DE4332762C1 - Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Behandlung von organisch belastetem Abwasser und organischem Abfall - Google Patents

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.

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:

Tabelle 1

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.

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.

Tabelle 2

Tabelle 3

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

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.