Verbindungen gebundene Stickstoff in elementaren gasförmigen
Stickstoff umgewandelt und aus dem Abbaukreislauf ausgeschleust.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß der
Feststoffabbau in einer separaten Stufe unter erheblicher Volumenreduktion
stattfindet. Dies schon alleine deshalb, weil ein Teil des Wassergehaltes der
Feststoffe, der bei Pflanzenmaterial bis zu 98% beträgt, verdunsten kann. Die
Verdunstung des Wassers wird durch die aufgrund der Stoffwechselvorgänge
der Mikroorganismen erhöhte Temperatur in der Feststoffansammlung noch
unterstützt. Bei den Verfahren nach dem Stande der Technik, bei denen der
Feststoffanteil in der Flüssigphase suspendiert ist, ist dies nicht möglich. Ein
weiterer Grund für die starke Volumenreduktion liegt darin, daß als Endprodukte
der aeroben Abbauvorgänge gasförmiges Kohlendioxid und Wasser entstehen,
wobei zumindest ein Teil des Wassers ebenfalls verdunstet.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß nicht
abbaubare, beispielsweise über die Toilette eingeschleuste Fremdkörper,
schon in der ersten Stufe, wo sie praktisch weiter nicht stören, zurückgehalten
werden. Derartige Fremdkörper können nämlich bei mit Feststoffsuspensionen
arbeitenden Verfahren Filter und biologisch aktive Trägerstrukturen verstopfen.
Dies kann im Extremfall zum Stillstand einer Anlage führen. Ein weiterer Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt schließlich darin, daß der Anfall von
Schlamm in der Flüssigphase, also in den Kompartimenten 2 und 3, gegenüber
mit Feststoffsuspensionen arbeitenden Verfahren erheblich geringer ist. Er
höhte Schlammentwicklung kann zur Verstopfung von Filtern und Trägerstruk
turen führen und hat einen erhöhten Wartungs- und Reinigungsaufwand zur
Folge.
Durch die Maßnahme gemäß Anspruch 3 wird zum einen gewährleistet, daß die
Mikroorganismen stets eine ausreichende Menge an Spurenelementen zur
Verfügung haben. Solche Spurenelemente wie Calzium, Magnesium, Kobalt,
Nickel und Eisen (Mikroelemente) werden von den Bakterien u. a. zum Aufbau
körpereigener Substanzen benötigt. Diese Maßnahme trägt also dazu bei, daß
die Mikroorganismen optimale Bedingungen vorfinden, was sich in einer
gesteigerten Vermehrungs- und damit Abbaurate auswirkt. Zum anderen wei
sen die Mineralstoff- bzw. Aktivkohleteilchen aufgrund ihrer Porosität eine
große innere Oberfläche auf, die den Mikroorganismen als zusätzliche Auf
wuchsfläche dienen kann. Aktivkohleteilchen weisen darüber hinaus die weiter
unten genannten Vorteile auf.
Die dem Anspruch 4 zugrundeliegende Lehre hat mehrere Vorteile. Zum einen
dient die Aktivkohleschüttung als "Kohlenstoff-Speicher". Sie hat nämlich die
Eigenschaft, Kohlenstoffverbindungen zu adsorbieren. Dies hat den Effekt, daß
die in der anoxischen Abbaustufe vorhandenen Denitrifikanten stets auf ein
Kohlenstoff- und Energiereservoir zurückgreifen können. Dieser Effekt kommt
insbesondere dann zum Tragen, wenn längere Zeit kein neues organisches
Material dem System zugeführt wird. Ein weiterer Vorteil der Aktivkohle-
Schüttung liegt darin, daß sie gewissermaßen als "Puffer" für Belastungs
schwankungen wirkt. Bei starker Belastung wird nämlich ein Teil der gelösten
organischen Verbindungen adsorptiv zurückgehalten und Belastungsspitzen in
der sich anschließenden aeroben dritten Abbaustufe verhindert. Dort laufen
zwei um Sauerstoff konkurrierende Vorgänge, nämlich einerseits der oxidative
Abbau von Kohlenstoffverbindungen und andererseits die Nitrifikation von N-
Verbindungen ab. Eine starke Erhöhung der Konzentration an abbaubaren
Kohlenstoffverbindungen hemmt naturgemäß die parallel ablaufende Ni
trifikation. Dies würde zu einer Verringerung der Nitratkonzentration und letzlich
zu einer Hemmung der Denitrifikation im Kompartiment 2 führen.
Schließlich ist es auch vorteilhaft, daß die Aktivkohle-Schüttung gleichzeitig als
biologische Trägerstruktur, d. h. als Aufwuchsmaterial für die Mikrooranismen
dient. Nach Anspruch 5 werden in vorteilhafter Weise die Maßnahmen gemäß
Anspruch 3 und 4 kombiniert.
Die Lehre des Anspruches 6 gewährleistet, daß bei der biologischen Behand
lung von Toilettenabwasser kein zusätzliches Wasser durch die Spülung in das
System gelangt. Dies würde zum einen zu einer Verringerung der Verweildauer
führen bzw. hätte zur Folge, daß entsprechend größere Reaktionsräume zur
Verfügung stehen müßten. Zum anderen müßte zur Toilettenspülung wertvolles
Trinkwasser verwendet werden.
Die Maßnahme gemäß Anspruch 7 bewirkt, daß die aus der Abbaustufe 3
abgezogene und zum Spülen der Toiletten verwendete bzw. an die Umwelt
abgegebene Flüssigkeit in hygienisch einwandfreiem Zustand ist. Besonders
vorteilhafte Möglichkeiten zur Entkeimung sind in Anspruch 8 genannt. Der
Vorteil einer UV-Behandlung liegt insbesondere darin, daß sie sehr effektiv ist,
einen geringen Energiebedarf aufweist und sehr wartungs- und umweltfreund
lich ist. Es sind aber auch Verfahren wie Pasteurisierung oder anodische Oxi
dation einsetzbar.
Nach Anspruch 9 kann die Filtration und Entkeimung durch eine Cross-Flow-
Filtration erreicht werden. Dieses Verfahren ist im Gegensatz zu konventionel
len Filterverfahren, bei denen die Filter immer wieder gereinigt bzw. ausge
tauscht werden müssen, praktisch wartungsfrei. Je nach Art der eingesetzten
Membranfilter kann eine Mikro- oder Ultrafiltration erreicht werden. Im letztge
nannten Fall können sogar kleinste Mikroorganismen, wie Viren, aus der zur
Toilettenspülung verwendeten oder an die Umwelt abgegebenen Flüssigkeit
herausgefiltert werden.
Da Aktivkohle ein hydrophobes Adsorbens ist, werden daran hauptsächlich
unpolare Verbindungen oder solche mit hydrophoben Gruppen adsorbiert, wie
aus den Fäkalien und aus Küchenabfällen stammende Fette, Fettsäuren und
Öle. Diese Verbindungen werden somit an der Oberfläche der Aktivkohle kon
zentriert, wodurch sich dort eine auf den Abbau dieser Verbindungen speziali
sierte Flora ausbildet. Die Folge ist ein effektiverer Abbau dieser Verbindungen.
Kommunale Abwässer enthalten im Gegensatz zu Toilettenabwasser und or
ganischen Abfällen nicht unerhebliche Mengen an relativ schwer abbaubaren
waschaktiven Substanzen und Konservierungsmitteln, also Tenside und Stoffe
wie etwa chlorierte Aromaten, Formaldehyd, Aromaten, Benzoe- und Sorbin
säure. Auch diese Verbindungen werden bevorzugt an Aktivkohle adsorbiert.
Durch die Einschaltung eines weiteren aeroben Kompartiments mit Aktivkoh
leschüttung zwischen dem zweiten, anoxischen und dem dritten, aeroben
Kompartiment gemäß den Ansprüchen 10, 11 und 33 bis 35 wird ein Abbau
raum geschaffen, in dem sich eine auf den Abbau der genannten Verbindungen
spezialisierte Biozönose ausbilden kann. Die Adsorption an der Aktivkohle be
wirkt, wie bereits oben erwähnt, eine Konzentrierung der schwer abbaubaren
Verbindungen und damit eine Erhöhung der Effektivität des Abbaus. Ein weite
rer Vorteil der genannten Maßnahmen besteht darin, daß durch die Adsorption
die Aufenthaltszeit im Kompartiment verlängert wird. Dies wiederum wirkt sich
positiv auf die Ansiedelung und Vermehrung spezialisierter Mikroorganismen
aus. Die genannten Verbindungen werden in dem zwischengeschalteten
Kompartiment zurückgehalten und abgebaut. Sie gelangen deshalb nicht oder
nur in geringem Ausmaß in das nachfolgende aerobe Kompartiment. Die dort
angesiedelten Mikroorganismen sind daher vor der Tensid- und Kohlenwas
serstofffracht des Abwassers geschützt. Durch die Zwischenschaltung eines
weiteren Kompartiments gemäß den Ansprüchen 10 und 11 werden also zwei
aerobe Abbauräume mit unterschiedlicher Flora geschaffen, wobei in dem
zwischengeschalteten Kompartiment die schwer abbaubare Schmutzfracht des
Abwassers zurückgehalten und durch spezialisierte Mikroorganismen abgebaut
wird.
In Anspruch 13 ist eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete Vorrichtung angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus
den Ansprüchen 14 bis 36 hervor. In Anspruch 14 ist eine Anordnung der
Kompartimente angegeben, die insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn eine
erfindungsgemäße Vorrichtung in Einrichtungen mit knapper Nutzfläche,
beispielsweise Reisezugwagen oder Wohnmobile, eingebaut werden soll.
Das in Anspruch 15 angegebene Kunststoff-Sintermaterial läßt sich einfach
und kostengünstig herstellen. Es eignet sich auch sehr gut dafür, poröse Teil
chen aus Mineralstoffen und/oder Aktivkohle, wie in Anspruch 16 angegeben, in
einfacher Weise mit einzusintern. Die Vorteile einer solchen Maßnahme wurden
bereits weiter oben beschrieben.
Durch Anspruch 20 ist gewährleistet, daß das zweite Kompartiment und die
darin befindlichen Trägerstruktur und Aktivkohle-Schüttung stets mit Flüssigkeit
überflutet sind. Dadurch können strikte anoxische Bedingungen aufrecht erhal
ten werden.
Die Ansprüche 21 bis 24 geben vorteilhafte Ausgestaltungen des im ersten
Kompartiment angeordneten Filters an. Insbesondere die Ausgestaltung nach
Anspruch 24 hat, wie bereits oben erwähnt, den Vorteil, daß die im Filter ein
gebetteten porösen Teilchen aus Mineralstoffen ein Depot für Spurenelemente
bilden, auf das die den Feststoffanteil abbauenden Mikroorganismen zu
rückgreifen können. Die eingelagerten porösen Teilchen haben darüber hinaus
den Vorteil einer großen inneren Oberfläche und können daher neben den
Kunststoff-Sinterteilchen zur Immobilisierung von Mikroorganismen dienen.
Gleiches gilt für gemäß Anspruch 24 im Sintermaterial eingelagerte Aktivkohle
teilchen.
Im dritten Kompartiment sind gemäß Anspruch 25 Mittel zum Einblasen von Luft
vorgesehen, um in der Flüssigkeit einen ausreichend hohen Sauerstoffgehalt
aufrecht zu erhalten. Nach Anspruch 26 wird die aus der Flüssigkeit im
Kompartiment 3 entweichende Luft vorteilhafterweise zur Unterstützung des
aeroben Feststoffabbaus im Kompartiment 1 verwendet. Besonders effektiv ist
diese Maßnahme, wenn die Luft innerhalb der Feststoffansammlung möglichst
gleichmäßig verteilbar ist.
Die Erfindung wird nun anhand von in den beigefügten Zeichnungen darge
stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in
schematischer Darstellung,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrich
tung in schematischer Darstellung,
Fig. 3 eine schematisierte Teilansicht einer erfindungsgemäßen Vorrich
tung mit einer vorteilhaften Ausgestaltung der biologisch aktiven
Trägerstrukturen im dritten Kompartiment,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit integrierter Toilette, in schematisierter
Darstellung,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit integrierter Toilette und einer Cross-
Flow-Filtration in schematisierter Darstellung,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 4 mit einem zusätzli
chen aeroben Kompartiment,
Fig. 7 und 8 ein Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 mit alternativen Relativ-
Anordnungen der Kompartimente.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung insge
samt 3 Kompartimente (1, 2, 3) die zusammen einen Bioreaktor 4 bilden. Das
zuoberst angeordnete Kompartiment 1 steht mit der Außenluft in Verbindung
und ist für einen aeroben Abbau ausgelegt. Das darunter angeordnete
Kompartiment 2 dient für einen anoxischen und das unterste Kompartiment 3
schließlich wiederum für einen aeroben Abbau. Zwischen den Kompartimen
ten 1 und 2 ist eine horizontal verlaufende Trennwand 5 angeordnet, die
flüssigkeitsdurchlässig ist. Im Kompartiment 1 ist ein nach oben offener Filter
korb 6 angeordnet, der zum Abtrennen der Feststoffanteile aus dem der Vor
richtung zugeführten Abwasser dient. Die Feststoffanteile setzen sich im Fil
terkorb 6 nach Art eines Filterkuchens 7 ab. Der Filterkorb weist vertikale Sei
tenwände 8 und einen horizontal verlaufenden Boden 9 auf. In der einfachsten
Ausführungsform können die Seitenwände 8 und der Boden 9 aus einem
Drahtgeflecht bestehen. Es ist aber auch vorgesehen, zumindest den Boden 9
aus einem Kunststoff-Sintermaterial herzustellen. Als Kunststoff kommt bei
spielsweise Polyethylen in Betracht. Ein derartiges Sintermaterial wird durch
Zusammensintern der Kunststoffteilchen erhalten. Dabei entsteht ein von
Hohlräumen bzw. Poren durchsetztes Material. Derartige Materialien werden in
anderen technischen Bereichen beispielsweise als Luftfilter eingesetzt. Eine
weitere Ausgestaltungsmöglichkeit für den Filterkorb 6 besteht darin, eine
Schicht aus dem genannten Sintermaterial auf den Drahtgeflechtboden 9 des
Filterkorbes 6 aufzulegen. Schließlich ist es auch denkbar, den gesamten Fil
terkorb 6 aus einem Kunststoff-Sintermaterial herzustellen. Im Kunststoff-Sin
termaterial können Mineralstoff- und/oder Aktivkohle-Teilchen eingelagert sein.
Derartige Teilchen sind porös und stellen zusätzliche Aufwuchsfläche für Mi
kroorganismen zur Verfügung. Darüber hinaus fungieren die Mineralstoffteil
chen als Depot für Spurenelemente.
Es ist auch denkbare anstelle des einen zwei Filterkörbe zu verwenden und
nacheinander zu beschicken. Dasselbe könnte auch mit einem in zwei Hälften
unterteilten Filterkorb erreicht werden. Schließlich ist es auch möglich, den
Filterkorb auswechselbar im Kompartiment 1 anzuordnen. Dies hätte den Vor
teil, daß er bei der turnusmäßigen Reinigung der Vorrichtung ganz einfach ge
gen einen gereinigten Filterkorb ausgewechselt werden könnte.
Unterhalb des aeroben Kompartiments 1 ist das Kompartiment 2 angeordnet,
in dem anoxische Abbaubedingungen herrschen. Im unteren Teil 10 des
Kompartiments 2 ist als biologisch aktive Trägerstruktur eine sich praktisch
über dessen gesamte Querschnittsfläche erstreckende Schüttung 11 aus Ak
tivkohlekörnern angeordnet. In dem sich über der Aktivkohleschüttung 11 be
findlichen Restraum des Kompartiments 2 ist eine sich ebenfalls praktisch über
die gesamte Querschnittsfläche des Kompartiments erstreckende und im we
sentlichen parallel zum Boden 9 des Filterkorbes verlaufende Schicht aus einer
biologisch aktiven Trägerstruktur 12 angeordnet, die im wesentlichen aus einem
Polyethylen-Sintermaterial besteht. In dieses Sintermaterial sind Teilchen aus
porösen Mineralstoffen, wie Blähton, Schlacke oder Tuffgestein, eingelagert.
Daneben können auch Aktivkohleteilchen eingelagert sein. Die Funktion dieses
Filters und der darin eingelagerten Teilchen wird weiter unten beschrieben.
Das Kompartiment 2 ist vom darunter angeordneten Kompartiment 3 durch eine
gas- und flüssigkeitsdichte Trennwand 13 abgetrennt. Die Verbindung zwi
schen den beiden Kompartimenten wird durch ein im Kompartiment 2 ange
ordnetes und mit dem Kompartiment 3 verbundenes Überlaufrohr 14 gewähr
leistet. Dieses Überlaufrohr 14 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte
Höhe des Kompartiments 2, so daß die darin befindlichen Aktivkohleschüttung
11 und Trägerstruktur 12 mit Flüssigkeit überstaut sind. Im Kompartiment 3 sind
ebenfalls biologisch aktive Trägerstrukturen 15 angeordnet. Diese sind in Form
von vertikal verlaufenden, parallel zueinander angeordneten und sich im we
sentlichen über die gesamte Breite des Kompartiments 3 erstreckenden Wän
den ausgebildet. Die vertikale Ausdehnung der Trägerstrukturen 15 ist etwas
geringer als die lichte Höhe des Kompartiments 3. Zwischen den oberen Stirn
seiten der Trägerstrukturen 15 und der Trennwand 13 ist somit ein Zwischen
raum vorhanden, der einen Flüssigkeitsstrom zuläßt. Die Trägerstrukturen 15
bestehen ebenfalls aus einem Polyethylen-Sintermaterial, in das Mineralstoff-
und/oder Aktivkohle eingelagert sind. Am Boden 16 des Kompartiments 3 sind
Belüftungsmittel 17 angeordnet. Diese können beispielsweise in Form von
Rohren ausgebildet sein, die zwischen den Trägerstrukturen 15 angeordnet und
an ihrer Oberseite perforiert sind. In die Rohre eingeblasene Luft tritt durch die
Perforierung der Rohre aus und löst sich zum Teil in der Flüssigkeit. Die
überschüssige, sich unterhalb der Trennwand 13 sammelnde Luft ist durch eine
Öffnung (nicht dargestellt) im Kompartiment 3 abführbar.
In dem an den Boden 16 angrenzenden unteren Bereich der Seitenwand 18
des Kompartiments 3 ist eine Abflußöffnung 19 vorhanden, die mit einer Um
wälzleitung 20 verbunden ist. Die Umwälzleitung 20 ist nach oben in das
Kompartiment 1 geführt und mündet dort. Zur Aufrechterhaltung eines Umwälz-
Flüssigkeitsstroms ist in der Umwälzleitung 20 eine Umwälzpumpe 21 ange
ordnet. Von der Umwälzleitung 20 zweigt eine Auslaßleitung 22 ab, mit der bei
Erreichen einer bestimmten Füllstandshöhe im Kompartiment 3 Flüssigkeit aus
dem Kompartiment 3 abgelassen werden kann. Zu diesem Zweck weist die
Auslaßleitung 22 ein Ventil 23 auf, das über einen Füllstandssensor im Kom
partiment 3 (nicht dargestellt) angesteuert ist. Zwischen dem Ventil 23 und der
Auslaßleitung 22 ist außerdem eine Hygienisierungs- und Filtereinheit 24
zwischengeschaltet.
Anhand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels wird nun die Arbeits
weise des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert:
Das beispielsweise einer oder mehreren Toiletten entstammende Abwasser wird über eine Zulaufleitung (nicht dargestellt) dem Kompartiment 1 zugeführt. In dem darin angeordneten Filterkorb 6 wird der Feststoffanteil des Abwassers (Fäkalien, Toilettenpapier etc.) zurückgehalten, wodurch sich mit fortschrei tender Betriebsdauer eine Feststoff-Ansammlung nach Art eines Filterku chens 7 aufbaut. Die aus dem Kompartiment 1 ablaufende Flüssigkeit gelangt zunächst in das Kompartiment 2 und dann über das Ablaufrohr 14 in das Kompartiment 3. Das Kompartiment 1 steht mit der Umwelt in Verbindung, so daß ein Zutritt von Luftsauerstoff zur Aufrechterhaltung von aeroben Bedin gungen gewährleistet ist. Wie weiter unten noch gezeigt wird, kann zur Unter stützung des aeroben Abbaus insbesondere im Falle von größeren Feststoff mengen eine Zwangsbelüftung des Filterkuchens 7 erfolgen.
Das beispielsweise einer oder mehreren Toiletten entstammende Abwasser wird über eine Zulaufleitung (nicht dargestellt) dem Kompartiment 1 zugeführt. In dem darin angeordneten Filterkorb 6 wird der Feststoffanteil des Abwassers (Fäkalien, Toilettenpapier etc.) zurückgehalten, wodurch sich mit fortschrei tender Betriebsdauer eine Feststoff-Ansammlung nach Art eines Filterku chens 7 aufbaut. Die aus dem Kompartiment 1 ablaufende Flüssigkeit gelangt zunächst in das Kompartiment 2 und dann über das Ablaufrohr 14 in das Kompartiment 3. Das Kompartiment 1 steht mit der Umwelt in Verbindung, so daß ein Zutritt von Luftsauerstoff zur Aufrechterhaltung von aeroben Bedin gungen gewährleistet ist. Wie weiter unten noch gezeigt wird, kann zur Unter stützung des aeroben Abbaus insbesondere im Falle von größeren Feststoff mengen eine Zwangsbelüftung des Filterkuchens 7 erfolgen.
In den oberflächennahen Bereichen des Filterkuchens 7 bzw. in den Bereichen,
die in der Nähe von den (weiter unten beschriebenen) Zwangsbelüftungsmittel
(Luftverteiler 26 in Fig. 2) liegenden Bereichen herrschen aerobe Bedingungen
vor. Hier findet im wesentlichen ein oxidativer Abbau von organischen Kohlen
stoff- und Stickstoffverbindungen (Kohlenhydrate, Fette, Proteine) statt. Beide
Vorgänge lassen sich exemplarisch durch folgende vereinfachte Summenfor
meln darstellen:
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O (I)
Ammonifikation:
R-NH₂ + 2 H₂O → NH₄⁺ + R-OH + OH- (II)
NH₂-CO-NH₂ + 3 H₂O → CO₂ + 2 NH₄⁺ + 2 OH- (III)
Nitrifikation:
2 NH₄⁺ + 3 O₂ → NO₂- + 2 H₂O + 4 H⁺ (IV)
2 NO₂- + O₂ → 2 NO₃- (V)
Die Summengleichungen IV und V stellen die bei der sog. Nitrifikation ablau
fenden Vorgänge dar. Der erste Reaktionsschritt gemäß IV wird z. B. von Nitro
somonas und der zweite gemäß V z. B. von Nitrobacter durchgeführt.
In tieferliegenden, nicht mit Sauerstoff versorgten Schichten, finden anaerobe
und anoxische Abbauvorgänge statt, die sich am Beispiel Glucose vereinfacht
etwa wie folgt wiedergeben lassen:
C₆H₁₂O₆ → 3 CO₂ + 3 CH₄ (minimal) (VI)
C₆H₁₂O₆ → Fettsäure, Alkohole, Ketone (VII)
Denitrifikation:
Fettsäuren, Alkohole, Ketone + NO₃- → N₂ + CO₂ + H₂O (VIII)
Das durch die Denitrifikation (VIII) in den anaeroben Zonen des Filterkuchens
zu Stickstoff umgewandelte Nitrat stammt hauptsächlich aus der mittels der
Umwälzleitung 20 dem Kompartiment 1 zugeführten Flüssigkeit aus Komparti
ment 3 und zum Teil aus der Nitrifikation in den aeroben Zonen des Filterku
chens 7. Aufgrund der Anwesenheit von Nitrat ist die Methanbildung gemäß VI
zugunsten der Denitrifikation zurückgedrängt.
Im Kompartiment 2 herrschen anoxische Bedingungen vor. Die Flüssigkeit in
diesem Kompartiment enthält im wesentlichen Nitrat und organische C-Ver
bindungen, die teils aus dem zugeführten Toiletten-Abwasser, teils aus den im
Feststoff-Kompartiment 1 ablaufenden Abbauvorgängen stammen. Unter den
vorherrschenden anoxischen Bedingungen erfolgt ein Abbau von Nitrat/Nitrit zu
elementarem Stickstoff (Denitrifikation). Der gasförmige Stickstoff wird über
eine Öffnung im Kompartiment 2 (nicht dargestellt) nach außen geführt. Bei der
Denitrifikation, die wegen der Parallelität zur Sauerstoff-Atmung auch als
"Nitrat-Atmung" bezeichnet wird, dient das Nitrat-Ion als Sauerstoff-Lieferant
bzw. als terminaler Wasserstoff-Akzeptor. Die bei der "Veratmung" von Verbin
dungen wie Fettsäuren, Alkoholen oder Zuckern ablaufenden Abbauvorgänge
lassen sich vereinfacht etwa wie folgt wiedergeben:
Organische Fettsäuren, Zucker, etc. + NO₃- → CO₂ + N₂ + H₂O (IX)
CH₃-COOH + HNO₃ → 2 CO₂ + 1/2 N₂ + H₂O (X)
5CH₃-CH₂-COOH + 14HNO₃ → 15CO₂ + 7N₂ + 22H₂O (XI)
C₆H₁₂O₆ → 3 CO₂ + 3 CH₄ (minimal) (XII)
Die Methanbildung ist auch in diesem Kompartiment äußerst gering und prak
tisch vernachlässigbar.
Die im Kompartiment 2 angeordnete Aktivkohleschüttung 11 und die sich dar
über befindliche Trägerstruktur 12 haben mehrere Funktionen. Sie dienen zum
einen als Aufwuchsmaterial für Mikroorganismen, d. h. ihre äußere und zumin
dest teilweise auch innere Oberfläche überzieht sich nach einiger Gebrauchs
dauer mit einem Bakterienrasen. Die Aktivkohleschüttung 11 hat darüber hin
aus noch die Funktion eines "Kohlenstoff-Puffers". Aus dem Filterkuchen 7
herausgelöste organische C-Abbauprodukte bzw. im zugeführten Abwasser
enthaltene lösliche organische C-Verbindungen und Farbstoffe aus Fäkalien
oder aromatische und aliphatische Kohlenwasserstoffe werden durch die Ak
tivkohleschüttung 11 adsorptiv zurückgehalten. Die Aktivkohle hat nämlich die
Eigenschaft, unpolare bzw. hydrophobe Verbindungen oder solche mit hydro
phoben Gruppen zu adsorbieren, sie lädt sich gewissermaßen mit diesen Ver
bindungen auf. Damit werden zwei Effekte erreicht. Zum einen wird verhindert,
daß im Falle von Belastungsspitzen, d. h. also größeren Mengen an zugeführ
tem Abwasser bzw. stark belastetem Abwasser, die Konzentration der ge
nannten organischen C-Verbindungen im Kompartiment 3 zu sehr ansteigt. In
diesem Kompartiment laufen nämlich, wie später noch gezeigt wird, zwei un
terschiedliche um Sauerstoff konkurrierende Reaktionen ab, nämlich der oxida
tive Abbau von organischen Kohlenstoffverbindungen und parallel dazu die
nach der Mineralisierung von organischen Stickstoffverbindungen ablaufende
Nitrifikation. Naturgemäß würde die erstgenannte Reaktion mit zunehmender
Konzentration der organischen Kohlenstoffverbindungen bevorzugt ablaufen,
während die Nitrifikation entsprechend gehemmt wäre. Ein zweiter Effekt der
"Pufferwirkung" liegt darin, daß im Falle eines länger ausbleibenden Abwasser
nachschubs in das Kompartiment 1 eine Verarmung an kohlenstoffhaltigen
organischen Verbindungen kompensiert wird. Die Denitrifikanten können also
auf die an der Aktivkohle adsorbierten Kohlenstoffverbindungen zurückgreifen
und eine optimale Umsetzung von Nitrat zu elementarem Stickstoff gewährlei
stet.
Im dritten Kompartiment 3 herrschen wieder aerobe Bedingungen vor, die durch
Einblasen von Luft (Belüftungsmittel 17) aufrechterhalten werden. Es laufen,
ähnlich wie in den aeroben Bereichen des Filterkuchens 7 zwei unter
schiedliche Abbauvorgänge ab. Im Einlaufbereich, d. h. also in dem Bereich in
der Nähe der Mündung des Überlaufrohres 14 findet bevorzugt ein oxidativer
Abbau des in der Flüssigkeit noch vorhandenen Restanteils an organischen
Verbindungen statt. In den weiter vom Überlaufrohr 14 entfernten Bereichen
überwiegt dagegen die Nitrifikation. Die Trägerstrukturen 15 des Komparti
ments 3 dienen als Aufwuchsmaterial für Mikroorganismen.
Die in den Trägerstrukturen 12, 15 bzw. ganz allgemein in das Polyethylen-
Sintermaterial eingelagerten Mineralstoff- und/oder Aktivkohle-Teilchen be
wirken, wie bereits weiter oben erwähnt, aufgrund ihrer inneren Oberfläche eine
Vergrößerung der Aufwuchsfläche für die Mikroorganismen. Die Mineralstoff
teilchen dienen darüber hinaus der Versorgung der Mikroorganismen mit Spu
renelementen.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die dem Komparti
ment 3 zugeführte Luft über eine Sammelleitung 25 einem innerhalb des Fil
terkorbes 6 angeordneten Luftverteiler 26 zugeführt wird. Dieser Luftverteiler
kann, z. B. wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, perforierte Rohre 27 enthalten,
die mit Abstand zueinander im Filterkorb 6 angeordnet sind und sich in Verti
kalrichtung erstrecken. Auf diese Weise kann ein größerer Anteil des Filterku
chens 7 aerob abgebaut werden.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dar
gestellt, bei der jede zweite Trägerstruktur in ihrem unteren bodennahen Be
reich eine Durchflußöffnung 29 und die sich zwischen zwei solchen Träger
strukturen befindliche Trägerstruktur 15 eine geringere Höhe aufweist. Die von
der Mündung des Überlaufrohres 14 zur Abflußöffnung strömende Flüssigkeit
ist somit gezwungen, den durch die Pfeile 48 angedeuteten Weg einzuschla
gen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, daß die von den Trä
gerstrukturen 15 insgesamt zur Verfügung gestellte biologisch aktive Kontakt
fläche effektiver genutzt wird.
In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer daran angeschlos
senen Toilette dargestellt. Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere für Toi
lettenanlagen in Fahrzeugen, wie Reisemobile oder Reisezugwagen. Bei dieser
Ausführungsform ist das Kompartiment 1 mit einer Toilette 30 über eine Zu
führleitung 31 verbunden. Die Spülflüssigkeit für die Toilette wird dem Kompar
timent 3 entnommen und über eine Spülwasserleitung 32 einem Vor
ratsbehälter 33 zugeführt, aus dem sie nach Bedarf zur Spülung der Toilette 30
entnommen werden kann.
Die Toilette 30 ist spülwasserseitig über eine Leitung 49 mit dem Vorratsbehäl
ter 33 verbunden. In der Leitung 49 ist ein Ventil 46 angeordnet, das beispiels
weise per Hand oder Fuß betätigbar ist.
Dem Vorratsbehälter 33 ist eine Hygienisierungseinrichtung 34 und ein Filter 35
vorgeschaltet. Mit dem Filter 35 sind feine Feststoffpartikel aus der aus dem
Kompartiment 3 abgezogenen Flüssigkeit herausfilterbar. Es ist auch denkbar,
diese Filtereinheit mit einem zusätzlichen Aktivkohlefilter zu versehen, mit dem
z. B. In der Flüssigkeit gelöste Farbstoffe absorbiert werden können. Zur Ent
keimung der Flüssigkeit in der Hygienisierungseinrichtung 34 kann auf ver
schiedene Weise verfahren werden. Als besonderes vorteilhaft hat sich eine
UV-Bestrahlung erwiesen, da sie zuverlässig arbeitet und zudem einen relativ
geringen Energieverbrauch hat. Zur Beförderung der Flüssigkeit aus dem
Kompartiment 3 in den Vorratsbehälter 33 ist in der Spülwasserleitung 32 eine
Pumpe 36 angeordnet. Im Vorratsbehälter 33 ist eine Füllstandsregelung (nicht
dargestellt) angeordnet, welche die Pumpe 36 bei einem minimalen Füllstand
ein- und bei einem maximalen Füllstand ausschaltet. Die Umwälzung der
Flüssigkeit innerhalb des Bioreaktors 4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf
die gleiche Weise gelöst wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und
2. Das Ausschleusen von Flüssigkeit aus dem System erfolgt über eine nach
der Hygienisierungseinheit 34 von der Spülwasserleitung 32 abzweigenden
Auslaßleitung 22. Das Ventil 23′ ist dabei geschlossen, das Ventil 23 dagegen
geöffnet.
In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel mit einer integrierten Cross-Flow-Filter
anlage dargestellt. Die Cross-Flow-Filteranlage enthält als wesentlichen Be
standteil ein Cross-Flow-Filter 37. Dieses weist einen Eingang 38 für die zu fil
trierende Flüssigkeit aus Kompartiment 3, einen Permeatausgang 39 und einen
Retentatausgang 40 auf. Der Eingang 38 ist über eine Hauptstromleitung 41 mit
der Abflußöffnung 19 des aeroben Kompartiments 3 verbunden. Der Permeat
ausgang 39 ist über eine Permeatleitung 42 mit dem Vorratsbehälter 33 ver
bunden. Der Retentatausgang 40 schließlich ist über eine Retentatleitung 43
mit dem aeroben Kompartiment 3 verbunden. In der Retentatleitung 43 ist ein
Ventil 45 angeordnet. Die Cross-Flow-Filteranlage arbeitet wie folgt: Die Flüs
sigkeit aus dem aeroben Kompartiment 3 wird mittels einer Hauptstrompumpe
44 zum Cross-Flow-Filter 37 transportiert. Die im Cross-Flow-Filter filtrierte
Flüssigkeit, das Permeat, fließt über die Permeatleitung 42 zum Vorratsbehälter
33. Das Retentat dagegen fließt über die Retentatleitung 43 und das geöffnete
Ventil 45 zum Kompartiment 3 zurück. In Richtung der Permeatströmung zweigt
vor dem Ventil 45 eine Umwälzleitung 47 ab, die von oben in das aerobe
Kompartiment 1 mündet. Der Querschnitt der Umwälzleitung 47 ist so ausge
legt, daß bei in Betrieb befindlicher Cross-Flow-Anlage ein der jeweiligen
Auslegung des Bioreaktors 4 angepaßter Umwälzstrom gewährleistet wird.
Bei Erreichen eines bestimmten maximalen Flüssigkeitsstandes im Vorratsbe
hälter 33 wird durch eine geeignete Steuereinrichtung (nicht dargestellt) das
Ventil 45 geschlossen und die Hauptstrompumpe 44 abgeschaltet. Um auch in
diesem Betriebszustand eine stetige Umwälzung der Flüssigkeit im Bioreaktor 4
zu gewährleisten, ist in Parallelschaltung zur Hauptstrompumpe 44 eine Um
wälzpumpe 21 angeordnet. Diese wird bei Erreichen des maximalen Füllstan
des im Vorratsbehälter 33 in Betrieb gesetzt. Auf diese Weise erfolgt über die
Hauptstromleitung 41, die Retentatleitung 43 und die Umwälzleitung 47 eine
Rückführung der Flüssigkeit aus dem aeroben Kompartiment 3 in das erste
anaerobe Kompartiment 1. Anstelle von zwei verschiedenen Pumpen 44, 21 mit
unterschiedlichen Förderleistungen kann natürlich auch eine zweistufige oder
eine stufenlos regelbare Pumpe verwendet werden.
In einer Vorrichtung mit beispielsweise einem 400 Liter-Bioreaktor treten die in
der folgenden Tabelle wiedergegebenen Flüssigkeitsströme auf:
Das Ausschleusen von Flüssigkeit aus dem Bioreaktor wird bei dieser Ausfüh
rungsform durch eine mit einem Ventil 23 verschlossene Auslaßleitung 22 ge
währleistet, welche am Vorratsbehälter 33 unterhalb des maximalen Füllstan
des angesetzt ist. Bei Erreichen des maximalen Füllstandes sowohl im Kom
partiment 3 als auch im Vorratsbehälter 33 wird über eine geeignete Steuerein
richtung (nicht dargestellt) die Umwälzpumpe 21 aus- und die Hauptstrom
pumpe 44 eingeschaltet sowie das Ventil 45 geöffnet. Der Permeatstrom wird
über die Permeatleitung 42 in den Vorratsbehälter 33 geleitet und von dort über
das zu diesem Zeitpunkt ebenfalls geöffnete Ventil 23 ausgeschleust.
In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem sich der Bio-Reaktor 4
aus insgesamt 4 Kompartimenten zusammensetzt. Unterhalb des Komparti
ments 1 ist ein Kompartiment 2b angeordnet, in dem aerobe Bedingungen
herrschen. Zur Aufrechterhaltung dieser Bedingungen sind in seinem boden
nahen Bereich als perforierte Rohre ausgebildete Belüftungsmittel 17 ange
ordnet, durch die Luft eingeblasen wird. Als Aufwuchsmaterial für Mikroorga
nismen ist eine Aktivkohle-Schüttung 11 angeordnet, die sich praktisch über
die gesamte Querschnittsfläche des Kompartiments 2b erstreckt. In Vertikal
richtung füllt sie den Raum des Kompartiments 2b jedoch nur in dessen Mit
telbereich aus, so daß zwischen ihr und der Trennwand 5 zum Kompartiment 1
und der Trennwand 50 zum sich unterhalb anschließenden Kompartiment 2a
jeweils ein aktivkohlefreier Zwischenraum 51, 52 gebildet ist. In dem Zwischen
raum 52 befinden sich die Belüftungsmittel 17.
An das Kompartiment 2b grenzt unterseits ein Kompartiment 2a an, welches
ebenfalls eine Aktivkohle-Schüttung 11 enthält und durch die Trennwand 50
vom Kompartiment 2b abgetrennt ist. Während diese Trennwand so flüssig
keits- und gasdurchlässig ist, ist die Trennwand 5 zwischen dem Kompartiment
1 und dem Kompartiment 2b gas- und flüssigkeitsdicht. Im Kompartiment 2a
herrschen anoxische und im Kompartiment 2b aerobe Bedingungen vor.
Das Kompartiment 2a ist mit dem Kompartiment 1 über ein Verbindungsrohr 53
verbunden, das mit seinem oberen Ende die Trennwand 5 durchgreift und mit
seinem unteren Ende im bodennahen Bereich 54 des Kompartiments 2 endet.
Dieser Bereich enthält eine Aktivkohle-Schüttung und erstreckt sich über die
gesamte Querschnittsfläche des Kompartiments 2a. Die beiden Kompartimente
2a und 2b stehen über die flüssigkeits- und gasdurchlässige Trennwand 50
miteinander in Verbindung.
Das Kompartiment 2b ist mit dem Kompartiment 3 durch ein Überlaufrohr 14
verbunden, dessen unteres Ende oberseits in dem Kompartiment 3 mündet und
dessen oberes Ende in dem sich zwischen der Aktivkohle-Schüttung 11 und
der Trennwand 5 befindlichen Zwischenraum 51 endet.
Die Funktionsweise der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung ist folgende:
Die aus dem Filterkorb 6 ablaufende Flüssigkeit gelangt über das Verbin dungsrohr 53 in den Bereich 54 des Kompartiments 2a und von dort über die Trennwand 50 in das Kompartiment 2b. Die Kompartimente 2a und 2b und die sich darin befindlichen Aktivkohle-Schüttungen 11 sind mit Flüssigkeit über staut. Von Kompartiment 2b schließlich gelangt die Flüssigkeit über das Über laufrohr 14 ins Kompartiment 3.
Die aus dem Filterkorb 6 ablaufende Flüssigkeit gelangt über das Verbin dungsrohr 53 in den Bereich 54 des Kompartiments 2a und von dort über die Trennwand 50 in das Kompartiment 2b. Die Kompartimente 2a und 2b und die sich darin befindlichen Aktivkohle-Schüttungen 11 sind mit Flüssigkeit über staut. Von Kompartiment 2b schließlich gelangt die Flüssigkeit über das Über laufrohr 14 ins Kompartiment 3.
Im Kompartiment 2a findet wie im Kompartiment 2 der weiter oben beschrie
benen Ausführungsbeispiele ein Abbau von organischen Verbindungen unter
gleichzeitiger Nitratreduktion (Denitrifikation) in Kompartiment 2b dagegen ein
aerober Abbau statt. Der Vorteil des zusätzlichen Kompartiments 2b wurde
bereits weiter oben beschrieben.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 6 wird die Aktivkohle-Schüttung 11 des Kom
partiments 2a von unten her angeströmt. Der Vorteil dieser Anströmungsart, die
im übrigen auch bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen anwend
bar ist, liegt darin, daß die mit der Flüssigkeit mitgeführten Feststoff- und
Schlammpartikel sich in dem Bereich 54 unterhalb der Aktivkohle-Schüttung 11
absetzen können. Durch eine in diesem Bereich angebrachte Auslaßleitung 64
können Schlammansammlungen von dort durch Öffnen des Ventils 65 leicht
entfernt werden. Dies kann bei Bedarf auch unabhängig von den turnusmäßi
gen Wartungsarbeiten erfolgen. Bei einer Anströmung der Aktivkohle-Schüt
tung 11 von oben können die Feststoff- bzw. Schlammpartikel sich auf der Ak
tivkohle-Schüttung 11 absetzen und sie nach Art eines Filterkuchens abdich
ten.
Auf dem Boden 9 des Filterkorbes 6 ist eine Filterschicht 55 aus einem verrott
baren Material angeordnet. Als besonders vorteilhaft haben sich Strohpreßlinge
erwiesen. Eine derartige Filterschicht wird durch den biologischen Abbau unter
Bildung von neuen Durchtrittskanälen in fortschreitendem Maße aufgelockert,
so daß die Abdichtung von bereits vorhandenen Durchtrittskanälen mit Fest
stoffpartikeln dadurch kompensiert wird. Als vorteilhaft hat sich eine etwa 2 cm
hohe Schicht aus Strohpreßlingen mit folgenden Parametern erwiesen:
Schüttvolumen, trocken:|500 g/l | |
Wasseraufnahme: | 2 l/l bzw. 4 l/kg |
Dichte, gequollen: | ca. 1 kg/l |
Faserlänge, gequollen: | 1-5 mm |
Fig. 7 und Fig. 8 zeigen Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vor
richtung mit einer andersartigen Anordnung der Kompartimente 1, 2a, 2b und 3.
Während die Kompartimente 2a und 2b, wie in dem Ausführungsbeispiel gem.
Fig. 6, unverändert übereinander angeordnet sind, ist das Kompartiment 3 seit
lich davon angeordnet. Die Kompartimente 2a, 2b und 3 sind in einem ge
meinsamen Behälter 56 angeordnet und durch eine Stauwand 57 voneinander
getrennt.
Das Kompartiment 1 befindet sich in einem separaten Behälter 58, der seitlich
am Behälter 56 und so angeordnet ist, daß sich sein Boden 66 oberhalb des
Flüssigkeits-Spiegels 59 des Behälters 56 befindet. Das Kompartiment 1 ist mit
dem Kompartiment 2a über ein Verbindungsrohr 53 verbunden. Dieses zweigt
in Bodennähe vom Behälter 58 ab und mündet unerhalb der Aktivkohleschüt
tung 11 des Kompartiments 2a. Die Aktivkohleschüttung 11 wird also auch bei
diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft von unten angeströmt. Die Höhe der
Stauwand 57 ist kleiner als die Höhe der Wassersäule im Behälter 56.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 sind auch die Kompartimente 2a und
2b nebeneinander in dem Behälter 56 angeordnet. Die beiden Kompartimente
sind durch 2 parallel und mit Abstand zueinander angeordnete vertikale Wände
60, 61 voneinander getrennt. Die Höhe der Wand 60 ist geringer als die Höhe
der Flüssigkeitssäule im Behälter 56, die Höhe der Wand 61 dagegen größer.
An ihrem bodennahen Ende weist die Wand 61 wenigstens eine Durchbre
chung 62 auf. Die beiden Wände 61 und 62 bilden somit einem die beiden
Kompartimente 2a und 2b verbindenden Kanal, den die Flüssigkeit aus dem
Kompartiment in Pfeilrichtung 63 durchströmt.
Der Vorteil der Anordnungen gemäß Fig. 7 und Fig. 8 besteht vor allen Dingen
darin, daß die einzelnen Kompartimente für Wartungs- und Reinigungsarbeiten
von oben her leicht zugänglich sind. Sie werden vorteilhafterweise überall dort
eingesetzt ist, wo wenig Einbauhöhe zur Verfügung steht oder wo ein Einbau
ins Erdreich erforderlich ist. Vor allen Dingen im letztgenannten Fall ist die Zu
gänglichkeit von oben ein wesentlicher Vorteil.
In den folgenden Tabellen 2 und 3 sind zwei Auslegungsbeispiele angegeben.
Zugrundegelegt wurde jeweils ein Zulauf, der mit 6100 mg/l CSB und mit einem
Gesamtstickstoffgehalt von 1500 mg/l belastet ist. Bei einer Verweilzeit von 3
Tagen wird in beiden Fällen eine Verringerung des CSB-Wertes um ca. 95%
und des Gesamtstickstoffgehaltes um ca. 88% erreicht.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Auslegung nach Tabelle 2 ist bei
spielsweise für die Verwendung in einem Reisezugwagen geeignet. Der Ablauf
weist CSB- und Stickstoffwerte auf, die es erlauben, die Flüssigkeit direkt,
vorzugsweise während der Fahrt, ins Erdreich abzugeben. Das die Feststoffe
zurückhaltende und vorwiegend aerob abbauende Kompartiment 1 ist so aus
gelegt, daß die Wartungsintervalle zur Entleerung und Reinigung einige Monate
betragen. Der Vorratsbehälter herkömmlicher Toilettenanlagen in Reisezug
wagen muß dagegen in Abständen von einigen Tagen entleert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auch für andere Fahrzeuge wie
Wohnmobile, Flugzeuge und Schiffe. Ebenso ist ein Einsatz in Gebäuden
denkbar, die an keine Kanalisation anschließbar sind, wie im Falle von Garten- oder
Wochenendhäusern. Es ist auch denkbar, die erfindungsgemäße Vorrich
tung für mobile Toilettenanlagen zu verwenden, die beispielsweise bei Groß
baustellen und Veranstaltungen eingesetzt werden können. Ebenso ist es
denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung an eine oder mehrere Vakuumtoi
letten anzuschließen.
Bezugszeichenliste
1 aerobes Kompartiment
2 anoxisches Kompartiment
2a anoxisches Kompartiment
2b aerobes Kompartiment
3 aerobes Kompartiment
4 Bioreaktor
5 Trennwand
6 Filterkorb
7 Filterkuchen
8 Seitenwand
9 Boden
10 Teil
11 Aktivkohle-Schüttung
12 Trägerstruktur
13 Trennwand
14 Überlaufrohr
15 Trägerstruktur
16 Boden
17 Belüftungsmittel
18 Seitenwand
19 Abflußöffnung
20 Umwälzleitung
21 Umwälzpumpe
22 Auslaßleitung
23, 23′ Ventil
24 Hygienisierungs- und Filtereinheit
25 Sammelleitung
26 Luftverteiler
27 Rohr
28 Seitenfläche
29 Durchflußöffnung
30 Toilette
31 Zuführleitung
32 Spülwasserleitung
33 Vorratsbehälter
34 Hygienisierungseinrichtung
35 Filter
36 Pumpe
37 Crossflow-Filter
38 Eingang
39 Permeatausgang
40 Retentatausgang
41 Hauptstromleitung
42 Permeatleitung
43 Retentatleitung
44 Hauptstrompumpe
45 Ventil
46 Ventil
47 Umwälzleitung
48 Pfeil
49 Leitung
50 Trennwand
51 Zwischenraum
52 Zwischenraum
53 Verbindungsrohr
54 Bereich
55 Filterschicht
56 Behälter
57 Stauwand
58 Behälter
59 Flüssigkeits-Spiegel
60 Wand
61 Wand
62 Durchbrechung
63 Pfeilrichtung
64 Auslaßleitung
65 Ventil
66 Boden
2 anoxisches Kompartiment
2a anoxisches Kompartiment
2b aerobes Kompartiment
3 aerobes Kompartiment
4 Bioreaktor
5 Trennwand
6 Filterkorb
7 Filterkuchen
8 Seitenwand
9 Boden
10 Teil
11 Aktivkohle-Schüttung
12 Trägerstruktur
13 Trennwand
14 Überlaufrohr
15 Trägerstruktur
16 Boden
17 Belüftungsmittel
18 Seitenwand
19 Abflußöffnung
20 Umwälzleitung
21 Umwälzpumpe
22 Auslaßleitung
23, 23′ Ventil
24 Hygienisierungs- und Filtereinheit
25 Sammelleitung
26 Luftverteiler
27 Rohr
28 Seitenfläche
29 Durchflußöffnung
30 Toilette
31 Zuführleitung
32 Spülwasserleitung
33 Vorratsbehälter
34 Hygienisierungseinrichtung
35 Filter
36 Pumpe
37 Crossflow-Filter
38 Eingang
39 Permeatausgang
40 Retentatausgang
41 Hauptstromleitung
42 Permeatleitung
43 Retentatleitung
44 Hauptstrompumpe
45 Ventil
46 Ventil
47 Umwälzleitung
48 Pfeil
49 Leitung
50 Trennwand
51 Zwischenraum
52 Zwischenraum
53 Verbindungsrohr
54 Bereich
55 Filterschicht
56 Behälter
57 Stauwand
58 Behälter
59 Flüssigkeits-Spiegel
60 Wand
61 Wand
62 Durchbrechung
63 Pfeilrichtung
64 Auslaßleitung
65 Ventil
66 Boden
Claims (36)
1. Verfahren zur biologischen Behandlung von organisch belastetem Abwasser
und organischen Abfällen mit folgenden Verfahrensschritten:
- a) Abtrennung des Feststoffanteils und Abbau des Feststoffanteils in einem ersten Kompartiment (1) unter vorwiegend aeroben Bedingungen,
- b) Weiterleitung des flüssigen Anteils in ein zweites Kompartiment (2), in dem ein Abbau unter vorwiegend anoxischen Bedingungen erfolgt,
- c) Weiterleitung des flüssigen Anteils aus dem zweiten Kompartiment in ein drittes Kompartiment (3), in dem ein Abbau unter aeroben Bedingungen erfolgt, und
- d) stetige Umwälzung durch Rückführung des flüssigen Anteils aus dem drit ten Kompartiment (3) in das erste Kompartiment (1) unter Durchdringung des Feststoffanteils.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest in dem zweiten (2, 2a) und dritten Kompartiment (3) biologisch
aktive Trägerstrukturen (11, 12, 15) vorhanden sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest in dem zweiten Kompartiment (2, 2a) eine Trägerstruktur (12)
vorhanden ist, die poröse Mineralstoffteilchen und/oder Aktivkohleteilchen
enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem zweiten Kompartiment (2, 2a) eine Aktivkohle-Schüttung (11)
vorhanden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem zweiten Kompartiment (2, 2a) zusätzlich eine Trägerstruktur (12)
nach Anspruch 3 vorhanden ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß es für die biologische Reinigung von Toilettenabwasser vorgesehen ist
und die Flüssigkeit aus dem dritten Kompartiment als Spülflüssigkeit für die
Toiletten verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkeit aus dem dritten Kompartiment (3) vor ihrer Verwendung
als Toilettenspülflüssigkeit bzw. vor ihrer Abgabe in die Umwelt gefiltert und
entkeimt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Entkeimung durch UV-Bestrahlung, Pasteurisierung oder anodische
Oxidation erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkeit aus dem dritten Kompartiment (3) einer Mikro- oder
Ultrafiltration, insbesondere einer Crossflow-Filtration unterzogen wird.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet durch
ein viertes Kompartiment (2b),
- - das zwischen dem zweiten Kompartiment (2, 2a) und dem dritten Komparti ment (3) zwischengeschaltet ist, und
- - in dem ein Abbau unter aeroben Bedingungen erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Trägerstruktur eine Aktivkohle-Schüttung (11) vorhanden ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß neben der Aktivkohle-Schüttung (11) zusätzlich eine Trägerstruktur nach
Anspruch 3 vorhanden ist.
13. Vorrichtung zur biologischen Behandlung von organisch belastetem Ab
wasser und organischen Abfällen,
gekennzeichnet durch
- a) ein erstes Kompartiment (1), in dem die Feststoffanteile des zu behan delnden organischen Substrats abgetrennt - und unter aeroben Bedin gungen gehalten werden,
- b) ein zweites, mit dem ersten Kompartiment in Verbindung stehendes Kompartiment (2), in dem biologisch aktive Trägerstrukturen angeordnet sind und in dem die von Feststoffanteilen im wesentlichen befreite Flüs sigkeit überwiegend anoxisch abgebaut werden,
- c) ein drittes mit dem zweiten in Verbindung stehendes Kompartiment (3) in dem biologisch aktive Trägerstrukturen angeordnet sind und in dem die Flüssigkeit aerob abgebaut wird, und
- d) Mittel zum stetigen Rückführen der Flüssigkeit aus dem dritten Komparti ment (3) in das erste Kompartiment (1) unter Durchdringung des Fest stoffanteils.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die drei Kompartimente (1, 2, 3) untereinander angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß im zweiten Kompartiment (2) eine biologisch aktive Trägerstruktur (12)
angeordnet ist, die aus einem Kunststoff-Sintermaterial besteht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß in das Kunststoff-Sintermaterial poröse Mineralstoffteilchen und/oder
Aktivkohleteilchen eingelagert sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß im zweiten Kompartiment (2) eine Schüttung (11) aus Aktivkohle ange
ordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich eine Trägerstruktur (12) gemäß den Ansprüchen 15 und 16
vorhanden ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerstruktur (12) oberhalb der Aktivkohle-Schüttung (11) ange
ordnet ist.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Kompartiment (2) mit dem sich darunter angeordneten dritten
Kompartiment (3) durch ein im Kompartiment (2) angeordnetes, sich nahezu
über dessen gesamte Höhe erstreckendes Überlaufrohr verbunden ist.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß im ersten Kompartiment (1) ein Filterkorb (6) zum Zurückhalten der
Feststoffanteile angeordnet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Filterkorb (6) aus Drahtgewebe besteht.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Filterkorb (6) aus einem Kunststoff-Sintermaterial besteht.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Kunststoff-Sintermaterial poröse Teilchen aus Mineralstoffen
und/oder Aktivkohle eingelagert sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß im dritten Kompartiment (3) Mittel (17) zum Einblasen von Luft in die
darin enthaltene Flüssigkeit angeordnet sind.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25,
gekennzeichnet durch,
Mittel (25, 26), mit denen die aus der Flüssigkeit des dritten Komparti
ments (3) entweichende Luft in das erste Kompartiment (1) überführbar und
dort innerhalb des Filterkorbes (6) verteilbar ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13-26,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerstrukturen (15) des dritten Kompartiments (3) im wesentlichen
aus einem Kunststoff-Sintermaterial bestehen, in das poröse Mineralstoff
teilchen und/oder Aktivkohleteilchen eingelagert sind.
28. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 27,
dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel (19, 20, 21) vorgesehen sind, mit denen die Flüssigkeit aus dem
Kompartiment (3) zum Zwecke einer stetigen Umwälzung in das Komparti
ment (1) zurückführbar ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 28,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Kompartiment (1) mit wenigstens einer Toilette (30) verbunden
ist und daß die Flüssigkeit aus dem Kompartiment (3) unter Verwendung als
Spülflüssigkeit für die wenigstens eine Toilette (30) in das erste Komparti
ment (1) zurückführbar ist.
30. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 29,
gekennzeichnet durch
wenigstens eine Filter- und Hygienisierungseinheit (24, 34, 35) zur Filterung
und Entkeimung der aus dem dritten Kompartiment (3) stammenden und zum
Spülen in die Toilette (30) bzw. in die Umwelt geleiteten Flüssigkeit.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Filter- und Hygienisierungseinrichtung eine Crossflow-Filtereinrich
tung (37) ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 30,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hygienisierungseinrichtung (34) eine Vorrichtung zur UV-Bestrah
lung, Pasteurisierung oder anodischen Oxidation enthält.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 32,
gekennzeichnet durch
ein viertes, aerobe Abbaubedingungen aufweisendes Kompartiment (2b),
dessen Zulaufseite mit dem zweiten Kompartiment (2a) und dessen Ablauf
seite mit dem dritten Kompartiment (3) in fluidischer Verbindung steht.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33,
dadurch gekennzeichnet,
daß das vierte Kompartiment (2b) oberhalb des zweiten Kompartiments (2a)
angeordnet ist und Mittel (17) zum Einblasen von Luft vorgesehen sind.
35. Vorrichtung nach Anspruch 33 oder 34,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kompartiment (2b) als biologisch aktive Trägerstruktur eine Aktiv
kohle-Schüttung (11) enthält.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich eine Trägerstruktur (12) gem. Anspruch 23 oder 24 vorhanden
ist.
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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