DE19616953A1 - Reinigungs- und Dekontaminationsvorrichtung für mit Schadstoffen beladene Adsorptionsmittel - Google Patents

Description

Die erfindungsgemäße Leistung ist dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Struktur­ änderungen im Adsorptionsmittel nach Schadstoffaufnahme und bei einer anschließenden Dekontamination verhindert werden.

Das betrifft Adsorptionsmittel, die in Filtern zur Reinigung von Wasser (Grundwasser, Prozeßwasser, Abwasser, u.ä.) eingesetzt wurden.

Es ist möglich, daß die Dekontamination des Adsorptionsmittels in Abhängigkeit der Schadstoffcharakteristika in einem oder mehreren Verfahrensschritten durchgeführt wird.

Gegenwärtiger Stand

Für das Regenerieren des Adsorptionsmittels, meist Aktivkohle, werden sowohl die thermische Behandlung als klassisches Verfahren, als auch neuere biotechnologi­ sche Reinigungsverfahren (Zweistufiges Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Regeneration von beladener Aktivkohle, A.Bartetzko & P.J.Janietz; Biotechnologie und Umweltschutz, Wiesbaden Juli 1995) angewendet. Diese Verfahren erfordern den Transport des mit Schadstoffen beladenen Adsorptionsmittels aus dem Filter in den Reaktor, in dem die Dekontamination erfolgt.

Strukturänderungen im Adsorptionsmittel entstehen größtenteils durch die mechanische Beanspruchung

• 1. bei der Entnahme aus dem Filter,
• 2. beim Transport zum Ort des Dekontaminationsverfahren, sowie
• 3. beim Rücktransport einschließlich Beschicken des Filters mit dem aufbereiteten Adsorptionsmittel.

Es entsteht feinstkörniger Abrieb, der ausgesondert werden muß, weil er die Ursache für das Verstopfen von Leitungen und Filtern ist. Diese Aussonderung bedeutet Mengenverlust und somit auch Kapazitätsverlust der jeweiligen Charge und muß durch Zukauf von Adsorptionsmittel ausgeglichen werden.

Der Verlust von Feinstkorn bzw. Schlamm beträgt nach Einschätzung von verschiedenen Firmen, die sich mit Spezialtiefbau und/oder Umwelttechnik befassen, etwa 3-6% der Gesamtmenge beim kompletten einmaligen Austausch des Adsorp­ tionsmittels eines Filters (ca. 10 m³).

Neues Verfahren

Das erfindungsgemäße Verhindern der ungünstigen Strukturveränderungen des Adsorptionsmittels kann durch eine Dekontamination des Adsorptionsmittels an Ort und Stelle im benutzten Wasser-/Abwasserfilter durch eine entsprechende Vorrichtung erfolgen.

Bei der Beschreibung der erfindungsgemaßen Vorrichtung wird angenommen, daß beim Filterprozeß der Zulauf des zu reinigenden Wassers/Abwassers drucklos von oben erfolgt ist. Daraus ergibt sich zwangsläufig, daß das gereinigte Wasser im unteren Abschnitt des Filterkörpers entnommen wird.

Beim Umschalten des Filters von "Reinigen des Wassers/Abwassers" auf "die erfindungsgemäße" "Dekontamination des Adsorptionsmaterials" wird diese Fließrichtung umgekehrt, d. h. das Prozeßwasser für den Dekontaminationsprozeß wird unten in den Filterbehälter gepumpt und läuft im oberen Teil des Filterbehälters drucklos ab.

Es ist mit geringem Aufwand auch möglich, die erfindungsgemäße "Dekontamination des Adsorptionsmittels" bei einer umgekehrten Fließrichtung zu realisieren, um in dem Bereich mit der Dekontamination zu beginnen, in dem eine höhere Schadstoffkonzentration vorhanden ist.

Für die Ausbildung einer Wirbelschicht im Filterbehälter ist es günstiger, wenn die Fließrichtung des Prozeßwassers mit der Bewegungsrichtung der aufsteigenden Sauerstoffbläschen übereinstimmt, ansonsten würde die Fließrichtung des Prozeß­ wassers gegen die aufsteigenden Sauerstoffbläschen gerichtet sein.

Die Verwirbelung bewirkt zusätzlich, daß durch die auftretenden Scherkräfte der sich bildende Biofilm auf den Partikeln des Adsorptionsmittel zerrissen wird und so überschüssige und abgestorbene Biomasse aus dem Reaktionsraum (Filterbehälter) ausgetragen werden kann.

Weiterhin ist es auch möglich, diese Dekontamination auch in einem liegenden Filterbehälter durchzuführen, nachdem die Vorrichtung zur Dekontamination eingebaut worden ist.

Im unteren Teil des Filterbehälters sind dazu folgende Vorrichtungen entweder nachträglich oder schon bei der Herstellung einzubauen:

• - Elektroden für die anodische Erzeugung feinstverteilter Sauerstoffbläschen. Als Elektrodenmaterial ist mit Rutheniumdioxid beschichtetes Titan in Streckmetallform zu verwenden.
  Das an der Kathode möglicherweise entstehende Wasserstoffgas wird mit einer Abfangeinrichtung (Rohr oder Membran) aus dem Reaktorraum abgeführt. Die Kathode ist durch eine Ionenaustauscher-Membran vom restlichen Reaktions­ raum abgekapselt.
• - verschließbare Probeentnahmeöffnungen in der Filterbehälterwandung, die es ermög­ lichen, an Hand von Proben den Dekontaminationsgrad des Adsorptionsmittels analytisch zu bestimmen.

Im oberen Teil des Filterbehälters ist folgendes einzubauen:

• - Ein Ventil, mit dem während der Reinigung entstandenes Gas aufgefangen werden kann, damit kein Überdruck im Filterbehälter entsteht.
• - Öffnungen für das Anbringen von Sensoren bzw. Meßelektroden für die Messung von pH-Wert, Temperatur, Redoxpotential/Sauerstoff und die Leitfähigkeit des Prozeßwassers im Reaktionsraum.

Die Leitfähigkeitsmessung erfolgt, um zu verhindern, daß eine für die Mikro­ organismen toxische Salzkonzentration im Prozeßwasser entsteht. Bei Überschreiten eines Grenzwertes schaltet der Prozeßrechner eine Pumpe zur Frischwasserzufuhr an.

Folgende weitere Vorrichtungen zur Steuerung des Dekontaminationsprozesses sind außerhalb des Filterbehälters für das Dekontaminieren notwendig und werden in die Zuleitung bzw. Ableitung eingebunden.

Auslauf Prozeßwasser

• - Vorrichtung (Wehr oder selbstreinigendes Filter) zum Zurückführen von Partikeln des Adsorptionsmittels in den Reaktionsraum (Filterbehälter), die ausgeschwemmt wurden und die zu Verstopfungen in den Leitungen bzw. im Mischgefäß führen.
• - Eingebundenes Mischgefäß mit Dosiereinrichtungen für Nährsalzen Säure-/Lauge zur pH-Wertregulierung
• - Mittels eines weiteren Filters werden abgestorbene Mikroorganismen aus dem Prozeßwasser entfernt.

Weiterhin ist eine Umwälzpumpe für den geschlossenen Prozeßwasserkreislauf zu installieren. Die Leistungsdaten der Pumpe sind abhängig vom Strömungswiderstand einschließlich der Flüssigkeitssäule des mit dem Adsorptionsmittels gefüllten Filters. Wenn es die Konstruktionsform und die bereits vorhandenen Einbauten des Filterbehälters ermöglichen, wäre es für die Effizienz der Dekontamination günstig, das Adsorptionsmittel nicht in einem Festbettreaktionsraum zu reinigen, sondern den Auftrieb, der durch die aufsteigenden feinstverteilten Sauerstoffbläschen an den Körnern des Adsorbtionsmittel entsteht, und die Strömungsgeschwindigkeit des Prozeß­ wassers zu nutzen, um ein Wirbelschichtbett im Reaktionsraum aufzubauen und während der Dekontamination zu erhalten (Holst J., Martens B., Gulyas H. Greiser N. & Sekoulvl.( 1991) J.Environ. Engineering 12(2) S. 194-208).

Alle Meßergebnisse über den Ablauf der Dekontamination werden von einem Prozeß­ rechner ausgewertet und auf der Basis von prozeßabhängigen, wählbaren Zielgrößen in Steuerungsbefehle für die einzelnen Aktoren umgewandelt.

Die Dekontamination beginnt in der Regel, wenn die Beladungskapazität des Adsorptionsmittels erreicht wurde, das heißt, wenn nur noch äußerst wenig oder keine Schadstoffe mehr aufgenommen werden.

Die Zuführung für das Wasser/Abwasser werden ebenso wie die Abführung unter­ brochen und die Zusatzvorrichtungen für die Dekontamination des Adsorptions­ mittels werden angeschlossen.

Ende der Dekontamination

Das Ende der Dekontamination ist bei halogenhaltigen Schadstoffen daran zu erkennen, daß der pH-Wert konstant bleibt. Beim Abbau dieser Schadstoffe entstehen u. a. Halo­ genwasserstoffe die durch Lauge neutralisiert werden müssen. Wenn keine halogenhaltigen Schadstoffe mehr vorhanden sind, weil der Schadstoffabbau beendet ist, verändert sich der pH-Wert nicht mehr.

Bei anderen Schadstoffen ist das Ende der Dekontamination daran zu erkennen, daß der Gehalt an Nährstoffen im Prozeßwasser nicht mehr sinkt, weil die Mikroorganismen aufgrund der fehlenden C-Quelle ihren Stoffwechsel und ihre Vermehrung einstellen.

Parallel dazu werden Proben des Adsorptionsmittels analytisch auf den Stand der Dekontamination untersucht.

Beschreibung der Vorrichtungen

Die Reinigungs- und Dekontaminationsvorrichtung besteht aus folgenden Komponenten:
Im unteren Teil des Filterbehälters (1) befinden sich Elektroden (2). An der Anode entstehende Sauerstoffbläschen werden für die Mikroorganimen aus dem Wasser selbst erzeugt.

Eine Auffangvorrichtung an der mit einer Ionenaustauscher-Membran abgekap­ selten Kathode leitet entstehende Gase (z. B. Wasserstoff) aus dem Reaktionsraum. Im oberen Bereich (Deckel) befinden sich Meßelektroden für den pH-Wert (3), Temperatur (4), Redoxpotential (5) und die Leitfähigkeit (6). Ebenfalls im oberen Teil des Filterbehälters an höchsten Punkt, wird ein Ventil (7) eingebaut, mit dem das während der Dekontamination entstandene Gas aufgefangen werden kann. In der Wand des Behälters sind verschließbare Probeentnahmeöffnungen (9) angebracht. Vorhandene Montageöffnungen bzw. Entnahme- oder Beschick­ öffnungen (8) können ebenfalls zur Probenahme benutzt werden.

Am tiefsten Punkt des Filterbehälters ist, möglicherweise an einer vorhandenen Leitung, eine verschließbare Entleerungsöffnung (10) für das Prozeßwasser der Dekontamination vorzusehen.

Aus einen Voratsbehälter (12) erfolgt mittels einer Pumpe (13) eine Zugabe (11) von Frischwasser wenn z. B. die über die Leitfähigkeit (6) ermittelte Salzkonzentration toxisch für die Mikroorganismen werden könnte. Gleichzeitig wird mit Hilfe des Prozeßrechners erreicht, daß durch eine optimale Dosierung nur die wirklich notwendige Wassermenge dem System zugeführt wird.

Der Auslauf (15), der möglicherweise auch mit einer am Filterbehälter bereits vorhandenen Leitung kombiniert wird, ist mit einer Vorrichtung (14), die als Wehr oder selbstreinigendes Filter ausgebildet ist, zu versehen, die verhindert, daß Partikel des Adsorptionsmittels aus dem Filterbehälter ausgeschwemmt werden, die zu Verstopfungen der Anlage führen. Der Ablauf wird über eine stoffundurchlässige Leitung (16) in der sich eine Probeentnahmestelle (17) befindet, in ein Mischgefäß (18) geführt.

Das Mischgefäß dient zur Einstellung des pH-Wertes, der optimalen Nährsalz­ konzentration, und der Sauerstoffmenge für die Reinigung und Dekontamination. Mit Hilfe einer über eine pH-Elektrode (19) geregelte Pumpe (20) wird aus einem Vorratsgefäß Säure/Lauge zudosiert.

Der einzustellende pH-Wert ist von den eingesetzten Organismen abhängig. Der optimale Sauerstoffgehalt, der 9,2 mg O² /l bei 21°C beträgt, wird eingestellt, indem über eine geregelte Pumpe (21) eine H²O²-Lösung aus einem Vorratsgefäß zudosiert wird.

Nährsalze werden über die Pumpe (23) aus einem Vorratsbehälter in das Mischgefäß dosiert. Die Pumpe wird so gesteuert, daß an der Probeentnahmestelle (17) immer eine ausreichende Konzentration an Stickstoff und Phosphat vorhanden ist. Die Verteilung der zugegebenen Stoffe erfolgt mit einem motorgetriebenen Rührwerk (24). Im Mischgefäß, das ebenfalls so verschlossen ist, daß keine Strippeffekte auftreten können, befindet sich ein Ventil (25) für den Gasablaß und der Ablauf (26) für das, Prozeßwasser aus der Anlage. Zur Kontrolle befindet sich im Ablauf eine Probe­ entnahmestelle (27).

Im Mischgefäß befindet sich eine Zugabeschleuse (30) für im Fermenter vermehrte Mikroorganismen, als Träger des Dekontaminationsprozesses. Durch die Zugabe von in ausreichender Menge vermehrter Mikroorganimen, die für die vorhandenen Schadstoffe ausgewählt werden, ist es möglich, schon nach kurzer Anlaufzeit den Dekontaminationsprozeß, d. h. den mikrobiellen Abbau der Schadstoffe im gesamten Filterbehälter in Gang zu setzen.

Dadurch ist es möglich, die Zeit für die Dekontamination zu verkürzen. Aerobe Bakterien der Gattungen Pseudomonas, Acinobacter, Rhodococcos, Alcanigenes, Thiobacillus, Bacillus, Xanthobacter und andere schadstoffabbauende Stämme als Reinkulturen oder Mischkulturen, die isoliert und auf die zu mineralisierenden Schadstoffe angepaßt wurden sind besonders geeignet, den Dekontaminationsprozeß auf dem Adsorptionsmittel durchzuführen.

Anstelle des Mischgefäßes mit dem Rührwerk, kann auch eine Mischstrecke eingebaut werden, in der alle beschriebenen Vorrichtungen hintereinander angeordnet werden, und entsprechende Leitbleche für eine Verwirbelung sorgen.

Durch eine Leitung (28) mit einer geregelten Pumpe (29) wird der Kreislaufstrom in den Filterbehälter zurückgeführt.

Claims (4)

1. Einsatz und Anwendung einer nachrüstbaren Reinigungs- und Dekontaminations­ vorrichtung für mit Schadstoffen beladene Adsorptionsmittel, die es ermöglicht, diese Reinigung und Dekontamination sofort im jeweiligen Reaktionsbehälter durchzuführen, um die Strukturänderungen, die beim Transport des Adsorptionsmittels zur Reinigung und Dekontamination entstehen, zu vermeiden, die Schadstoffbeladung des Adsorptionsmittels findet in Reaktions­ behältern statt, in denen Wasser (Grundwasser, Abwasser, Prozeßwasser u. a.) gereinigt wird.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur gefahrlosen Ableitung von Gasen (z. B. Wasserstoff), die bei der elektro­ chemischen - Sauerstoffversorgung von Mikroorganismen an der Kathode entstehen, die Kathode durch eine Ionenaustauscher-Membran vom restlichen Reaktionsbehälter abgetrennt und mit einer Rohrleitung versehen ist, die die Gasableitung aus dem Reaktorbehälter ermöglicht.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine spezifische Membran am Auslauf des Reaktionsbehälters während der Reinigung und Dekontaminierung verhindert wird, daß Mikro­ organismen aus dem Reaktionsbehälter in die Rohrleitungen und in das Mischgefäß gelangen können.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sofort nach dem Beladen des Adsorptionsmittels mit Schadstoffen mit der Dekontamination begonnen wird, indem Bedingungen im Reaktions­ behälter geschaffen werden, die es den Mikroorganismen ermöglichen, die Schadstoffe (ohne Schwermetalle) sofort zu mineralisieren. Dadurch ist es möglich, den Adsorptions-Reaktor für die Wasser/Abwasserreinigung kontinuierlich zu betreiben, ohne die Nutzungszeit dieses Reaktors durch das Einschieben einer Dekontaminationsphase reduzieren zu müssen, wenn die Beladekapazität des Adsorptionsmittels erreicht worden ist.