DE69104629T3

DE69104629T3 - Methode und reaktor zur reinigung von wasser.

Info

Publication number: DE69104629T3
Application number: DE1991604629
Authority: DE
Inventors: Hallvard ÖDEGAARD
Original assignee: Kaldnes Miljoteknologi AS
Current assignee: Krugerkaldnes AS
Priority date: 1990-01-23
Filing date: 1991-01-22
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2011-01-23
Also published as: EP0575314B1; AU7141691A; DE69104629T2; US5543039A; NO922904L; ES2064083T5; JPH05504295A; NO172687C; ES2064083T3; NO922904D0; LV11457A; ES2064083T4; LV11457B; CA2074470A1; DK162091A; DK175924B1; FI112355B; DE69104629D1; ATE112754T1; CA2074470C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methode bzw. ein Verfahren zur Reinigung von Wasser und einen Reaktor zur Verwendung im Verfahren.
Es sind mehrere verschiedene Verfahren, beispielsweise mechanische durch Sedimentation oder Sieben, chemische Reinigung durch Zugabe von Chemikalien und Gasbehandlung beispielsweise mit Ozon und Chlor bekannt. Außerdem ist bekannt, das Wasser biologisch, das heißt durch Aussetzen des Wassers einer Bakterienkultur, welche die gewünschte Umwandlung der Verschmutzungen bzw. Verunreinigungssubstanzen verursacht, zu behandeln. In größerem Umfang werden alle vorstehend erwähnten Verfahren kombiniert.
Die vorliegende Erfindung ist mit Problemen bei der biologischen Reinigung mit Bakterienkulturen verbunden.
Biofilm soll, wie nachstehend beschrieben, so verstanden werden, dass er eine Schicht aus einer Bakterienkultur ist, in der das bzw. die Bakterien vom aeroben, anoxischen oder anaeroben Typ sein kann bzw. können, abhängig davon welche Reinigungsart gewünscht ist.
Biologische Reinigungsverfahren werden primär für Schmutzwasser verwendet, können aber auch zur Reinigung von Wasser in Aquakulturen und von Trinkwasser verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann auf all den Feldern bzw. Gebieten, wo biologische Verfahren zur Wasser- und Abwasserreinigung verwendet werden können, insbesondere bei aeroben biologischen Verfahren, wo der Reaktorinhalt mit Sauerstoff angereichert und der Luft ausgesetzt gerührt wird, aber auch bei aeroben Verfahren, wo der Reaktorinhalt nicht der Luft ausgesetzt wird, sondern unter mechanischer oder hydrodynamischer Rührung gehalten wird, ausgenutzt werden.
Biologische Verfahren werden extensiv zur Reinigung von Schmutzwasser verwendet. Traditionell sind biologische Verfahren zum Reduzieren des Gehalts an mechanischem Material im Wasser verwendet worden, aber insbesondere in den letzten Jahren sind auch biotechnische Verfahren zur Entfernung von Amoniak (Nitrifikation), Entfernung von Stickstoff durch Denitrifikation und Entfernung von Phosphor in Anrwendung genommen worden.
Es wird eine Unterscheidung zwischen aeroben und anaeroben Prozessen gemacht. Bei aeroben Prozessen benötigen die Mikroorganismen Sauerstoff, während die bei aeroben Prozessen lebenden Mikroorganismen eine sauerstofffreie Umgebung haben müssen. Die meisten der Reinigungsanlagen in der Welt basieren auf aeroben Prozessen, aber es besteht ein wachsendes Interesse für anerobe Prozesse, insbesondere in Verbindung mit der Entfernung von Stickstoff und Reinigung in Verbindung mit Stickstoffentfernung und Reinigung von konzentriertem organischen Industrieabwasser.
Es wird auch eine Unterscheidung zwischen Bioschlammsystemen und Biofilmsystemen gemacht. Bei Bioschlammsystemen schwimmen die Mikroorganismen im Wasser zu Schlammteilchen aggregiert bzw. zusammengeballt in einem Bioreaktor. Bei aeroben Schlammsystemen, Aktivschlammsystemen, werden die Schlammteilchen vom Wasser getrennt und dann zum Bioreaktor zurückgebracht, um dadurch die Menge an Biomasse so hoch wie möglich zu halten.
Bei Biofilmsystemen wachsen die Mikroorganismen auf fixierten bzw. befestigten Oberflächen im Bioreaktor. Der Biofilm wächst beim Vermehren der Mikroorganismen in der Dicke, und Teile des Biofilms lösen sich möglicherweise ab und neuer Biofilm wird gebildet. Da der Biofilm befestigt ist und das Wasser sich vorbeibewegt, muss die Biomasse nicht zurückgebracht werden, um die Mikroorganismen so viel wie möglich auszunutzen.
In letzter Zeit hat es eine beachtliche Tendenz dazu gegeben, die Schlammsysteme durch Biofilmsysteme zu ersetzen. Die Hauptgründe dafür sind:

a) Die Biomasse pro Volumeneinheit kann beträchtlich höher gemacht werden, mit dem Resultat, dass der Bioreaktor im Volumen kleiner wird.
b) Die Biofilmreaktoren können einer größeren Variation der Beschickung und auch der Zusammensetzung des Rohwassers bzw. unreinen Wassers standhalten, was die Biofilmverfahren robuster als die Aktivschlammverfahren macht.
c) Das Resultat eines Zusammenbruchs des biologischen Prozesses hat keine so dramatischen Konsequenzen bei den Biofilmverfahren wie bei den Aktivschlammverfahren, da die Schlammkonzentration aus dem Bioreaktor viel niedriger ist.

Die heute existierenden Biofilmreaktoren basieren auf verschiedenen Systemen wie beispielsweise Biorotoren (rotierende biologische Kontraktoren), Tropffilter bzw. -körper und Wanderschicht- bzw. Wirbelschicht- bzw. Fließbettreaktoren. Beispiele von Topfkörpern sind im britischen Patent 21 973 08, in EP-A2 301 237 und im französichen Patent 2 185 437 gegeben, bei denen der Reaktor mit Elementen bepackt ist, die immobil sind. Es gibt auch Biofilter, bei denen das Trägermedium für den Biofilm eingetaucht ist und wo das Wasservolumen lufthaltig ist, aber diese Systeme basieren auf einem festen Träger, der im Reaktor stationär ist, oder auf Schaumgummi ähnlichen Elementen, die in einem Aktivschlammreaktor schwimmen können.
Die Aktivschlammsysteme (Schlammsysteme) haben den Nachteil, dass es schwierig sein kann, eine ausreichende Steuerung bzw. Kontrolle bei der Schlammtrennung zu erhalten, mit dem Resultat, dass Schlammverlust auftreten kann, mit ernsten Konsequenzen für den Vorfluter bzw. Rezipienten (Recipient).
Ein anderer offensichtlicher Nachteil dieser Systeme ist, dass das Reaktorvolumen sehr groß ist, da die Biomasse pro Volumen klein wird.
Jedoch verglichen mit den traditionellen Biofilmsystemen (Biorotoren und Tropfkörper) haben die Aktivschlammsysteme den Vorteil, dass man es mit einem offenen Bioreaktor zu tun hat, der in keiner Weise verstopft bzw. zugesetzt werden kann.
Der größte Nachteil bei den Biorotorsystemen ist, dass sie auf einem vorfabrizierten Biorotor basieren, was das System sehr wenig flexibel macht. Es hat beträchtliche mechanische Probleme mit vielen der Biorotoren gegeben, und wenn der Biorotor zusammenbricht bzw. versagt, ist es schwierig, den Biorotor an ein anderes System anzupassen. Nur zu wahr gibt es mehrere Beispiele von Biorotorreaktoren, die zu Biofilterreaktoren umgebaut worden sind, aber dann bei einem System auf der Basis eines befestigten Filtermaterials.
Der Hauptnachteil beim traditionellen Biofiltersystem (Tropfkörper), wo das Wasser über das Trägermaterial für den Biofilm getropft wird und wo die Sauerstoffanreicherung durch natürliche Ventilation stattfindet, ist, dass das Bioreaktorvolumen verhältnismäßig groß wird. Es ist auch ein beträchtlicher Nachteil, dass bei diesem System die dem Prozess zugeführte Sauerstoffmenge nicht auf die Menge eingestellt werden kann, die im Bioprozess verwendet wird und die der organischen Beschickung entspricht. Es ist im allgemeinen bekannt, dass diese Umstände darin resultieren, dass traditionelle Biofilter (Tropfkörper) einen schlechteren Reinigungseffekt für eine gegebene organische Beschickung pro Fläche ergeben als die anderen Biofilmverfahren.
Ein anderer Biofiltertyp ist der sogenannte versenkte bzw. getauchte Biofilter. Dessen Prinzip ist, dass ein stationäres Biofiltermaterial in den Reaktor versenkt bzw. getaucht wird, während die Biomasse durch Lüften mit Sauerstoff angereichert wird. Die Wachstumsfläche des getauchten Biofilters ist stationär und besteht meistens aus gerunzelten bzw. gefurchten bzw. gerippten Kunststoffflocken, die zur Bildung von Würfeln zusammengeklebt sind, welche wie Gebäudeziegel einer auf den anderen oder in zufällig angeordneten einzelnen Elementen oder Granulaten, die jedoch alle während der Ver wendung des Biofilters stationär sind, platziert sind. Der Hauptnachteil beim befestigten, getauchten Biofilter ist, dass der Zugang zur Unterseite des Biofilters sehr schwer gemacht ist. Wenn der Biofilter von der Unterseite verstopft wird, oder wenn die Lüftungsmittel, die unter dem Biofilter platziert sind, verstopft werden, muss der ganze Biofilter zur Reinigung herausgenommen werden. Es ist auch ein Problem gewesen, dass ganze Biofilterelemente als Konsequenz teilweiser Verstopfung und Einfangens großer Lufttaschen im Biofiltermaterial hochgeschwommen sind.
Ein anderes System ist der sogenannte „Fließbett"-Bioreaktor. Dieser basiert auf dem mit Sand gefüllten Bioreaktor und dem vom Boden zur Oberseite des Bioreaktors mit zum Fluidisieren des Sands ausreichender Geschwindigkeit gepumpten Wasser. Der Biofilm wächst auf den Sandkörnern. Bei diesem System kann eine sehr große Biomasse pro Volumeneinheit des Reaktors erhalten werden, da die spezifische Wachstumsfläche für Biofilm groß ist.
Der Nachteil des Systems ist ein Resultat der dadurch verursachten sehr großen organischen Beschickung pro Volumen. Folglich können aerobische Systeme nicht mit ausreichend Sauerstoff pro Volumeneinheit versorgt werden, um den von der Biomasse verwendeten Sauerstoff zu ersetzen. In der Praxis ist ein anderes Problem gewesen, den Biofilm von den Sandkörnern zu trennen, da diese so klein (typisch 0,4–0,6 mm) sind.
Zusätzlich gibt es andere Systeme, die im Grenzgebiet zwischen den oben diskutierten traditionellen Systemen stehen. Die meisten dieser Systeme zielen darauf ab, die Biomasse pro Volumeneinheit des Bioreaktors durch Bildung eines Biofilms zu vergrößern.
Die meisten dieser alternativen Systeme basieren auf etwas zwischen einem Biofilmsystem und einem Aktivschlammsystem, wobei der Schlamm von der Nachtrennungsstufe aus dem Nachtrennungsbassin zurückgebracht wird, um zusätzlich zur Biofilmkultur eine Schlammkultur im Bioreaktor einzurichten.
Auf diesem Weg wird der Versuch gemacht, „auf zwei Pferden zu reiten".
Dieses System ist nicht vorteilhaft, weil:

a) die Schlammkonzentration im Schlammtrennungsbassin sehr hoch wird, was wegen Schlammverlusten in größeren Risiken für den Rezipienten resultiert,
b) die Schlammteilchen eine größere Belastung auf dem Biofilm darstellen, eine Tatsache, die in mehreren Forschungsprojekten demonstriert worden ist.

Ein sehr wichtiger Nachteil bei einem System, das auf Biomassewachstum auf und in kleinen Schaumgummiwürfeln, die im Reaktor schwimmen, basiert, ist, dass diese Würfel so gut schwimmen, dass sie auf der Oberfläche des Wassers des Bioreaktors schwimmen und so einen schlechten Kontakt zwischen der Biomasse und dem hereinkommenden Substrat ergeben. Als anderer wesentlicher Nachteil hat sich erwiesen dass die Biomasse nur auf der Oberfläche des Würfels wächst und nicht wie beabsichtigt in den Poren. Dies ist eine Konsequenz der Tatsache, dass der Biofilm auf der äußeren Oberfläche einen Zugang des Wassers und des Substrats ins innere Volumen verhindert.
Es wurde nun gefunden, dass die wesentlichen Nachteile der vorstehend diskutierten Systeme vermieden werden können, während gleichzeitig die wichtigen Vorteile jedes dieser erhalten werden können.
So ist gemäss der Erfindung ein Verfahren zur Wasserreinigung bereitgestellt, bei dem Schmutzwasser in einen Reaktor eingespeist wird, der Träger enthält, auf denen Biofilm wächst und der eine gewünschte Umwandlung von Verunreinigungen fördert, und dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Träger mit dem Biofilm in einem Reaktor mit Einlass- und Ruslassrohren und fakultativ in einer Mischeinrichtung suspendiert und sich im Wasser bewegend gehalten sind. Die Träger sind teilchenförmige Elemente, die eine größere Oberfläche als glatte Elemente der gleichen Abmessung bzw. Dimension aufweisen. Die Oberfläche der Elemente ist wenigstens 1,5fach und vorzugsweise wenigsten 2fach so groß wie die äußere Oberfläche eines glatten Elements der gleichen Dimensio nen. Die Dichte der Elemente ist 0,590–1,20, insbesondere 0,92–0,98 und ganz besonders 0,92–0,96 kg/dm³.
Die Trägerelemente weisen eine lineare Dimension von 0,2 bis 3 cm insbesondere von 0,5 bis 1,5 cm auf.
Die Träger weisen Wände auf, die einen leichten Durchtritt von Wasser erlauben und sind so, dass etwas ihrer Oberfläche gegen Biofilmverschleiß während der Benutzung geschützt ist.
Der Träger ist aus weichem Kunststoff präpariert, so dass er nicht auf den anderen Trägern noch auf dem Reaktor selbst mit der Ausrüstung verschleißt. Da es hier eine Frage des Kunststoffs ist, der primär ein Träger für einen Bakterienfilm sein soll, kann vorteilhafterweise rückgewonnener bzw. recycelter Kunststoff zur Präparation der Träger verwendet werden.
Der Träger weist die oben definierte Dichte auf, um subspendiert gehalten zu werden. Die Träger bestehen aus Stücken eines Rohres mit inneren bzw. internen Trennwänden. Sowohl auf der äußeren als auch inneren Wand sowie auf den Trennwänden wird eine Biofilmschicht der gewünschten Bakterienkultur gebildet. Generell sollte es so viele Trennwände wie möglich geben, um die Oberfläche besonders groß zu machen, aber auf der anderen Seite muss darauf geachtet werden, dass die Öffnungen zwischen den Trennwänden nicht so klein werden, dass die Öffnungen verstopfen. Wenn der Träger in der Form eines Rohrstücks mit inneren Trennwänden ist, können die Rohrwände geeigneter Weise Einwärtsbiegungen aufweisen, so dass die äußere Wand während des Betriebs weniger Reibung gegen andere Träger oder gegen den Reaktor unterworfen ist. Dadurch wird der Biofilm an der Außenwand bzw. der äußeren Wand des Trägers mehr intakt gehalten. Ein zur Präparation des Trägers verwendetes Rohr kann zum Beispiel geeigneter Weise innere Wände aufweisen, die ein Kreuz bilden. Auch können die inneren Wände im Rohr so gemacht sein, dass sie ein Honigwabenmuster bilden, aber andere Muster, die eine großer Oberfläche und leichten Durchtritt bereitstellen, können genauso gut verwendet werden. Es ist auch möglich, Teilchen mit einer rauen Oberfläche zu verwenden.
Am geeignesten ist der Träger ein Stück eines extrudierten Rohres, das Trennwände in der Längsrichtung des Rohres mit „Rippen" auf der Außenseite aufweist. Der Grund, warum ein solcher Träger besonders vorteilhaft ist, ist, dass er sehr leicht zu präparieren ist, im Gegensatz zu einem Träger, der durch andere mögliche Verfahren, beispielsweise Form- bzw. Druckgießen, wo jeder Träger individuell zu präparieren ist, präpariert wird. Zur Extrusion wird ein Rohr kontinuierlich extrutiert und in geeignete Stücke geschnitten. Alle Trennwände sind dann in der Längsrichtung des Rohres, so dass ungeachtet dessen, wo das Rohr geschnitten wird, der Querschnitt der gleiche ist.
Zusätzlich zu dem innere Trennwände enthaltenden Träger hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass er auch „Rippen" auf der Außenseite enthält, so dass er in der Form eines Stücks eines extrutierten Rohres ist, das Trennwände in der Längsrichtung des Rohres sowohl auf der Innenseite als auch Außenseite des Umfangs des Rohres aufweist. Durch solch eine Anordnung wird eine besonders große Oberfläche mit relativ wenig Material, beispielsweise Kunststoff, verglichen mit der Oberfläche erhalten. Wie die inneren Oberflächen des Rohres werden auch die äußeren Oberflächen nahe dort, wo die „Rippen" vom Umfang des Rohres vorstehen, gegen Verschleiß auf dem Biofilm während der Verwendung geschützt.
Ein geeigneter Typ eines Trägers mit „Rippen" ist durch den Querschnitt in 1 veranschaulicht. Von der Seite gesehen sieht der Träger wie ein Rechteck aus. Dies ist fast die denkbar simpelste Form. Eine andere Form ist in 2 dargestellt, wo das Rohr einen quadratischen Querschnitt aufweist und mit mehreren inneren Wänden ausgestattet ist. Eine Modifikation dieser Ausführungsform ist in 3 dargestellt, wo sich die inneren Wände ebenso wie die äußeren Wände über den Umfang des Rohres hinaus erstrecken, um die vorstehend erwähnten „Rippen" zu ergeben. Wie in 1 veranschaulicht müssen solche „Rippen" nicht nur eine Fortsetzung von inneren Wänden oder äußeren Wänden sein, sondern können unabhängige „Rippen" zwischen solchen sein, die beispielsweise in der 3 veranschaulicht sind.
Der Träger wird in Reaktoren zur Wasserreinigung durch Einbringen einer eingestellten Menge des Trägers in den Reaktor verwendet, und das zu reinigende Wasser wird im Reaktor durch den Biofilm, der auf den Trägern eingerichtet ist und wächst und die gewünschte Umwandlung der Verunreinigungssubstanzen bewirkt, behandelt. Geeigneter Weise wird ein Reaktor mit einem Wassereinlass am Boden und einem Auslass für das gereinigte Wasser am oberen Ende verwendet, jedoch ist eine solche Stelle nicht notwendig, insbesondere wenn geeignete Misch- und Zirkulationseinrichtungen verwendet werden. Der Reaktor ist konventionell mit einer Siebeinrichtung ausgerüstet, bei der die Maschenweite kleiner als der kleinste Durchmesser des Trägers ist. Dies dient zum Verhindern eines Austritts von Trägern aus dem Reaktor. Die Träger können leicht in den und aus dem Reaktor gepumpt werden, und Wartung erfordert nicht eine Unterbrechung beim Betrieb.
Die Träger, deren Verwendung, der Reaktor und das Verfahren gemäß der Erfindung bilden eine System, das im Vergleich mit den vorstehend beschriebenen, vorher bekannten Systemen mehrere Vorteile aufweist:

– Das Reaktorvolumen ist vollständig offen und die Wachstumsoberfläche für den Biofilm, bestehend aus festen, nicht porösen Teilchen, zirkulieren im Bioreaktor herum, während das spezifische Gewicht der Teilchen sehr nahe bei 1,0 kg/dm³ ist.
– Der Bioreaktor kann vollkommen geschlossen und das Trägermaterial eingetaucht sein, was einen optimalen Kontakt zwischen den Verunreinigungen im Wasser und den Mikroorganismen auf den Trägern sowie eine vollständige Kontrolle bei möglichen Geruchsstoffen aus dem Prozess möglich macht.
– Der Bioreaktor kann durch Luftaufnahme bzw. Lüften mit Sauerstoff angereichert werden, was eine korrekte Einstellung zwischen Verbrauch und Zufuhr von Sauerstoff möglich macht. Somit kann die organische Beschickung entsprechend der von der Biomasse verbrauchten eingestellt werden.

Das System gemäß der Erfindung hat darin die gleichen Vorteile wie die Aktivschlammsysteme, dass der Reaktor offen ist und deshalb nicht verstopft werden kann. Außerdem kann der Reaktor praktisch jede Form haben.
Ein großer Vorteil des vorliegenden Systems verglichen mit anderen Biofilmsystemen ist, dass existierende Aktivschlammsysteme sehr leicht so umgebaut werden können, dass das System gemäß der Erfindung an die auf dem Aktivschlammprinzip basierenden existierenden Installationen angepasst werden kann. Ein solcher Umbau ist bei den anderen Biofilmsystemen sehr kompliziert.
Der Unterschied zwischen dem vorliegenden System und dem oben diskutierten getauchten Biofilter ist primär, dass die Wachstumsfläche für Biofilm beim vorliegenden System im Bioreaktor als eine Konsequenz der durch die Lüftung oder durch hydrodynamische Kräfte gemachten Turbulenz herumzirkuliert wird, während die Wachstumsfläche im getauchten Biofilter, wie vorstehend dargelegt, stationär ist und normalerweise aus gerippten Kunststoffflocken, die zu Würfeln, die wie Gebäudeziegel einer auf dem anderen platziert sind, zusammengeklebt sind, oder aus einzelnen Elementen oder Granulaten, die im Bioreaktor zufällig platziert sind, aber die während des Betriebs des Biofilters noch stationär sind, besteht.
Bei dem vorliegenden System ist eine Verstopfung des Biofiltermediums nicht möglich, da das Biofiltermedium nicht stationär ist, sondern sich mit den Strömungen im Bioreaktor bewegt. Wenn die Lufteinrichtungen im Reaktor verstopft werden ist es sehr leicht, das Biofiltermedium dadurch zu entfernen, dass es einfach abgepumpt wird. Ähnlich kann es in den Bioreaktor eingepumpt werden, wenn der Prozess angefahren wird.
Wenn der Bioreaktor für anaerobische Prozesse verwendet wird, wo es keine Lüftung gibt, wird das Bioreaktormedium einem kontinuierlichen oder sporadischen Rühren unterworfen, beispielsweise mittels eines Propellerrührers oder durch Umwälz- bzw. Zirkulationspumpen. Demgemäss ist die Chance bzw. Wahrscheinlichkeit eines Verstopfens sehr gering, im Gegensatz dazu, wenn ein stationärer Biofilter verwendet wird, wo das Risiko eines Verstopfens bei einem anaerobischen System ziemlich groß ist. Der Reaktorinhalt kann hier erwärmt bzw. erhitzt werden, um die Reaktionsraten bzw. -geschwindigkeiten bei den anaeroben Prozessen zu erhöhen.
Beim vorliegenden System kann die für den Betrieb gewünschte Oberfläche pro Volumeneinheit festgelegt werden, und deswegen kann die Sauerstoffzufuhr bzw. -versorgung in exakter Übereinstimmung mit dem stattfindenden Sauerstoffverbrauch eingestellt werden. Die Sauerstoffversorgung kann auch so eingestellt werden, dass Luft anstatt reinem Sauerstoff zur Sauerstoffanreicherung verwendet werden kann. Die Teilchen, auf denen der Biofilm wächst, sind vergleichsweise groß, und sie sinken nicht, sondern zirkulieren oder werden zirkulierend gehalten, so dass die Teilchendichte unabhängig von der durch den Reaktor gewünschten Wassermenge gewählt werden kann.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird der Schlamm nicht zum Bioreaktor zurückgebracht.
Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist es, eine größere Zerfallsgeschwindigkeit bzw. -rate des Substrats pro Volumeneinheit des Reaktors als die bei Vergleichssystemen erhaltene zu erhalten und dadurch niedrigere Kosten pro zerfallender Gewichtseinheit des Substrats zu erhalten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem der Biofilm auf den in einem Reaktor, durch den das zu reinigende Wasser fließen kann, platzierten Trägern gemäß der Erfindung wachsen kann.
Wenn ein aerobischer biologischer Prozess im Bioreaktor stattfinden soll, wird der Inhalt des Reaktors belüftet. Durch die Belüftung werden die Träger im Reaktorvolumen vollkommen gemischt und dadurch wird ein guter Kontakt zwischen dem auf den Trägern wachsenden Biofilm und dem Substrat im Schmutzwasser sichergestellt.
Wenn ein anaerobischer Prozess im Bioreaktor stattfinden soll, wird der Inhalt des Reaktors nicht belüftet. Gründliches Mischen des Inhalts des Reaktors wird dann durch beispielsweise mechanisches Rühren (Propellerrührer) oder durch Zirkulationspumpen des Inhalts des Reaktors sichergestellt.
Normalerweise werden die Träger im Reaktor zurückgehalten, wenn das Wasser aus dem Reaktor durch eine Siebeinrichtung mit einer lichten bzw. leichten Öffnung kleiner als der Querschnitt der Träger fließt. Für spezielle Anwendungen, beispielsweise bei biologischer Entfernung von Phosphor, ist es möglich, die Träger dem Wasser aus dem Reaktor folgen zu lassen, später abzutrennen und zum Reaktor zurückbringen. Dies wird in einem Fall getan, um den Biofilm auf den durch sowohl einen aerobischen als auch anaerobischen Reaktor fließenden Träger wachsen zu lassen.
Die Reaktoren können in vorgefertigter Form sowohl für aerobische als auch anaerobische Verfahren vollständig geschlossen sein. Dies macht es möglich, den Geruch, der im Reaktor erzeugt werden kann, vollständig zu kontrollieren. Wenn der Reaktor sowohl bei aerobischen als auch in anaerobischen Prozessen verwendet wird, werden die Abgase von den Prozessen eingefangen und fortgeleitet. Bei aerobischen Prozessen bestehen die Abgase primär aus Kohlendioxid und kleineren Mengen anderer Gase, die in die Luft ausgelassen werden, fakultativ nach separater Desodorierung. Bei anaerobischen Prozessen bestehen die Abgase primär aus Methan und Kohlendioxid mit kleineren Mengen anderer Gase. Dieses Biogas hat einen hohen Wärmewert und kann demgemäss fakultativ zur Energieerzeugung verwendet werden.
Wenn die Erfindung zum Aufwerten bzw. Verbessern existierender Reinigungsanlagen verwendet wird, ist der Reaktor normalerweise offen, da die schon verfügbaren Bassins dann benutzt werden können (beispielsweise Belüftungstanks in Aktivschlamminstallationen). Die Menge an Trägern im Reaktor variiert entsprechend dem Anwendungsgebiet und dem verfügbaren Reaktorvolumen. Normalerweise ist die Menge so, dass die Träger in einem leeren Tank 30 bis 70% des Reaktorvolumens in Anspruch nehmen. Jedoch kann die Menge der Substratbeschickung, mit welcher der Reaktor arbeiten soll, eingestellt werden. Somit kann die Menge durch die Sauerstoffanreicherungskapazität des Reaktors bestimmt werden. Die drei wichtigsten Werte, die bei der Dimensionierung des Bioreaktors bestimmt werden müssen, sind das Volumen des Reaktors, die Zahl Träger pro Volumeneinheit und die zuzuführende Sauerstoffmenge (im Fall eines aerobischen Reaktors).
Der Reaktor für aerobische, anoxische oder anaerobische Wasserreinigung nach der Erfindung weist eine Einlass- und Auslasseinrichtung und, wie oben beschrieben, eine große Zahl Träger, wobei das Volumen der Träger in einem leeren Reaktor 30–70% des Reaktorvolumens repräsentieren, und eine Einrichtung zum Subspendieren und Bewegen der Träger im Reaktor auf.
Der Reaktor selbst kann aus allen relevanten Materialen gebaut sein, jedoch sind die vorgefertigten, geschlossenen Reaktoren normalerweise aus Stahl oder GAP gebaut, während die offenen Reaktoren normalerweise aus Beton oder Stahl gebaut sind.
Der Biofilmschlamm kann stromabwärts des Bioreaktors durch jede der relevanten Teilchentrenntechniken wie zum Beispiel Sedimentations-, Rotations-, Filtrations- und Membrantechnik, getrennt werden.
Wie vorstehend generell beschrieben kann der Bioreaktor für alle Reinigungstechniken auf der Basis biologischen Abbaus einer Substanz, die entfernt werden soll, verwendet werden.
Jedoch können die gebräuchlichsten Anwendungsgebiete sein:

– Entfernung einer organischen Substanz in Schmutzwasser durch aerobische Reaktion.
– Entfernung einer organischen Substanz in konzentriertem organischen Abwasser durch anaerobische Reaktion.
– Entfernung von Ammoniak durch Oxidation zu Nitrit und Nitrat durch aerobische Reaktion (Nitrifikation).
– Entfernung von Stickstoff durch Reduktion von Nitrit und Nitrat zu Stickstoffgas durch anaerobische (anoxische) Reaktion (Denitrifikation).
– Entfernung von Phosphor durch aerobische (anaerobische Reaktion.

Die Erfindung stellt die folgenden Vorteile bei der Reinigung von Schmutzwasser bereit:

– Der Bioreaktor gemäß der Erfindung benötigt ein kleineres Reaktorvolumen zur Entfernung einer gegebenen Gewichtseinheit einer Verunreinigungssubstanz (organische Substanz, Ammoniak usw.) als die existierenden traditionellen Anordnungen, da die Biomasse pro Volumeneinheit höher ist.
– In der vorgefertigten Form ist der vorliegende Bioreaktor normalerweise geschlossen, um eine bessere Kontrolle bei möglichen Geruchsgasen als bei den traditionellen Lösungen zu erhalten.
– In der aerobischen Ausführungsform gibt es eine bessere Möglichkeit zum Einstellen der Sauerstoffzufuhr entsprechend dem Sauerstoffbedarf als bei traditionellen Systemen.
– Aufgrund der großen Kontaktoberfläche zwischen der Biomasse und der zugeführten Luft besteht Grund zu der Annahme, dass der Sauerstoff im vorliegenden Reaktor besser genutzt wird als bei den traditionellen Aktivschlamminstallationen. Dies hat einen reduzierten Bedarf an Luft und folglich niedrigere Energiekosten zum Betrieb des vorliegenden Reaktors im Vergleich mit den Aktivschlammsystemen zur Folge.
– Der Reaktor hat sowohl für aerobe als auch anaerobe Systeme annähernd den gleichen Aufbau. Als Resultat kann ein aerobes System leicht in ein anaerobes System und umgekehrt umgebaut werden. Dies ist ein besonderer Vorteil für die Systeme, die sowohl einen aeroben als auch einen anaeroben Schritt benötigen, beispielsweise Systeme zur biologischen Entfernung von Stickstoff und/oder Phosphor.
– Verglichen mit getauchten Biofiltern mit einer stationären Wachstumsoberfläche für Biofilm ist die hier antizipierte Wachstumsfläche für Biofilm viel leichter aus dem Reaktorbehälter zu entfernen, was Reinigung, Inspektion und Wartung sowohl des Reaktorbehälters als auch des Belüftungssystems erleichtert und was die Risiken zur Verstopfung des Wachstumsoberflächenmediums reduziert.
– Existierende biologische Reinigungsanlagen auf der Basis von Aktivschlamm können ihre Kapazität leicht erhöhen, wenn existierende Reaktoren im System nach der Erfindung verwendet werden.

Ein einfacher Reaktor ist in der 4 veranschaulicht, wo der Reaktor 1 ein Zylinder ist, der Träger 2 für Biofilm enthält. Am Auslass 5 für gereinigtes Wasser ist der Reaktor mit einer Siebeinrichtung 3 ausgerüstet. Wasser wird durch ein Rohr am Boden des Behälters 4 eingespeist, und das Abgas wird durch ein Rohr 6 am oberen Ende ausgelassen. Schaumbildung kann mittels eines Berieselungs- bzw. Sprinklersystems 7, das Wasser auf die Oberfläche sprühen kann, verhindert werden.
5 veranschaulicht den Reaktor, der mit einer Einrichtung 8 zum Zumischen von Luft, welche die Luft durch eine Leitung 9 zuführt, ausgerüstet ist.
Die 6 und 7 veranschaulichen mit einer Rühreinrichtung zur Verwendung in anaerobischen Prozessen ausgerüstete Reaktoren, die aber sonst dem Reaktor nach 1 ähnlich sind. In 6 ist die Rühreinrichtung ein motorbetriebener Propellerrührer 10, und in 7 eine Zirkulationspumpe 11 in einem angebrachten Zirkulationsrohr 12.

Claims

Verfahren zur Wasserreinigung, bei dem Schmutzwasser durch einen Reaktor fließen kann, der Träger enthält, auf denen ein Biofilm wächst, der eine gewünschte Umwandlung von Verunreinigungen fördert, gekennzeichnet durch die Verwendung von Trägern, die Partikelelemente sind, welche von einem weichen, fakultativ recycelten Kunststoff präpariert worden sind und in der Form von Stücken eines Rohrs mit inneren Trennwänden sind, wobei die Träger a) eine Oberfläche, die mindestens 1,5fach so groß wie die Außenfläche eines glatten Elementes der gleichen Dimensionen ist, und b) eine Dichte im Bereich von 0,90 bis 1,20, normalerweise 0,92 bis 0,98, insbesondere 0,92 bis 0,96 kg/dm³, c) wobei etwas von der Oberfläche gegen Biofilmverschleiß während der Benutzung geschützt ist, und d) Wände, die einen leichten Durchtritt von Wasser erlauben, und e) lineare Dimensionen im Bereich 0,2–3 cm, insbesondere 0,5–1,5 cm aufweisen, wobei die Träger mit Biofilm suspendiert gehalten sind und sich im Wasser in einem Reaktor mit Einlass und Auslass und fakultativ einer Mischeinrichtung bewegen, und wobei Schlamm, der den Reaktor verlässt, nicht zum Reaktor zurückgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verwendung von Trägern mit einer Oberfläche, die wenigstens 2fach so groß wie die Außenfläche eines glatten Elements der gleichen Dimensionen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Verwendung von Trägern, die Stücke eines extrudierten Kunststoffrohrs sind.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Verwendung von Trägern, die Stücke eines extrudierten Rohrs sind, das Trennwände auf der Innenseite des Umfangs in der Längsrichtung des Rohrs und Rippen auf der Außenseite in der Längsrichtung aufweist.
Reaktor (1) zur aeroben, anoxischen oder anaeroben Wasserreinigung, mit einer Einlass- (4) und Auslasseinrichtung (5, 6), dadurch gekennzeichnet, dass er eine große Zahl Träger (2) für Biofilm aufweist, wobei die Träger Kunststoffpartikelelemente sind, die von einem weichen, fakultativ recycelten Kunststoff präpariert worden sind und in der Form von Stücken eines Rohrs mit inneren Trennwänden sind, wobei die Träger a) eine Oberfläche, die wenigstens 1,5fach so groß wie die Außenfläche eines glatten Elements der gleichen Dimensionen ist, und b) eine Dichte im Bereich von 0,90 bis 1,20, normalerweise 0,92 bis 0,98, insbesondere 0,92 bis 0,96 kg/dm³, c) wobei etwas von der Oberfläche gegen Biofilmverschleiß während der Benutzung geschützt ist, und d) Wände, die einen leichten Durchtritt von Wasser erlauben, und e) lineare Dimensionen im Bereich von 0,2–3 cm, insbesondere 0,5–1,5 cm aufweisen, wobei das Volumen der Träger in einem leeren Reaktor 30–70% des Reaktorvolumens repräsentieren, und mit einer Einrichtung zum Suspendieren und Bewegen der Träger im Reaktor.
Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger Stücke eines extrudierten Kunststoffrohrs sind.
Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger Stücke eines extrudierten Rohrs sind, das Trennwände auf der Innenseite des Umfangs in der Längsrichtung des Rohrs und Rippen auf der Außenseite in der Längsrichtung aufweist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Siebeinrichtung (3) zum Trennen der Träger von der Flüssigkeit am Auslass (5) aufweist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur aeroben Wasserreinigung, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Einrichtung für den Zusatz von Luft (8) aufweist, die mit Luft durch einen Lufteinlass (9) zugeführt wird.
Reaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur aeroben Wasserreinigung, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mischeinrichtung in der Form eines mechanischen Rührers (10) oder einer Zirkulationspumpe (11) aufweist.