DE19512907C1

DE19512907C1 - Verfahren zur biologischen und/oder physikalischen Elimination unerwünschter Wasserinhaltsstoffe aus Wasser

Info

Publication number: DE19512907C1
Application number: DE1995112907
Authority: DE
Inventors: Ivan Prof Dr Ing Sekoulov; Stephan Dipl I Brinke-Seiferth; Joachim Dr Ing Behrendt
Original assignee: BRINKE SEIFERTH STEPHAN DIPL I
Current assignee: BRINKE SEIFERTH STEPHAN DIPL I
Priority date: 1995-04-06
Filing date: 1995-04-06
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2015-04-07

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen und/oder physikalischen Elimination unerwünschter Wasserinhaltsstoffe aus Wasser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie die Verwen dung nach Anspruch 15.

Das allgemein bekannte (Belebtschlamm)-SBR-Verfahren allein für biologische Prozesse zeichnet sich durch seine chargenweise, periodische Betriebsweise aus. In den verschieden betriebenen Phasen werden Abwasserinhaltsstoffe je nach Bedarf unter aeroben bzw. anaeroben Bedingungen abgebaut. Eine kennzeichnende Phase des SBR-Verfahrens beeinhaltet das Absetzen der Biomasse. Dies ist die anfälligste Phase des Systems. Setzt sich der Schlamm nicht ab, kann der Reaktor nicht neu befüllt werden. Diese Anfälligkeit kann durch die Verwendung immobilisierter Biomasse weitgehend gemildert werden.

Die Festbett-Technologie und die Technik fluidisierter Biofilm reaktoren hat sich in den letzten Jahren etabliert. So können aus der Literatur Werte für Nitrifikation in Festbetten von 0,8 (kgNH₄ -N/(m³ d) bis 1,5 (kgNH₄ -N/(m³ d)) und für die Denitrifikation von Raten von 0,7 (kgNO₃ -N/(m³ d)) bis 4,0 (kgNO₃ -N/(m³ d)) angegeben werden. Man erreicht allerdings mit einem Festbett allein gegenüber Belebtschlamm bei höheren Konzentrationen der Abwasserinhaltsstoffen nicht die gewünschte Effektivität. Dies ist in der Limitierung in Bezug auf die Reak tionsgeschwindigkeit durch die Diffusion in den Biofilm, sowie durch die wasserseitige Grenzschicht in dem "plug-flow"-Verhal ten eines Festbettreaktors begründet. Betreibt man hingegen ein Bett als Schwebebett, so tritt eine Verminderung der beschriebe nen Limitierung ein und man nähert sich im Reaktionsverhalten einem volldurchmischten Belebtschlammreaktor an.

Konzentration von Abwasserinhaltsstoffen, die eine Reaktion nullter Ordnung erlauben, lassen sich mittels des Schwebebett verfahren mit Vorteil reinigen. Erst wenn die Konzentration so gering ist, daß mit diesen Verfahren eine Reaktion erster Ord nung erreicht wird, ist es effektiver ein Festbett anzuwenden, um die Rohrreaktorreaktion ("plug-flow") zur Restelimination der Inhaltsstoffe bei gesenkten Energiekosten zu nutzen. Zur weite ren Elimination von abfiltrierbaren Stoffen ist es sinnvoll, das biologisch gereinigte Wasser zu filtrieren.

Die einzelnen, auf verschiedenen Prinzipien beruhenden "Verfah rensschritten" sind bisher in eigens hierfür vorgesehenen und auf die technischen Besonderheiten abgestellten Reaktoren reali siert worden, so daß Problemlösungen auch immer in voneinander getrennten Reaktorbehältern im Durchlauf gesucht wurden.

Aufgabe oder Ziel der Erfindung ist es deshalb, die geschilder ten Vorteile der einzelnen Verfahrensschritte auf einfache Weise mit möglichst geringem apparativen und somit kostengünstigen Aufwand durch Kombination zu erzielen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Biofilmreaktor zyklisch als Kombination von mindestens zwei verschiedenen Verfahren der folgenden Verfahrensgruppen betrieben wird:

a. Wirbelbett, Fließbett, Schwebebett
b. Festbett
c. Flotation
d. Filter, Flockungsfiltration.

Anders gesagt, wird ein und derselbe Biofilmreaktor zur Durch führung von mindestens zwei verschiedenen Verfahren der Verfah rensgruppen a. bis d. im zyklischen Betrieb verwandt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für eine Anwendung bei einem Abwasserfall von 100 l/d bis 10000 m³ /d geeignet (bis 10.000 EGW), nämlich Reinigung von Teilströmen oder indirekt Einlei tung, wie z. B. von Betrieben, die in städtische Kanalisation einleiten.

Vorteilhafterweise werden drei oder auch alle vier Verfahren der Verfahrensgruppen a. bis d. ein einem Biofilmreaktor zyklisch im Sinne einer Kombination betrieben.

Das im folgenden beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erlaubt z. B. drei Reaktionsschritte unter Verwendung eines Reaktors in drei aufeinander folgenden Sequenzen durchzuführen. Es handelt sich bei dem "Biofilm-Filter-SBR-Verfahren" um ein Bett, welches mittels aufwärtsdurchströmter unterschiedlicher Wasser- bzw. Luftzufuhr als Schwebebett, als Festbett und bei Richtungswech sel des Filters abwärtsdurchströmt als Filter betrieben wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbei spiele und Zeichnungen zum besseren Verständnis näher erläutert:

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß eingesetzten Biofilmreaktors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der drei Phasen zur Elimination von Abwasser inhaltsstoffen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der zur Bilanzierung notwendigen Größen des erfindungsgemäßen Bioreaktors, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes.

Fig. 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß eingesetzten und ver wendeten Biofilterreaktors mit integriertem Vorlagebehälter.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß das Bett aus einem Vorratsbehälter beschickt wird. Der Vorratsbehälter wird chargen weise aus einem Stapelbehälter, der zum Mengenausgleich dient, befüllt. Das Bett kann sowohl von oben nach unten als auch von unten nach oben durchströmt werden. Die Füllung des Bettes besteht aus unterschiedlichen Füllkörpern, die eine unterschied liche Dichte werden. In Fig. 2 sind die die drei zur Eliminie rung von Abwasserinhaltsstoffen notwendigen Phasen beispielhaft dargestellt.

Phase 1

Innerhalb der ersten Phase wird das Bett als Schwebebett betrie ben. Das Bett wird von unten nach oben mit Wasser und Luft durchströmt, was durch den Pfeil QW bzw. QL angedeutet ist. Die Oberflächenbelastung wird so hoch gewählt, daß der Füllkörper volumetrisch um bis zu 20 Prozent expandiert. Das Reaktorverhal ten ähnelt dem eines Rührreaktors. Das Wasser wird solange im Kreis geführt, bis die Konzentration des Abwasserinhaltsstoffes eine Reaktion nullter Ordnung nicht mehr erlaubt. Ab diesem Zeitpunkt wird die Oberflächenbelastung reduziert und Phase 2 eingeleitet.

Phase 2

Innerhalb der zweiten Phase wird der Reaktor als Festbett betrie ben. Mittels der Rohrreaktorreaktion wird die Restkonzentration des Abwasserinhaltsstoffes effektiv eliminiert. Das Wasser wird weiterhin im Kreis über den Vorratsbehälter geführt. Der Reaktor wird weiterhin von unten nach oben durchströmt. Sind die Inhalts stoffe eliminiert, so schließt sich Phase 3 an.

Phase 3

Innerhalb der dritten Phase wird der Reaktor von oben nach unten durchströmt. Das Wasser wird durch den Füllkörper unterschiedlicher Korngröße geführt und filtriert. Das Wasser wird nicht mehr im Kreis geführt, sondern dem Vorfluter zugeführt. Nachdem die dritte Phase beendet ist, schließt sich je nach Bedarf eine Spülung des Reaktors an.

In Fig. 4 sind diese Phasen 1 bis 3 als 2., 3. und 4. bezeich net, da als erstes (1.) natürlich der Reaktor gefüllt oder beschichtet werden muß.

Der Behandlung von leichtflüchtigen Stoffen, wie z. B. AOX, bei denen ein Strippen durch eine Blasenbelüftung vermieden werden soll, kann der Sauerstoffeintrag auch über Diffusion, z. B. mit Siliconmebranen oder Schläuchen oder eine Reinsauerstoffbelüf tung im Bypass oder im Reaktor direkt eingetragen werden.

Aus der unterschiedlichen Nutzung des Bettes ergeben sich unter schiedliche reaktorkinetische Ansätze, die im folgenden beschrie ben werden. Fig. 3 zeigt schematisch die zur Bilanzierung rele vanten Größen.

Für die erste Phase wird in erster Näherung davon ausgegangen, daß es sich bei dem Schwebebett um ein volldurchmischtes System handelt. Der Vorlagebehälter soll ebenfalls als volldurchmischt angenommen werden. Die Abwasserinhaltsstoffe sollen im Schwebe bett ausschließlich mit einer Reaktionsgeschwindigkeit nullter Ordnung abgebaut werden. Somit ist die Reaktion R keine Funktion von der Konzentration c. Mit diesen Voraussetzungen ergeben sich folgende Bilanzgleichungen:

Die Gleichung 1 und die Gleichung 2 sind miteinander gekoppelt und stellen ein Differenzialgleichungssystem dar.

Betrachtet man die zweite Phase, innerhalb derer das Bett als Festbett betrieben wird, so ist das Festbett nährungsweise als Rohrreaktor zu betrachten. Die Reaktion R ist abhängig von der Konzentration c. Es ergeben sich mit der Geschwindigkeit v und dem Diffusionskoeffizienten D_S folgende Bilanzgleichungen:

Auch die Gleichungen sind miteinander gekoppelt. Je nach Abwas seranfall und der Konzentration der Abwasserinhaltsstoffe, sowie der geplanten Dauer der Sequenzen müssen die Volumen der Vorlage und das Volumen des Reaktors aufeinander abgestimmt werden. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß ein in diesen Zusammenhän gen betriebenes Festbett andere Eigenschaften in Bezug auf Bewuchs und Kinetik aufweist als herkömmlich untersuchte Festbet ten. Eine weitere Optimierung ist in Bezug auf den Sauerstoffein trag durch die Belüftung des Reaktors als Schwebebett als auch als Festbettreaktor zu leisten.

Um das erfindungsgemäße Verfahren noch besser verständlich zu machen, werden im folgenden drei Beispiele mit entsprechenden physikalischen und chemischen Daten angegeben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf diese Beispiele und die dort gegebenen Mengenangaben beschränkt ist, sondern sich im breiten Rahmen verändern läßt, was dem Fachmann ohne weiteres auf der Hand liegt.

Beispiel 1 nach den Verfahrensgruppen a, b, d

Als Beispiel für die erfindungsgemäße Reinigung nach den Verfah rensgruppen a, b, d wird ein Kleinbetrieb mit einem Abwasser strom gewählt, der folgende Daten aufweist:

Physikalische Daten:
Menge (diskontinuierlich): 15000 (l/d)
Temperatur: 20°C

Chemische Daten:
Ammoniumgehalt: 300 (mg/l)
Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB): 150 (mg/l)
Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB₅): 40 (mg/l)

Verwendung findet der Reaktoraufbau nach Fig. 1. Das Verfahren wird nach den Verfahrensschritten 1-4, die aus Fig. 2 bzw. 4 ersichtlich sind, durchgeführt. Das bedeutet, daß eine Reini gungssequenz mit dem Füllvorgang (1.) des Reaktors und des Vorratsbehälters beginnt. Anschließend wird der Kreislauf zwi schen Vorratsbehälter und Biofilmreaktor geschlossen und das Bett von unten nach oben durchströmt. Das Bett wird in erster Teilsequenz mittels hoher Oberflächenbelastung von Wasser und normalerweise mit aber auch ohne Luft um ca. 20% expandiert. Das enthaltene Ammonium biologisch mittels der im Biofilm aufge wachsenen Mikroorganismen zu Nitrat oxidiert. Die Ammoniumkonzen tration sinkt. Gleichzeitig werden die organischen Kohlenstoff verbindungen (BSB5) von Mikroorganismen oxidiert. Ab einer Konzentration von ca. 20 (mg/l) Ammonium wird die Oberflächenbe lastung reduziert, so daß das Bett als Festbett (Phase 2 in Fig. 2) gefahren wird. Diese Teilsequenz wird solange gefahren, bis das Ammonium weitestgehend eliminiert ist. Bedarf es einer Denitrifikation des Nitrats zu molekularem Stickstoffs, werden die erste und zweite Teilsequenz ohne Luftzugabe aber mit H-Donator-Zudosierung wiederholt, so daß denitrifiziert wird.

Als letzte Teilsequenz wird der Biofilmreaktor von oben nach unten durchströmt und damit als Filter (Phase 3 in Fig. 2) betrieben. Das Wasser wird von den enthaltenen Suspensa gerei nigt und die zugewachsene Biomasse wird zurückgehalten. Ein Zyklus dauert ca. 2 Stunden.

Annahmen für die Dimensionen des Reaktors:
Reaktionsvolumen: ca. 3 (m³)
Reaktorhöhe: ca. 4 (m)
Reaktordurchmesser: ca. 1 (m)
Füllkörper 1: Sand (d = 1-2 mm)
Füllkörper 2: Blähton 8D = 5 mm)
Pumpleistungen: ca. 5 bis 100 (m³/h)
Vorratsbehältervolumen: ca. 2 (m³)

Beispiel 2 nach den Verfahrensgruppen a, d

Als Beispiel für die Reinigung nach den Verfahrensgruppen a, b, d wird ein Kleinbetrieb mit einem Abwasserstrom gewählt, der folgende Daten aufweist:

Physikalische Daten:
Menge (diskontinuierlich): 30000 (l/d)
Temperatur: 15°C

Chemische Daten:
Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB orig.): 700 (mg/l)
Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB filtr.): 400 (mg/l)
Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB₅): 200 (mg/l)
Absetzbare Stoffe: 200 (mg/l)

Verwendung findet der Reaktoraufbau nach Fig. 1 oder 5. Das Verfahren wird nach den Verfahrensschritten a. Wirbelbett und d. Filtration durchgeführt. Das bedeutet, daß eine Reinigungs sequenz mit dem Füllvorgang des Reaktors und des Vorratsbehäl ters beginnt. Anschließend wird der Kreislauf zwischen Vorratsbe hälter und Biofilmreaktor geschlossen und das Bett von unten nach oben durchströmt. Das Bett wird in erster Teilsequenz mittels hoher Oberflächenbelastung von Wasser und Luft um ca. 100% expaniert. Die organischen Kohlenstoffverbindungen (BSB5) werden von Mikroorganismen oxidiert. Diese Teilsequenz wird solange gefahren, bis die gelösten Kohlenstoffverbindungen weitestgehend biochemisch zu CO2 oxidiert worden sind. Als letzte Teilsequenz wird der Biofilmreaktor von oben nach unten durchströmt und damit als Filter betrieben. Das Wasser wird von den enthaltenen Suspensa gereinigt und die zugewachsene Biomas se wird zurückgehalten. Ein Zyklusdauer ca. 3 Stunden.

Annahmen für die Dimensionen des Reaktors:
Reaktionsvolumen: ca. 0,6 (m³)
Reaktorhöhe: ca. 4 (m)
Reaktordurchmesser: ca. 0,6 (m)
Füllkörper 1: Sand (d = 1-2 mm)
Füllkörper 2: Blähton (d = 5 mm)
Pumpleistungen: ca. 5 bis 70 (m³ /h)
Vorratsbehältervolumen: ca. 3,5 (m³)

Beispiel 3 nach den Verfahrensgruppen a, c, d

Im folgenden wird ein Beispiel nach den Verfahrensgruppen a, c, d beschrieben.

Chemische Daten:
Ammoniumgehalten: 50 (mg/l)
Ölhaltiges Abwasser: -

Verwendung findet der Reaktoraufbau nach Fig. 1. Das Verfahren wird nach den Verfahrensschritten a, c, d durchgeführt. Das bedeutet, daß eine Reinigungssequenz mit dem Füllvorgang des Reaktors und des Vorratsbehälters beginnt. Anschließend wird der Kreislauf zwischen Vorratsbehälter und Biofilmreaktor geschlos sen und das Bett von unten nach oben durchströmt. Das Bett wird in erster Teilsequenz mittels hoher Oberflächenbelastung von Wasser und Luft um ca. 50% expandiert. Dabei wird das zulaufen de Wasser mit Luft mittels Druck von ca. 4 bar übersättigt, so daß im Bett durch den dort herrschenden Normaldruck (abzüglich des Druckes, der durch die Wassersäule entsteht, sich Gasblasen bilden, die das Öl an sich binden, welches damit an die Ober fläche des Bettes flotiert wird, wo es abgeschöpft werden kann. Parallel wird das enthaltene Ammonium biologisch mittels der im Biofilm aufgewachsenen Mikroorganismen zu Nitrat oxidiert. So werden die Verfahrensschritte a, c in einer Teilsequenz durchge führt. Bedarf es einer Denitrifikation des Nitrats zu moleku larem Stickstoff, wird die erste Teilsequenz ohne Luftzugabe wiederholt, so daß denitrifiziert wird. Als letzte Teilsequenz wird der Biofilmreaktor von oben nach unten durchströmt und damit als Filter betrieben. Das Wasser wird von den enthaltenen Suspensa gereinigt und die zugewachsene Biomasse wird zurückge halten.

Claims

1. Verfahren zur biologischen und/oder physikalischen Elimination unerwünschter Wasserinhaltsstoffe aus Wasser mittels eines gefluteten, sequentiell betriebenen Biofilmreaktors mit einem pelletförmigen Reaktorträgermaterial, das je nach einge stelltem Verfahren mit Gas beaufschlagt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß der Biofilmreaktor zyklisch als Kombination von mindestens zwei verschiedenen Verfahren der folgenden Verfahrensgruppen betrieben wird:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biofilmreaktor zyklisch als Kombination von mindestens drei der Verfahrensgruppen a, b, c, und/oder d betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Biofilmreaktor zyklisch als Kombination von vier ver schiedenen Verfahren der Verfahrensgruppen a bis d betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial zwei verschiedene Füllkörper mit unter schiedlichem Korn und Dichte eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Einsatz eines Vorlagebehälters außer- und innerhalb, dessen Inhalt über den Biofilmreaktor im Kreislauf gefahren wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Biofilmreaktor mit Rezirkulationswasser beaufschlagt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Vorlagebehälters in den Biofilmreaktor integriert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückspülwasser in den Ausgleichsbehälter geführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsbehälter als Absetzbecken ausgebildet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Biofilmreaktor mittels Blasenbelüftung Sauerstoff eingetragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Biofilmreaktor mittels blasenfreier Belüftung Sauer stoff eingetragen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Vorlagebehälter Chemikalien, wie z. B. Flockungsmittel oder H-Donatoren zur Denitrifikation gegeben werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeich net, daß der Biofilmreaktor mit Ein- oder Mehrschichtkornhaufen (Träger- und Filtermaterial) betrieben wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeich net, daß der Biofilmreaktor mit inertem Trägermaterial oder einer Mischung aus inertem Trägermaterial mit z. B. Aktivkohle und/oder Ionenaustauscher betrieben wird.