WO2007062621A1 - Abwasserbehandlungsanlage mit membraneinheit - Google Patents

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WO2007062621A1
WO2007062621A1 PCT/DE2006/002012 DE2006002012W WO2007062621A1 WO 2007062621 A1 WO2007062621 A1 WO 2007062621A1 DE 2006002012 W DE2006002012 W DE 2006002012W WO 2007062621 A1 WO2007062621 A1 WO 2007062621A1
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Christian Uphoff
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Georg Fritzmeier Gmbh & Co. Kg
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a waste water treatment plant with a membrane unit, as well as a waste water treatment plant with a membrane unit.
  • the prior art discloses sewage treatment plants with wastewater treatment plants, in which the membrane unit performs a physical separation of an activated sludge-wastewater mixture.
  • wastewater treatment plants are mainly used for the treatment of domestic wastewater and are usually purely mechanical multi-chamber systems, which were equipped with an additional biological stage and a membrane unit.
  • the treated wastewater is either seeped away after passing through the wastewater treatment plant or fed to the next open water.
  • the biological stage often has a bioreactor, which may consist, for example, of photocatalytically active surfaces and a filling body, wherein the filling body may comprise a microbiotic mixture of photosynthetically active microorganisms and luminescent bacteria.
  • a bioreactor which may consist, for example, of photocatalytically active surfaces and a filling body, wherein the filling body may comprise a microbiotic mixture of photosynthetically active microorganisms and luminescent bacteria.
  • a filtration membrane which separates the microbiotic mixture and the pollutants still contained in the wastewater from the treated wastewater.
  • a pressure difference is built up in front of or behind the membrane, due to which the water to be purified by the membrane is sucked.
  • the pore size may vary, but is optimally in the range of ultrafiltration so that solids, bacteria and other germs remain on the wastewater side and only water molecules, ions and low molecular weight substances pass through the membrane.
  • Such a membrane filter system is described, for example, in DE 102004009886 A1.
  • a disadvantage of these membrane filter systems is that the substances remaining on the wastewater side accumulate on the membrane.
  • a covering layer forms due to the filter effect of the membrane, which is formed by the suspending ingredients present in the wastewater.
  • a cover layer occurs at very high pollutant concentration, a cover layer (so-called scaling), since the solubility limit of the dissolved pollutants is exceeded at the membrane.
  • the covering layer Since the flow through the membrane is impaired or even completely prevented by this covering layer formation, the covering layer must be removed from the membrane or the formation of a covering layer must be prevented. This is done in the art by altering the physical and biometric surface properties of the membrane base materials.
  • the present invention is based on the idea of protecting the membrane from clogging by the attachment of particles which dissolve after a definable time.
  • the surface-active components of the particles prevent fouling, while the contents of the particles released during dissolution, that is to say during biodegradation, prevent the scaling.
  • These particles are preferably added to the plant prior to starting up a wastewater treatment plant.
  • the membrane has a certain surface charge, and particles with different defined surface charges can be produced.
  • the particles consist of polymer electrolytes, since these molecules have fixed charges.
  • the particles have a surface with surface-active components, which may be, for example, a block copolymer. This is chosen so that it is biodegradable and this biodegradation releases the ingredients of the particles, which in turn the scaling by shifting the
  • Solubility products of the main salts CaC ⁇ 3 CaSO ⁇ and BaSO4 is prevented.
  • the surface-active components are selected from the group of archaea.
  • thermoplasma to use acidophilum.
  • this or the archaea is generally additionally bound with water glass, in particular with potassium water glass, the combination of water glass with the tetraether lipids present in the membranes of the archaea leads to increased mass transport away from the membrane. The bond is in the form of a coating.
  • the coating of the water glass with the tetraether lipids leads to a significant increase in the water contact angle - ie a more hydrophobic surface, a significant reduction of the total surface tension and polarity, a reduction of the surface potential, an increase of the selective sorption from the liquid mixture into the membrane - So an improvement of the thermodynamic properties, and to a selective diffusion of the components through the membrane, ie an improvement in the kinetic properties.
  • the particles contain microorganisms, so that when starting the system, the membrane is doubly protected.
  • the microorganisms are either embedded in the particles via a polymer matrix which dissolves after a definable time, or surrounded by a polymer layer.
  • the particles consist of polyalkylcyanoacrylate (PACA).
  • PPA polyalkylcyanoacrylate
  • these are biodegradable and the polymerization process takes place under moderate conditions.
  • they may include both hydrophilic and hydrophobic microorganisms.
  • they can both embed the microorganisms in their polymer matrix - nanospheres, as well as the microorganisms coat with a polymer layer - nanocapsules. This allows, on the one hand, in the case of nanocapsules a complete release of the microorganisms after a certain time, on the other hand, the microorganisms can also evenly over a period of time be released when nanospheres are used.
  • Particularly advantageous is an embodiment in which a mixture of "empty" particles, nanospheres with microorganisms and nanocapsules with microorganisms is used. This allows a release of the microorganisms optimally adapted to the properties of the starting process and reliably prevents clogging of the membrane.
  • the main advantage is that due to the driving force of the particles deposited on the membrane, no or only a drastically reduced vacuum is required on the permeate side, since the desorption has no influence on the permeation flow. This is especially true for azeotropic organic mixtures which are difficult to separate with the distillation. In addition, there is a decrease in the biochemical potential on the permeate side.
  • Figure 1 A schematic representation of a wastewater treatment plant with biological stage and membrane unit
  • FIG. 2A a schematic sectional representation of an exemplary embodiment of the membrane unit of the wastewater treatment plant according to the invention shortly before the system is started;
  • FIG. 2 B The schematic detail representation of the exemplary embodiment from FIG. 2A after a certain point in time T 1 after the system has been started /
  • Figure 2 C The schematic sectional view of the embodiment of Figure 2A in fully started operation.
  • FIG. 1 shows a section through a
  • Wastewater treatment plant 1 with a biological stage - which is realized in this embodiment by a bioreactor 2, and a membrane unit 3, which are arranged in a multi-chamber pit 4.
  • the present invention can also be implemented in a wastewater treatment plant which does not have a biological stage in the sense of a classic oxidative treatment, but only provides a mechanical treatment of the wastewater.
  • a wastewater treatment plant with a biological stage is a tank 6, which is subdivided by a partition wall 8 into several sub-chambers, of which only a first chamber 10 and a further chamber 12 are shown in FIG.
  • the wastewater to be purified flows to the multi-chamber pit through an inlet 14 and enters a first - not shown - chamber and can flow through passages 16 in the walls 8 in the next sub-chamber 12 and from there into the last sub-chamber 10.
  • the drain 20 is chosen so that the sediments and the floating matter remain in the chambers 10 and 12 and the purified wastewater is discharged without these impurities.
  • the bioreactor 2 is provided in the chamber 10, which represents a biological stage.
  • the main component of this bioreactor is a container 22, which is designed as a floating body in the illustrated embodiment, that is, it has enough buoyancy that it floats in the biological wastewater to be treated.
  • a vertical guide 24 is arranged in the chamber 10, which may be supported for example on the partition wall 8 and / or the side walls of the multi-chamber pit 6 (see dashed lines in Figure 1).
  • the container 22 is slidably disposed along this vertical guide 24 in the X direction in Figure 1, so that it is depending on the liquid level 18 within the chamber 10 as a float up or down movable.
  • a microbiotic mixture is introduced, which forms a biofilm.
  • This microbiotic mixture consists in the illustrated embodiment of a proportion photosynthetically acting and a proportion of light-emitting microorganisms.
  • the interaction between the photosynthetic microorganisms and the luminescent bacteria causes the photosynthetic microorganisms are excited by the emitted light of the luminescent bacteria for photosynthesis.
  • the microorganisms operate photosynthesis with hydrogen sulfide and water as starting material and release sulfur or oxygen. They can also bind nitrogen as well as phosphate and degrade organic and inorganic matter.
  • the concrete composition of this mixed microbiotic culture reference is made to the patent applications DE 100 62 812 A1 and DE 101 49 447 A1 of the Applicant for the sake of simplicity.
  • the membrane unit 3 separates the activated sludge, ie dirt particles, pollutants and microorganisms, physically. from the purified water.
  • a membrane unit consists essentially of a box in which a membrane is arranged, through which the water is filtered. For this purpose, a pressure difference is built up before or after the membrane, due to which the water to be purified is sucked through the membrane.
  • the membrane itself has pores 32, which are in the order of a few nanometers in the case of ultrafiltration. Ideally, the pore size is about 38 nm, which ensures that only ions and low molecular weight substances can pass through the membrane 3 in addition to water molecules.
  • FIGS. 2A to 2C only show a greatly enlarged section of the membrane unit 3, in which only the membrane 30 can be seen.
  • particles 34, 36 are added to the wastewater. These particles can have different properties.
  • the particles of the first kind - so-called nanospheres - are denoted by the reference numeral 34
  • the particles of the second kind - so-called nanocapsules - are identified by the reference numeral 36.
  • the difference between the two types of particles is the different ways in which the particles shown here can accommodate microorganisms 38, 40.
  • the microorganisms 38 are embedded in a polymer matrix 42. Particularly advantageous is the use of polyalkylcyanoacrylate (PACA), since this is biodegradable and has a moderate polymerization process. In addition, both hydrophilic and hydrophobic microorganisms can be included. These nanospheres 34 may also have a coating that carries a defined surface charge.
  • PPA polyalkylcyanoacrylate
  • the use of PACA is also advantageous with the nanocapsules 36.
  • the nanocapsules 36 are a polymer shell 44 which encloses a liquid-filled cavity 46, which in turn has the microorganisms 40.
  • the alkyl cyanoacrylate monomer can be dissolved in an anhydrous, oil-containing, ethanol phase. This phase can then be dispersed in an aqueous surfactant solution. Upon contact with the aqueous phase, an oil-in-water emulsion forms. At the interface of both phases, the amphiphilic monomer reacts in an anionic polymerization to form the nanocapsules.
  • the microorganisms 40 are dissolved in the oil of the organic phase and can thus be incorporated in the polymerization in the capsules.
  • the use of certain surfactant molecules of the aqueous phase allows a determination of a surface charge, since the surfactant molecules can be absorbed on the particle surface.
  • the two types of particles differ in the nature of the release of the microorganisms: While in the nanocapsules the release of microorganisms with time exponential Is it constant in the nanosphere over a longer period of time.
  • FIG. 2A shows the section of the membrane 30 at a time T0 before the start of the installation. Since the membrane 30 and the particles 34, 36 have a specific surface charge, the added particles 34, 36 preferably arrange in the vicinity of the membrane. If the charge is the same direction (case shown here), the particles orientate due to the flow at the membrane, but they do not touch. In the case of opposite charge (not shown), the particles attach to the membrane surface. However, they keep a distance from each other (same charge), so that a complete coating with particles does not occur and purified water can pass through the membrane unhindered.
  • FIG. 2B shows a situation shortly after the system has started up. Since the plant is not yet in full operation, but microorganisms are already needed for the degradation of the pollutants present in the water, the nanocapsules are designed so that they dissolve after a short time Tl and their contents, in this case the microorganisms 40, release into the water. So that no fouling with microorganisms on the membrane, a so-called biofilm formation, does not occur, the nanospheres 34 still partially free the membrane from fouling. In addition, not so many microorganisms are dissolved in the water that an immediate biofilm formation is observed on the membrane.
  • the function of the particles can only consist in preventing the activated sludge and the microorganisms contained in the chamber from the membrane. All you have to do is insert empty capsules into the water. This is particularly advantageous, since a tedious storage of the microorganisms is omitted in the particles.
  • the particles then dissolve as planned after a certain time and release the membrane. At this time, if the plant is already in full operation, the membrane is prevented from biofilm growth by the abrasive action of the solids (e.g., soil particles) and the formation of air bubbles. The particles thus form a protective layer which dissolves over time on the membrane.
  • Disclosed is a method for operating a wastewater treatment plant, as well as a
  • Wastewater treatment plant with a membrane unit in which the addition of particles, which are preferably located in the vicinity of the membrane and dissolve with a time delay, prevents biofilm formation of the membrane.

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Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zum Betreiben einer Abwasserbehandlungsanlage, sowie eine Abwasserbehandlungsanlage mit einer Membraneinheit, bei denen durch die Zugaben von Partikel, die sich bevorzugt in der Nähe der Membran aufhalten und sich zeitverzögert auflösen, ein Bewuchs der Membran mit einem Biofilm verhindert wird.

Description

ABWASSERBEHANDLTINGSANLAGE MIT MEMBRANEINHEIT
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abwasserbehandlungsanlage mit einer Membraneinheit, sowie eine Abwasserbehandlungsanlage mit einer Membraneinheit.
Aus dem Stand der Technik sind Kläranlagen mit Abwasserbehandlungsanlagen bekannt, bei denen die Membraneinheit eine physikalische Trennung eines Belebtschlamm - Abwasser - Gemischs durchführt. Solche Abwasserbehandlungsanlagen dienen hauptsächlich zur Behandlung von häuslichem Abwasser und sind meist rein mechanisch arbeitende Mehrkammeranlagen, die mit einer zusätzlichen biologischen Stufe und einer Membraneinheit ausgestattet wurden. Das behandelte Abwasser wird nach Durchfließen der Abwasserbehandlungsanlage entweder versickert oder dem nächsten offenen Gewässer zugeleitet.
Die biologische Stufe weist oft einen Bioreaktor auf, der beispielsweise aus photokatalytisch aktiven Oberflächen und einem Füllkörper bestehen kann, wobei der Füllkörper eine mikrobiotische Mischung aus photosynthetisch wirkenden Mikroorganismen und Leuchtbakterien beinhalten kann.
Der Abbau der Schadstoffe erfolgt mittels dieser mi- krobiotischen Mischung, wobei das Zusammenspiel von photosynthetisch wirkenden Mikroorganismen und Leuchtbakterien ausgenützt wird - eine genaue Beschreibung der Wirkweise der Mischung findet sich in den Druckschriften DE 100 62 812 und DE 101 49 447.
Zusätzlich ist eine Filtrationsmembran vorgesehen, die die mikrobiotische Mischung und die noch im Abwasser enthaltenen Schadstoffe vom gereinigten Abwasser trennt. Dabei wird eine Druckdifferenz vor bzw. hinter der Membran aufgebaut, aufgrund derer das zu reinigende Wasser durch die Membran gesaugt wird. Die Porengröße kann variieren, liegt jedoch optimalerweise im Bereich der Ultrafiltration, so dass Feststoffe, Bakterien und andere Keime auf der Abwasserseite verbleiben und nur Wassermoleküle, Ionen und niedermolekulare Substanzen durch die Membran gelangen. Eine solche Membranfilteranlage ist beispielsweise in der DE 102004009886 Al beschrieben.
Nachteilig an diesen Membranfilteranlagen ist jedoch, dass sich die auf der Abwasserseite verbleibenden Stoffe an der Membran anlagern. Dabei sind zwei Prozesse maßgeblich: Zum einen bildet sich in den ersten Verfahrensabläufen, beispielsweise beim Anfahren der Anlage, aufgrund des Filtereffekts der Membran eine Deckschicht (sogenanntes Fouling) , die durch die im Abwasser vorhandenen suspendierenden Inhaltsstoffe gebildet wird. Zum anderen tritt bei sehr hoher Schadstoffkonzentration eine Deckschicht (sogenanntes Scaling) auf, da an der Membran die Löslichkeitsgrenze der gelösten Schadstoffe überschritten wird.
Da durch diese Deckschichtbildung der Durchfluss durch die Membran verschlechtert bzw. sogar ganz verhindert wird, muss die Deckschicht von der Membran entfernt werden bzw. die Bildung einer Deckschicht verhindert werden. Dies geschieht im Stand der Technik durch Veränderungen der physikalischen und biometrischen Oberflächeneigenschaften der Membranbasismaterialien.
Beispielsweise basieren wirksame Antifoulingstrategien auf der Freisetzung chemischer, stark chlor- oder zinnhaltiger Verbindungen oder auf der abrasiven Wirkung abrasiver Wasserinhaltstoffe in Verbindung mit oxidativen Prozessen. In der Patentanmeldung DE 102004009886 Al wird außerdem vorgeschlagen, diese abrasiven Wasserinhaltstoffe über eine Querströmung und eine gleichzeitige zielgerichtete Luftblasenströmung an die Membran zu führen und die Deckschicht durch Strömungsdruck und Wirbelausbildung zu entfernen. Nachteilig ist jedoch, dass gerade bei Anfahrprozessen oder bei stark diskontinuierlichem Betrieb die benötigte Abrasivität nicht erreicht wird, auch wenn, wie im Stand der Töchnik vorgeschlagen wird, dem Abwasser zusätzlich Mikroorganismen und Nährstofflösungen zur schnellen Erhöhung der Raumbelastung, insbesondere in Form von zusätzlichem Belebtschlamm, zugegeben werden.
Alternative Verfahren sind beispielsweise anorganisch- antibakterielle Leaching-Verfahren, organisch-antiadhäsive Systeme, sterische Barrierewirkungen spezieller Polysaccharid-Beschichtungen, gezielte Modifikation der pysikochemischen Materialparameter oder die Integration spezifisch wirkender Funktionsmoleküle. Aber auch diese Verfahren erreichen nicht die gewünschte zuverlässige Verhinderung der Deckschichtbildung.
Zum Lösen der durch Scaling entstandenen Deckschicht wird im Stand der Technik vorgeschlagen, die Membran mit Säure, beispielsweise mit Zitronensäure/ zu spülen. Dies gestaltet sich jedoch vor allem bei Membranen mit Wickel- und Hohlfasermodulen als sehr schwierig.
Es besteht deshalb die Aufgabe für vorliegende Erfindung, ein Verfahren und eine Anlage zum Reinigen von Abwasser bereitzustellen, das ein Zusetzen der Membran mit einer Deckschicht zuverlässig verhindert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Abwasserbehandlungsanlage gemäß Patentanspruch 19.
Da die Entwicklung von Fouling- und Biofilmbildung komplexe heterogenen Prozesse sind, die von Mikroorganismen, der Materialoberfläche und den Wasserinhaltstoffen, sowie den hydrodynamischen Zuständen in Wechselwirkung beeinflußt werden, ist insbesondere die Primärbesiedelung- also das Zusetzen der Membran mit im Abwasser gelösten Stoffen und aufgrund der in der biologischen Stufe vorhandenen Mikroorganismen beim Anfahren der Anlage ein Problem.
Maßgeblich für die Bildung einer Deckschicht bzw. eines Biofilms beim Scaling sind jedoch die Wechselwirkungen an der Grenzfläche Substrat/Biosystem.
Deshalb basiert vorliegende Erfindung auf der Idee, die Membran mittels der Anlagerung von Partikeln, die sich nach einer festlegbaren Zeit auflösen, vor einem Zusetzen zu schützen. Dabei unterbinden die oberflächenaktiven Komponenten der Partikel das Fouling, während die beim Auflösen, also beim biologischen Abbau, der Partikel freigesetzten Inhaltstoffe der Partikel das Scaling verhindern. Diese Partikel werden vorzugsweise vor dem Anfahren einer Abwasserbehandlungsanlage der Anlage zugegeben.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ausgenützt, dass die Membran eine bestimmte Oberflächenladung aufweist, und Partikel mit unterschiedlichen definierten Oberflächenladungen hergestellt werden können.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Partikel aus Polymerelektrolyten bestehen, da diese Moleküle mit festgelegten Ladungen aufweisen.
In einem weiteren besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiel weisen die Partikel eine Oberfläche mit oberflächenaktiven Komponenten auf, die beispielsweise ein Block-Copolymer sein kann. Diese ist dabei so gewählt, dass sie biologisch abbaubar ist und dieser biologische Abbau die Inhaltsstoffe der Partikel freisetzt, wodurch wiederum das Scaling durch eine Verschiebung der
Löslichkeitsprodukte der wichtigsten Salze CaCθ3 CaSO^ und BaSO4 verhindert wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die oberflächenaktiven Komponenten aus der Gruppe der Archaea gewählt sind. Insbesondere ist es von Vorteil Thermoplasma acidophilum zu verwenden. Ist dieses oder die Archaea allgemein zusätzlich in Bindung mit Wasserglas, insbesondere mit Kaliwasserglas, führt die Kombination von Wasserglas mit den in den Membranen der Archaea vorhandenen Tetraetherlipiden zu einem verstärkten Stofftransport von der Membran weg. Dabei liegt die Bindung in Form einer Beschichtung vor.
Zudem führt die Beschichtung des Wasserglas mit den Tetraetherlipiden zu einem erheblichen Anstieg des Wasserkontaktwinkels - also zu einer hydrophoberen Oberfläche, einer erheblichen Reduzierung der Gesamtoberflächenspannung und der Polarität, zu einer Reduzierung des Oberflächenpotentials, zu einer Steigerung der selektiven Sorption aus der flüssigen Mischung in die Membran - also einer Verbesserung der thermodynamischen Eigenschaften, und zu einer selektiven Diffusion der Komponenten durch die Membran- also einer Verbesserung der kinetischen Eigenschaften.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Partikel Mikroorganismen enthalten, so dass beim Anfahren der Anlage die Membran doppelt geschützt ist. Dazu werden die Mikroorganismen entweder in die Partikel über eine Polymermatrix, die sich nach einer festlegbaren Zeit auflöst, eingebettet, oder von einer Polymerschicht umgeben .
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die Partikel aus Polyalkylcyanoacrylat (PACA) . Diese sind biologisch abbaubar und der Polyiuerisationsprozess läuft unter moderaten Bedingungen ab. Darüber hinaus können sie sowohl hydrophile als auch hydrophobe Mikroorganismen einschließen. Zudem können sie sowohl die Mikroorganismen in ihre Polymermatrix einbetten - Nanosphären, als auch die Mikroorganismen mit einer Polymerschicht überziehen - Nanokapseln. Dies erlaubt zum einen, in dem Fall von Nanokapseln eine komplette Freisetzung der Mikroorganismen nach einer gewissen Zeit, zum anderen können die Mikroorganismen auch gleichmäßig über eine gewisse Zeit hinweg freigesetzt werden, wenn Nanosphären verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mischung aus "leeren" Partikel, Nanosphären mit Mikroorganismen und Nanokapseln mit Mikroorganismen verwendet wird. Dies erlaubt eine den Eigenschaften des Anfahrprozesses optimal angepasste Freisetzung der Mikroorganismen und verhindert zuverlässig ein Zusetzen der Membran.
Alle oben genannten Vorteile und vorteilhaften Ausführungsformen führen dazu, dass zum einen Fouling und Scaling dann verhindert werden, wenn es notwendig ist, also beim Anfahren der Anlage bzw. bei stark diskontinuierlichem Betrieb und bei hohen Schadstoffkonzentrationen. Des weiteren kann der Salzgehalt im Konzentratwasser erhöht werden, ohne die gesamte Biologie zu destabilisieren. Da die Membran durch das erfindungsgemäße Verfahren und seine bevorzugten Ausführungsformen relativ sauber gehalten wird, sind deutlich geringere Reinigungszyklen erforderlich und die Membranmodule können länger in der Anlage verbleiben. Diese wiederum reduziert die Investitions- und Folgekosten bei Neu- und Wiederholungsbeschickung, bei Austausch der Membraneinheiten und bei den Reinigungschemikalien. Dadurch reduzieren sich die Membrankosten auf ein sinnvolles Maß.
Hauptvorteil ist jedoch, dass durch die Triebkraft der an der Membran angelagerten Partikel permeatseitig kein oder nur ein drastisch verringertes Vakuum notwendig ist, da die Desorption keinen Einfluss auf den Permeationsstrom hat. Dies gilt insbesondere für azeotrope organische Gemische, welche mit der Destillation schwer trennbar sind. Zudem kommt es auf der Permeatseite zu einer Erniedrigung des biochemischen Potentials.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen noch deutlicher dargestellt werden. Die Zeichnungen zeigen dabei lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele und sollen nicht dazu verwendet werden, den Umfang der Anmeldung auf die gezeigten Beispiele einzuschränken.
Es zeigen:
Figur 1: Eine schematische Darstellung einer Abwasserbehandlungsanlage mit biologischer Stufe und Membraneinheit;
Figur 2 A: Eine schematische Ausschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Membraneinheit der erfindungsgemäßen Abwasserbehandlungsanlage kurz vor dem Starten der Anlage;
Figur 2 B: Die schematische Ausschnittsdarstellung des Ausführungsbeispiels aus Figur 2A nach einem bestimmten Zeitpunkt Tl nach dem Starten der Anlage/
Figur 2 C: Die schematische Ausschnittsdarstellung des Ausführungsbeispiels aus Figur 2A im voll angefahrenen Betrieb .
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine
Abwasserbehandlungsanlage 1 mit einer biologischen Stufe - die in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Bioreaktor 2 realisiert ist, und einer Membraneinheit 3, die in einer Mehrkammergrube 4 angeordnet sind. Vorliegende Erfindung ist aber auch in einer Abwasserbehandlungsanlage realisierbar, die keine biologische Stufe im Sinne einer klassischen oxidativen Behandlung aufweist, sondern nur eine mechanische Behandlung des Abwassers bereitstellt. Es handelt sich bei einer Abwasserbehandlungsanlage mit biologischer Stufe im Prinzip um einen Behälter 6, der durch je eine Trennwand 8 in mehrere Teilkammern unterteilt ist, von denen in Figur 1 lediglich eine erste Kammer 10 und eine weitere Kammer 12 dargestellt sind. Das zu reinigende Abwasser strömt der Mehrkammergrube durch einen Zufluss 14 zu und tritt in eine erste - nicht dargestellte - Kammer ein und kann durch Durchlässe 16 in den Wänden 8 in die nächste Teilkammer 12 und von dort in die letzte Teilkammer 10 abströmen. In den einzelnen Kammern 10 und 12 setzen sich absetzbare Stoffe durch Sedimentation ab, während Schwimmstoffe auf der Flüssigkeitsoberfläche 18 auf schwimmen. Der Abfluss 20 ist so gewählt, dass die Sedimente und die Schwimmstoffe in den Kammern 10 und 12 verbleiben und das gereinigte Abwasser ohne diese Störstoffe abgeführt wird. Zur biologischen Aufbereitung ist in der Kammer 10 der Bioreaktor 2 vorgesehen, der eine biologische Stufe darstellt. Der Hauptbestandteil dieses Bioreaktors ist ein Behältnis 22, das beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Schwimmkörper ausgebildet ist, d.h. es hat genügend Auftrieb, dass es in dem biologisch zu behandelnden Abwasser schwimmt. Zur Lagepositionierung des Behältnisses 22 ist in der Kammer 10 eine Vertikalführung 24 angeordnet, die beispielsweise an der Trennwand 8 und/oder den Seitenwänden der Mehrkammergrube 6 abgestützt sein kann (siehe gestrichelte Linien in Figur 1) . Das Behältnis 22 ist entlang dieser Vertikalführung 24 in X- Richtung in Figur 1 verschiebbar angeordnet, so dass es je nach Flüssigkeitsspiegel 18 innerhalb der Kammer 10 als Schwimmkörper auf oder ab bewegbar ist.
In das Behältnis 22 und die Kammer 10 ist eine mikro- biotische Mischung eingebracht, die einen Biofilm ausbildet. Diese mikrobiotische Mischung besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Anteil photosynthetisch wirkenden und einem Anteil lichtemittierenden Mikroorganismen. Das Wechselspiel zwischen den photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und den Leuchtbakterien führt dazu, dass die photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen durch das emittierte Licht der Leuchtbakterien zur Photosynthese angeregt werden. Die Mikroorganismen betreiben die Photosynthese mit Schwefelwasserstoff und Wasser als Edukt und setzen Schwefel bzw. Sauerstoff frei. Ferner können sie Stickstoff sowie Phosphat binden und organische sowie anorganische Materie abbauen. Hinsichtlich der konkreten Zusammensetzung dieser mikrobiotischen Mischkultur wird der Einfachheit halber auf die Patentanmeldungen DE 100 62 812 Al und DE 101 49 447 Al der Anmelderin verwiesen.
Die Membraneinheit 3 trennt den Belebtschlamm d.h. Schmutzpartikel, Schadstoffe und Mikroorganismen physika- lisch von dem gereinigten Wasser. Eine solche Membraneinheit besteht im wesentlichen aus einem Kasten, in dem eine Membran angeordnet ist, durch die das Wasser gefiltert wird. Dazu wird eine Druckdifferenz vor bzw. hinter der Membran aufgebaut, aufgrund derer das zu reinigenden Wasser durch die Membran gesaugt wird. Die Membran selbst weist Poren 32 auf, die im Fall der Ultrafiltration in der Größenordnung von wenigen Nanometern liegen. Idealerweise beträgt die Porengröße ca. 38 nm, wodurch gewährleistet wird, dass neben Wassermolekülen nur Ionen und niedermolekulare Substanzen die Membran 3 passieren können. Damit eine Reinigung der Membran von der sich daran anlagernden Biomasse erfolgt, kann beispielsweise Luft an der Membran entlang geleitet werden, so dass die dadurch entstehenden Turbulenzen, die Luftblasen und die Schmutzpartikel die Membran vor einem Zusetzen bewahren. Zusätzlich können an der Membraneinheit Siebe vorhanden sein, um die Membran nicht übermäßig mit Schmutzpartikeln zu belasten.
Da, wie bereits in der Einleitung beschrieben, gerade beim Starten der Anlage noch nicht genügend Schmutzpartikel und Luftblasen vorhanden sind, um eine ausreichend hohe Abrasivität zum Freihalten der Membran aufzubringen, setzt sich die Membran beim Starten der Anlage leicht zu. Damit dies nicht geschieht, werden erfindungsgemäß Partikel in das Wasser der Kammer 10 eingebracht, die durch eine gezielte Anordnung an der Membran ein Zusetzen dieser beim Startvorgang der Anlage verhindern. Um dieses Prinzip genau darstellen zu können zeigen die Figuren 2A bis 2C nur einen stark vergrößerten Ausschnitt der Membraneinheit 3, in dem nur die Membran 30 zu sehen ist.
Damit ein Zusetzen der Membran während des Startvorgangs verhindert wird, werden dem Abwasser Partikel 34, 36 zugegeben. Diese Partikel können unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. In dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2A bis 2C sind zwei Arten von Partikeln vorgesehen. Die Partikel der ersten Art - sogenannte Nanosphären - sind mit dem Bezugszeichen 34, die Partikel der zweiten Art - sogenannte Nanokapseln - sind mit dem Bezugszeichen 36 gekennzeichnet. Der Unterschied zwischen den beiden Arten von Partikeln besteht in der unterschiedlichen Art und Weise mit der die hier dargestellten Partikel Mikroorganismen 38, 40 aufnehmen können.
Bei den Nanosphären 34 werden die Mikroorganismen 38 in eine Polymermatrix 42 eingebettet. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung von Polyalkylcyanoacrylat (PACA) ,, da dieses biologisch abbaubar ist und einen moderaten Polymerisationsprozess aufweist. Zudem können sowohl hydrophile als auch hydrophobe Mikroorganismen eingeschlossen werden. Diese Nanosphären 34 können außerdem eine Beschichtung aufweisen, die eine definierte Oberflächenladung trägt.
Die Verwendung von PACA ist auch bei den Nanokapseln 36 vorteilhaft. Im Gegensatz zu den Nanosphären 34 handelt es sich bei den Nanokapseln 36 um eine Polymerhülle 44, die einen flüssigkeitsgefüllten Hohlraum 46 umschließt, der wiederum die Mikroorganismen 40 aufweist. Bei der Herstellung kann beispielsweise das Alkylcyanoacrylat- Monomer in einer wasserfreien, ein Öl enthaltenden, Ethanolphase gelöst werden. Diese Phase kann dann in einer wässrigen Tensidlösung dispergiert werden. Bei Kontakt mit der wässrigen Phase bildet sich eine Öl-in-Wasser-Emulsion. An der Grenzfläche beider Phasen reagiert das amphiphile Monomer in einer anionischen Polymerisation und bildet die Nanokapseln. Die Mikroorganismen 40 werden dabei in dem Öl der organischen Phase gelöst und können so bei der Polymerisation in die Kapseln inkorporiert werden. Die Verwendung bestimmter Tensidmoleküle der wässrigen Phase ermöglicht eine Festlegung einer Oberflächenladung, da die Tensidmoleküle auf der Partikeloberfläche absorbiert werden können.
Aufgrund ihres verschiedenen Designs unterscheiden sich die beiden Partikeltypen in der Art der Freisetzung der Mikroorganismen: Während bei den Nanokapseln die Freisetzung der Mikroorganismen mit der Zeit exponentiell abfällt, Ist sie bei den Nanosphären über einen längeren Zeitraum konstant.
Figur 2A zeigt den Ausschnitt der Membran 30, zu einem Zeitpunkt TO vor dem Start der Anlage. Da die Membran 30 und die Partikel 34, 36 eine spezifische Oberflächenladung aufweisen, ordnen sich die zugegebenen Partikel 34, 36 bevorzugt in der Nähe der Membran an. Ist die Ladung gleich gerichtet (hier dargestellter Fall) , orientieren sich die Partikel zwar aufgrund der Strömung an der Membran, berühren sie jedoch nicht. Im Fall von entgegengesetzter Ladung (nicht dargestellt) , lagern sich die Partikel an der Membranfläche an. Dabei halten sie jedoch voneinander einen Abstand (gleiche Ladung) , so dass ein vollständiger Belag mit Partikeln nicht eintritt und gereinigtes Wasser die Membran ungehindert passieren kann.
Diese Anlagerung bzw. Anordnung führt beim Anfahren der Anlage dazu, dass die "begehrten" Plätze an der Membran schon von Partikeln besetzt sind, so dass sich Teile des Belebtschlamms bzw. Schmutzpartikel nicht mehr an der Membran anlagern können. Das Anfahren der Anlage ist durch die Markierung mit Start auf dem Zeitstrahl t gekennzeichnet .
In Figur 2B ist eine Situation kurz nach dem Anfahren der Anlage gezeigt. Da die Anlage noch nicht im Vollbetrieb ist, aber schon Mikroorganismen für den Abbau der im Wasser vorhandenen Schadstoffe gebraucht werden, sind die Nanokapseln so ausgebildet, dass sie sich bereits nach einer kurzen Zeit Tl auflösen und ihren Inhalt, in diesem Fall die Mikroorganismen 40, in das Wasser freisetzen. Damit nicht gleich ein Bewuchs mit Mikroorganismen auf der Membran, eine sogenannte Biofilmbildung, auftritt, halten die Nanosphären 34 zum Teil noch die Membran von einem Bewuchs frei. Zudem sind noch nicht so viele Mikroorganismen in dem Wasser gelöst, dass eine sofortige Biofilmausbildung an der Membran zu beobachten sei. Erst wenn die Anlage im Vollbetrieb arbeitet, d.h. genügend Schwebstoffe im Wasser vorhanden sind, und die Luftblasenbildung voll ausgebildet ist, sind alle Mikroorganismen im Wasser freigesetzt. Diese Situation ist in Figur 2C zum Zeitpunkt T2 dargestellt. Ein Bewuchs mit einem Biofilm ist jetzt nur noch schwer möglich, da die abrasive Wirkung der Feststoffe und Luftblasen, und die Scher- und Zugkräfte der turbulenten Strömung die Membran von einem eventuell darauf angelagerten Biofilm befreien.
Die Funktion der Partikel kann aber auch nur darin bestehen, den Belebtschlamm und die in der Kammer enthaltenen Mikroorganismen von der Membran abzuhalten. Dazu müssen lediglich leere Kapseln in das Wasser eingebracht werden. Dies ist besonders von Vorteil, da ein mühsames Einlagern der Mikroorganismen in die Partikel entfällt. Die Partikel lösen sich dann wie geplant nach einer gewissen Zeit auf und geben die Membran frei. Ist zu diesem Zeitpunkt die Anlage bereits im Vollbetrieb wird die Membran durch die Abrasionswirkung der Festkörper (z.B. Schmutzpartikel) und der Luftblasenbildung von einem Bewuchs mit einem Biofilm bewahrt. Die Partikel bilden demnach eine sich mit der Zeit auflösende Schutzschicht auf der Membran.
Offenbart wird ein Verfahren zum Betreiben einer Abwasserbehandlungsanlage, sowie eine
Abwasserbehandlungsanlage mit einer Membraneinheit, bei denen durch die Zugaben von Partikel, die sich bevorzugt in der Nähe der Membran aufhalten und sich zeitverzögert auflösen, ein Bewuchs der Membran mit einem Biofilm verhindert wird. Bezugszeichen :
Abwasserbehandlungsanläge
Bioreaktor
Membraneinheit mechanische Stufe
Abwasserbehandlungsanlagenraum
Trennwand 0 Kammern 2 Kammern 4 Zufluss 6 Durchlässe in Wand 8 Flüssigkeitsoberfläche 0 Abfluss 2 Behälter 4 Vertikalführung 0 Membran 2 Pore 4 Nanosphäre 6 Nanokapsel 8, Mikroorganisrtiern 0 Mikroorganismen 2 Polymermatrix 4 Polymerschicht 6 Hohlraum

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Abwasserbehandlungsanlage
(1) für mit organischen und/oder anorganischen Schadstoffen belastete Abwässer, wobei die Abwasserbehandlungsanlage (1) eine biologische Stufe
(2) aufweist, und mit einer Membraneinheit (3) ausgerüstet ist, die dazu ausgelegt ist, ein Belebtschlamm - Klarwassergemisch zu trennen, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel (34, 36) in das Abwasser eingebracht werden, die sich entlang der Membraneinheit
(3) anordnen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Partikel (34, 36) aufgrund von Strömung und/oder elektrischen Ladungseigenschaften entlang der Membraneinheit (3) anordnen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Membraneinheit (3) eine Membran (30) aufweist, die eine bestimmte Oberflächenladung hat, und die Partikel (34, 36) eine zu der Oberflächenladung der Membran (30) gleiche Ladung aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Membraneinheit (3) eine Membran (30) aufweist, die eine bestimmte Oberflächenladung hat, und die Partikel (34, 36) eine der Oberflächenladung der Membran (30) entgegengesetzte Ladung aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel eine biologisch abbaubare Oberfläche, die insbesondere als Block-Copolymer ausgebildet ist, aufweisen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die biologisch abbaubare Oberfläche Archaea, insbesondere Therrnoplasma acidophilum, aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Archaea in Bindung mit Wasserglas, insbesondere Kaliwasserglas, vorliegen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Oberfläche einen Härter, insbesondere Dicalciumphosphat, aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (34, 36) Polymer - Partikel (34, 36), insbesondere Polyalkylcyanoacrylate (PACA) Partikel (34, 36), sind.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (34, 36) Polyelektrolytmoleküle mit einer bestimmten Ladung aufweisen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei sich das Polymer der Partikel (34, 36) nach einer festlegbaren Zeit auflöst.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (34, 36) Mikroorganismen (38, 40) aufweisen.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (34, 36) , um die in ihnen enthaltenen Mikroorganismen (38, 40) eine Schicht bilden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Partikel (34, 36) die Mikroorganismen (38, 40) in eine Polymermatrix einbetten.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (34, 36) eine Mischung aus Partikeln
(34, 36), die Mikroorganismen (38, 40) in eine Polymermatrix einbetten, und Partikeln (34, 36), die um die in ihnen enthaltenen Mikroorganismen (38 , 40) eine Schicht bilden, besteht.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (34, 36) eine Mischung aus Partikeln
(34, 36) mit Mikroorganismen (38, 40) und Partikeln (34, 36) ohne Mikroorganismen (38, 40) ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikroorganismen (38, 40) eine Mischung aus einem Anteil photosynthetisch arbeitender und einem Anteil lichtemittierender Mikroorganismen (38, 40) ist.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel Nano- und/oder Mikropartikel sind.
19. Abwasserbehandlungsanlage (1) zum Reinigen von mit organischen und/oder anorganischen Schadstoffen belasteten Abwässern mit einer biologischen Stufe und einer Membraneinheit (3) , die dazu ausgelegt ist, ein Belebtschlamm - Klarwassergemisch zu trennen, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel (34, 36) in dem Abwasser vorhanden sind, die dazu ausgelegt sind, sich entlang der Membraneinheit (3) anzuordnen.
20. Abwasserbehandlungsanlage nach Anspruch 19, wobei die Anlagerung durch Strömung und/oder elektrische Oberflächenladung erfolgt.
21. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Merαbraneinheit (3) eine Membran aufweist, die eine bestimmte Oberflächenladung hat, und die Partikel (34, 36) eine zu der Oberflächenladung der Membran gleiche Ladung aufweisen.
22. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Membraneinheit (3) eine Membran aufweist, die eine bestimmte Oberflächenladung hat, und die Partikel (34, 36) eine der Oberflächenladung der Membran entgegen gesetzte Ladung aufweisen.
23. Abwasserbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Partikel eine biologisch abbaubare Oberfläche, die insbesondere als Block-Copolymer ausgebildet ist, aufweisen.
24. Abwasserbehandlungsanlage nach Anspruch 23, wobei die biologisch abbaubare Oberfläche Archaea, insbesondere Thermoplasma acidophilum, aufweist.
25. Abwasserbehandlungsanlage nach Anspruch 24, wobei die Archaea in Bindung mit Wasserglas, insbesondere Kaliwasserglas, vorliegen.
26. Abwasserbehandlungsanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei die Oberfläche einen Härter, insbesondere Dicalciumphosphat, aufweist.
27. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei die Partikel (34, 36) Polymer - Partikel (34, 36), insbesondere Polyacrylcyanoacrylate (PACA) Partikel (34, 36), sind.
28. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei die Partikel (34, 36) Polyelektrolytmoleküle mit einer bestimmten Ladung aufweisen.
29. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 28, wobei sich das Polymer der Partikel (34, 36) dazu ausgelegt ist, dass es sich nach einer festlegbaren Zeit auflöst.
30. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 29, wobei die Partikel (34, 36) Mikroorganismen (38, 40) aufweisen und dazu ausgelegt sind, die Mikroorganismen (38, 40) nach einer zeitlichen Verzögerung freizusetzen.
31. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 30, wobei die Partikel (34, 36) dazu ausgelegt sind, um die in ihnen enthaltenen Mikroorganismen (38, 40) eine Schicht zu bilden.
32. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 30, wobei die Partikel (34, 36) dazu ausgelegt sind, die Mikroorganismen (38, 40) in eine Polymermatrix einzubetten.
33. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 32, wobei die Partikel (34, 36) eine Mischung aus Partikeln (34, 36), die Mikroorganismen (38, 40) in eine Polymermatrix einbetten, und Partikeln (34, 36), die um die in ihnen enthaltenen Mikroorganismen (38, 40) eine Schicht bilden, besteht.
34. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 33, wobei die Partikel (34, 36) eine Mischung aus Partikeln (34, 36) mit Mikroorganismen (38, 40) und Partikeln (34, 36) ohne Mikroorganismen (38, 40) ist.
35. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 34, wobei die Mikroorganismen (38, 40) eine Mischung aus einem Anteil photosynthetisch arbeitender und einem Anteil lichtemittierender Mikroorganismen
(38, 40) sind.
36. Abwasserbehandlungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 35, wobei die Partikel Nano- und/oder Mikropartikel sind.
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