DE102004021022B3

DE102004021022B3 - Vorrichtung zur anaeroben Reinigung von Abwasser

Info

Publication number: DE102004021022B3
Application number: DE102004021022A
Authority: DE
Inventors: Joachim Krassowki
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-04-28

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur anaeroben Reinigung von Abwasser mit einem Behälter, in dem ein Schlammbett mit anaeroben Mikroorganismen aufgenommen ist, mit einer Abwasserzulaufanordnung, einer Ablaufanordnung für gereinigtes Abwasser und einer Abführvorrichtung für Biogas vorgeschlagen. Die Abwasserzulaufanordnung weist mindestens zwei Verteilerebenen auf, in denen jeweils Rohrleitungen mit Ausströmöffnungen angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur anaeroben Reinigung von Abwasser nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es sind so genannte Bioreaktoren zum anaeroben Reinigen von Abwässern bekannt, bei denen das zu reinigende Abwasser in einen Behälter eingeleitet wird, in dem sich Mikroorganismen in Form eines Schlammbettes befinden. Das Anwendungsgebiet solcher Bioreaktoren umfasst alle Abwasserarten, die durch anaerobe Abbauvorgänge biologisch gereinigt werden können. Die abzubauenden Substanzen können im Abwasser in gelöster Form oder als dispergierte Feststoffe vorliegen. Üblicherweise handelt es sich um eine Mischung aus gelösten und dispergierten Substanzen.
Zur Reinigung solcher Abwässer wurden unterschiedliche Reaktortypen entwickelt. Aus der EP 0 170 332 und auch aus der DE 198 15 616 ist eine Vorrichtung bekannt, die auf dem so genannten UASB-Verfahren (Upflow Anaerobic Sludge Bed) basiert und die einen aufrecht stehenden Behälter umfasst, in dem im Bodenbereich eine Abwasserleitung einmündet, die mit einem üblichen Verteilsystem für das Abwasser versehen sein kann. In dem unteren Bereich befindet sich eine mit Mikroorganismen versetzte Sinkschlammzone. Über die Höhe des Behälters ist eine Mehrzahl von Gassammlern angeordnet, von denen Gasleitungen einerseits in eine Steigleitung und andererseits in eine Abfuhrleitung münden, die beide mit einer Gas-Schlamm-Trenneinrichtung verbunden sind. Eine Abzweigung der Steigleitung mündet in die Sinkschlammzone am Boden des Behälters, so dass ein Teil des vom Gassammler kommenden Gases als Gasheber zum Heben des Sinkschlamms einsetzbar ist. Oberhalb der oberen Gassammler, die gleichzeitig zum Abhalten von Schwimmschlamm dienen, ist ein Überlauf zum Abführen des gereinigten Abwassers vorgesehen.
Weiterhin ist aus der EP 0 169 620 ein Reaktor bekannt, der gleichfalls zur anaeroben Reinigung von Abwasser dient und in dem ein Verteilsystem für die Zufuhr von Abwasser in die Nähe des Bodenbereichs eines Behälters vorgesehen ist. Das Verteilsystem umfasst eine Mehrzahl von in einer Ebene liegenden Rohrleitungen, die schräg nach unten gerichtete Ausströmöffnungen aufweisen. Auf diese Weise soll die Strömungsenergie des Wassers ausgenutzt werden, um das Wasser mit dem sich im unteren Bereich befindenden Schlamm zu mischen.
Die am Markt etablierten Reaktoren beruhen in hohem Maße auf dem oben angegebenen UASB-Verfahren und sind für relativ hohe Raumbelastungen im Bereich von 15 – 30 kg css/m³/d ausgelegt. Trotz ihrer prinzipiell guten Eignung für die anaerobe Abwasserreinigung haben diese Reaktoren die Gemeinsamkeit, dass sie speziell bei sehr leicht abbaubaren Abwasserinhaltsstoffen Probleme mit der Schlammimmobilisierung haben. Im praktischen Betrieb werden die Folgen dieser Problematik durch zwei Phänomene erkennbar, nämlich durch einen langsamen, kontinuierliche verlaufenden Biomasseaustrag und damit verbundenem fortschreitenden Leistungsverlust oder durch spontan erfolgendem massiven Biomasseaustrag mit der Folge einer ernsten Betriebsstörung durch den schnell auftretenden vollkommenen Leistungsverlust. Diese Schwachpunkte der Reaktoren sind bei Herstellern und Betreibern hinlänglich bekannt. Hieraus erklärt sich auch die Vielzahl der Entwicklungen auf dem Bereich der Abscheidertechnik, die darauf abzielen, diese Probleme zu lösen. Die Ursache des Problems ist aber mit einer Optimierung der Abscheidertechnik nicht zufrieden stellend zu beheben.
Durch die biologische Überlastung verlieren die für alle Reaktortypen kennzeichnenden Schlammgranulate ihre Fähigkeit zum Stoffaustausch, insbesondere zur Abgabe des erzeugten Biogases vollkommen oder zumindest teilweise. Der Einschluss des erzeugten Biogases reduziert das spezifische Gewicht der Granulate, die im Normalfall schwerer sind als Wasser. Hierdurch nimmt deren Sinkgeschwindigkeit ab, die im optimalen Fall Werte von über 80 m/h im Wasser aufweisen kann. Die derart geschädigten Granulate weisen keine nennenswerte Sinkgeschwindigkeit mehr auf. In Extremfällen führt dieses bis zum Aufschwemmen der Granulate. Durch den in diesem Fall fehlerhaften Dichteunterschied zwischen dem Abwasser und den Schlammgranulaten versagen alle Abscheidertechniken, da für diese zumindest eine geringfügig höhere Dichte der zurückhaltenden Feststoffe erforderlich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur anaeroben Reinigung von Abwasser zu schaffen mit der Betriebsprobleme, die auf eine Schlammüberlastung zurückzuführen sind, verhindert oder deutlich reduziert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Dadurch, dass die Abwasserzulaufanordnung mindestens zwei Verteilerebenen aufweist, in denen jeweils Rohrleitungen mit Ausströmöffnungen angeordnet sind, wird die biologische Schlammüberlastung im Normalbetrieb des Reaktors, auch bei sehr leicht abbaubaren Abwasserinhaltsstoffen vermieden. Bei einem Überschreiten der Nennbelastung des Reaktors werden die auftretenden Überbelastungserscheinungen deutlich vermindert.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Verteilung der Abwasserzuführung in den unterschiedlichen Ebenen abhängig vom Prozessverlauf, z.B. vom Methan-Kohlendioxidverhältnis und auf der Basis des pH-Wertes im Schlammbad durch getrennte Antriebe bzw. Pumpen über eine Regeleinrichtung geregelt werden kann.
Dadurch, dass der Behälter komplett von der Atmosphäre abgeschlossen ist und einen Gassammelraum im oberen Teil des Behälters vorgesehen ist, kann in einfa cher Weise über ein Ablaufsystem eine Zweiphasen-Trennung von Abwasser und Biogas vorgenommen werden. Dies wird dadurch unterstützt, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Abwasserverteilung eine hohe Sinkgeschwindigkeit der Schlammgranulate gewährleistet werden kann.
Mit der Zweiphasentrennung kann die Vorrichtung vereinfacht werden, da keine aufwendigen Dreiphasenabscheider mehr notwendig sind.
Vorteilhaft ist, insbesondere bei sehr schlanken Reaktoren mit hohen Ausströmgeschwindigkeiten, den Reaktor bzw. Behälter oberhalb des Schlammbetts mit Leitblechen auszurüsten, die einen Teil des Biogases zu den Behälterwänden lenken und in der mittleren Zone einen beruhigten Bereich erzeugen. Dadurch können sich eventuell durch die Ausströmung mitgerissene Schlammpartikel besser absetzen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine perspektivische schematische Ansicht auf die erfindungsgemäße Abwasserzulaufanordnung,
3 eine schematische perspektivische Ansicht auf die Ablaufanordnung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der in 1 dargestellte Reaktor 1 bzw. Vorrichtung zur anaeroben Reinigung von Abwasser weist einen Behälter 2 in Form einer Säule auf. In dem Behälter 2 befindet sich ein Schlammbett 3, das vorwiegend aus granulat- oder pelletförmig immobilisierten Mikroorganismen besteht. Das Schlammbett 3 befindet sich im Wesentlichen in der unteren Hälfte des Behälters 2, während das Wasser in steigendem Reinigungsgrad nach oben aufschwemmt. Im Reaktorkopf, d.h., oberhalb einer Wasserlinie 20 ist ein Gassammelraum 4 vorgesehen, in dem sich aufsteigendes Biogas sammelt. Eine Ausströmleitung 5 ist mit dem Gassammelraum 4 verbunden und führt das Biogas ab. Der Reaktor 1 bzw. der Behälter 2 ist vollständig von der Atmosphäre abgeschlossen, so dass das im Reaktor 1 befindliche Abwasser keine Kontaktfläche mit der Umgebungsluft aufweist.
Im Bereich des Schlammbettes 3 ist eine Abwasserzulaufanordnung 6 vorgesehen, wie sie näher in 2 dargestellt ist. Die Abwasserzulaufanordnung 6 weist im Ausführungsbeispiel zwei Verteilerebenen 7, 8 auf, wobei im Ausführungsbeispiel entsprechend 2 von einer Zulaufrohrleitung 9, 10 in jeder Ebene parallel angeordnete lang gestreckte Rohrleitungen 11 abgehen. Die lang gestreckten Rohrleitungen 11 weisen über ihre Länge verteilt Ausströmöffnungen 12 auf.
Selbstverständlich können mehrere Verteilerebenen 7, 8 vorgesehen sein, die sich hierbei im gesamten Bereich des Schlammbetts 3 befinden können, vorzugsweise sind sie jedoch in der unteren Hälfte des Schlammbetts 3 angeordnet. Dabei können je nach Bedarf die Abstände zwischen den Ebenen gleichmäßig oder nach oben zunehmend sein. Die unterste Zulaufebene 7 ist in unmittelbarer Bodennähe vorgesehen. Bei höherer Anordnung in Bezug auf den Behälter 2 sollte der maximale Abstand zum Boden 50 cm nicht überschreiten.
Grundsätzlich können die Ausströmöffnungen 12 in beliebigen Winkeln zur Bodenfläche angeordnet sein. Im Regelfall sind die Ausströmöffnungen 12 parallel zur Bodenfläche des Behälters 2 angeordnet, falls die unterste Verteilerebene 7 einen erhöhten Abstand zum Boden aufweist, sollten die Ausströmöffnungen 12 dieser Ebene 7 zum Boden gerichtet sein. Durch die Zuführung des Abwassers, insbesondere durch Steuerung der Ausströmgeschwindigkeit des Abwassers aus den Ausströmöffnungen 12 wird das Schlammbett 3 expandiert, jedoch nicht fluidisiert.
Selbstverständlich müssen die Rohrleitungen nicht lang gestreckt sein, wie in 2 gezeigt ist, sie können in einer anderen Ausführungsbeispiel auch gebogen oder gekrümmt sein.
In 1 geschieht der Zulauf des Abwassers in die verschiedenen Verteilerebenen 7, 8 über eine gemeinsame Leitung 13, die an eine entsprechende Pumpe angeschlossen ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel, wie es in 4, aber auch in 2 angedeutet ist, können die Ebenen 7, 8 von getrennten Zufuhrleitungen 14, 15 gespeist werden, wobei auch getrennte Pumpen vorgesehen sein können. Dadurch kann die Verteilung der Abwasserzuführung in den unterschiedlichen Ebenen abhängig vom Prozessverlauf gesteuert bzw. geregelt werden, wobei für die Steuerung/Regelung Steuer-Regeleinrichtungen vorgesehen sind, die auf Basis des Methan/Kohlendioxidverhält nisses im Biogas und auf Basis des pH-Wertes im Schlammbett angesteuert werden. Angestrebt wird eine auf KI(Künstliche Intelligenz)-Methoden (z.B. Neuro-Fuzzy-Systeme) basierende Steuerung.
Für gereinigtes Abwasser ist im oberen Teil des Behälters 2 eine Ablaufanordnung 16 für gereinigtes Abwasser vorgesehen, die näher in 3 dargestellt ist, wobei der Behälter 2 in 3 nur durch einen Zylindermantel angedeutet ist. Die Ablaufanordnung 16 besteht aus einem Rohrsystem mit einer Ablaufleitung 18, in die mehrere parallel angeordnete lang gestreckte Rohrleitungen 17 münden. Die Rohrleitungen 17 weisen Ablauföffnungen 19 auf, die über die Länge der Rohrleitungen 17 verteilt sind und die nach oben, d.h. in Richtung der Gassammelkammer 4 gerichtet sind, damit kein Biogas in die Ablauföffnungen gelangt. Wie zu erkennen ist, liegt die Ablaufanordnung 16 dicht unter der Gas-Wassertrennlinie 20 im Reaktor, sollte jedoch einen vorgegebenen Mindestabstand, der bei einem Reaktor mit einer Höhe von 20 m und einem Reaktordurchmesser von 5 m ca. 30 cm beträgt, nicht unterschreiten, um zu vermeiden, dass bei wechselnden Gasdrücken Biogas in den Abwasserablauf gelangen kann.
Das Ablaufsystem 16 und die Biogassammelkammer 4 mit der Biogasleitung 5 stellen ein Zweiphasen-Trennsystem dar, das aufgrund der hohen Sinkgeschwindigkeit der Schlammgranulate, die durch die Abwasserzulaufanordnung gewährleistet wird, möglich wird.
Die Zweiphasentrennung wird durch ein Ausführungsbeispiel entsprechend 4 weiter verbessert, bei dem oberhalb des Schlammbetts 3 Biogasleitbleche 21 vorgesehen werden, die schräg angeordnet sind, derart, dass sie einen Teil des Biogases, der durch die Pfeile angedeutet ist, zu den Behälterwänden gelenkt wird. Dadurch entsteht in der mittleren Zone unterhalb des Ablaufsystems 16 ein beruhigter Bereich 22, in dem sich eventuell durch Ausströmung mitgerissene Schlammpartikel besser absetzen können.
In diesem Ausführungsbeispiel ist auch die getrennte Zuführung des Abwassers zu den Verteilerebenen 7, 8 dargestellt und durch zusätzliche Pumpen 23, 24, die durch eine Steuer-/Regeleinheit 25 geregelt werden können, realisiert.
Für die Auslegung der Abwasserzulaufanordnung 6 spielt die Anzahl der Zulauföffnungen 12 eine merkbare Rolle. In der bisherigen Praxis wird die Festlegung der Düsenanzahl auf Basis hydraulischer Berechnungen durchgeführt (z.B. Einstellung einer bestimmten Reynoldszahl am Düsenausgang). Die Belastung im Einlaufbereich bleibt unberücksichtigt. Die erforderliche Anzahl von Zulauföffnungen 12 wird nach dem derzeitigen Stand mit einer Anordnung in einer Ebene in Anzahl der Öffnungen pro m² Reaktorgrundfläche angegeben. Bei der Abwasserzulaufanordnung 6 mit mehreren Verteilerebenen ist dieser Parameter unzureichend, zudem gibt er keinen Aufschluss über Schlammbelastung im unmittelbaren Bereich des Reaktorzulaufs.
Für die Auslegung der Abwasserzulaufanordnung 6 in zwei oder mehreren Ebenen werden die folgenden Definitionen und Parameter verwendet:
Es wird eine Zulaufzone V_Z[m³] definiert, die den Bereich des Reaktors 1 beschreibt, in dem sich die Ausströmöffnungen 12 befinden und in dem die Biomasse des Reaktors 1 in direkten Kontakt mit unbehandeltem Abwasser kommt. Die Definition der Zulaufzone ermöglicht die Bestimmung der Schlammbelastung im Zulaufbereich und gibt damit Aufschluss über einen biologisch relevanten Parameter.
Zur räumlichen Festlegung wird definiert, dass die Zulaufzone V_Z sich innerhalb der folgenden Grenzen befindet
Untere Grenze: Reaktorboden
Seitengrenze: seitliche Reaktorabgrenzung
Obergrenze: 0,5 m über der letzten Zulaufebene
Dieser pauschal angesetzte Abstand von 0,5 m ist in der Praxis mit Sicherheit ausreichen. Genau genommen müssten die Abmessungen des Reaktors sowie die hydraulischen Verhältnisse (Wasser-Aufströmgeschwindigkeit, Turbulenzen) mit berücksichtigt werden.
Für die Bestimmung der Initialbelastung wird davon ausgegangen, dass das komplette Abwasser die Zulaufzone V_Z des Reaktors 2 passieren muss. Die Schmutzfracht ist in dieser Zone zwar nicht vollständig abgebaut, dennoch wird durch eine andauernd hohe Initialbelastung der Schlamm gestresst. Insbesondere kann eine hohe Initialbelastung bei leicht abbaubaren Wasserinhaltsstoffen schnell zum Auftreten von Überlasterscheinungen führen. Daher muss die Initialbelastung niedrig gehalten werden.
Der neu eingeführte Begriff "Initialbelastung" (Zulaufzonenbelastung) wurde zur Abgrenzung der Belastung der Zulaufzone von der Raumbelastung des Reaktors (in der Praxis häufig auch einfach "Reaktorbelastung" genannt) gewählt.
Die Initialbelastung B_I des Schlamms errechnet sich aus:
wobei B_CSB die organische Belastung des Reaktors
ist und V_Z das Volumen der Zulaufzone [m³] ist.
Berechnungsbeispiel
Im Folgenden wird für die Initialbelastung des Schlamms bei einer Abwasserzulaufanordnung nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung eine Beispielsrechnung durchgeführt:
Als Ansatz werden eine gängige Geometrie und ein mittlerer Belastungswert für Industriereaktoren gewählt:
Reaktordurchmesser (d): 5 m,
Reaktorhöhe (h): 20 m,
Organische Belastung (B_CSB) 8000 kg_CSB/d.
In einem herkömmlichen Reaktorsystem ergibt sich hieraus eine Initialbelastung für den Schlamm von:
Initialbelastung mit einer Abwasserzulaufanordnung in mehreren Ebenen mit einer Verteilung der Ausströmöff nungen 12 im Bereich von 0 – 3 m Höhe:
Durch diese deutlich niedrigere Initialbelastung bei einer Abwasserzulaufanordnung mit mehreren Ebenen wird die Betriebsstabilität des Reaktors erheblich gesteigert. Die Berechnung setzt eine möglichst gleichmäßige Verteilung von Zulaufebenen/Zulauföffnungen in der Zulaufzone voraus.
Für eine homogene Verteilung des Abwassers muss eine ausreichende Anzahl von Ausströmöffnungen 12 in der Zulaufzone vorhanden sein. Die Anordnungsdichte D_D der Ausströmungsöffnungen 12 berechnet sich aus der Gesamtanzahl der Ausströmöffnungen sowie der Größe der Zulaufzone V_Z:
Es lässt sich abschätzen, dass der Parameter D_D bei den Reaktoren zwischen 4/m³ und 1/m³ liegen wird.

Claims

Vorrichtung zur anaeroben Reinigung von Abwasser mit einem Behälter, in dem ein Schlammbett mit anaeroben Mikroorganismen aufgenommen ist, mit einer Abwasserzulaufanordnung, einer Ablaufanordnung für gereinigtes Abwasser und einer Abführvorrichtung für Biogas, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwasserzulaufanordnung (6) mindestens zwei Verteilerebenen (7, 8) aufweist, in denen jeweils Rohrleitungen (11) mit Ausströmöffnungen (12) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter säulenförmig ausgebildet und geschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet; dass im oberen Bereich des Behälters (2) ein Gassammelraum (4) angeordnet ist, von dem eine Abführleitung (5) für Biogas abgeht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufanordnung (16) für gereinigtes Abwasser mehrere mit Ablauföffnungen (19) versehene Rohrleitungen (17) aufweist, die in eine Ablaufleitung (18) münden, wobei die Rohrleitungen (17) dicht unterhalb der Trennlinie (20) des Wasser-Gassammelraums mit einem Abstand zu der Trennlinie (20) angeordnet sind, der so gewählt ist, dass unter Berücksichti gung von wechselnden Gasdrücken kein Biogas in die Ablauföffnungen gelangt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablauföffnungen (19) nach oben zum Gassammelraum (4) gerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerebenen (7, 8) der Zulaufanordnung (6) innerhalb des Schlammbettes in unterschiedlichen Abständen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerebenen (7, 8) in der unteren Hälfte des Schlammbettes (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Ausströmöffnungen (12) der Abwasserzulaufanordnung (6) zur Steuerung der Verteilung der Abwasserzuführung in den Verteilerebenen (7, 8) unterschiedlich sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (11) der jeweiligen Verteilerebenen (7, 8) als jeweils getrennte Zulauf kreise ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer-/Regelanordnung (25) vorgesehen ist, die die Verteilung der Abwasserzuführung für die unterschiedlichen Verteilerebenen (7, 8) abhängig vom Prozessverlauf regelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Schlammbettes (3) Leitbleche (21) zur Erzeugung einer beruhigten Zone (22) unterhalb der Ablaufanordnung (16) im Behälter (2) angeordnet sind.