Verfahren zur Konzentration biologischer Feststoffe in einem Reaktionssystem sowie biologisches Reaktionssystem zur Ausführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konzen tration biologischer Feststoffe in einem Reaktionssy stem mit einem biologischen Reaktor, welcher Nähr stoffe für das flüssige, Lebewesen enthaltende Medium des Systems enthält und. in welchem Bedingungen für die metabolische Umwandlung der Nährstoffe aufrecht erhalten werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass eine Strömung des Mediums mit den Lebewesen entlang einer Seite einer teildurchlässi gen Membran geführt wird, welche zum Zurückhalten der Lebewesen an der betreffenden Seite der Membran geeignet ist, jedoch den Durchgang der Trägerflüssig keit gestattet, wodurch die Strömung des Mediums konzentriert wird, worauf mindestens ein Teil des kon zentrierten Mediums in den Reaktor rückgeführt wird, derart, dass dauernd die Strömung des Mediums der konzentrierenden Wirkung der Membran unterzogen wird.
Das erfindungsgemässe biologische Reaktionssy stem zur Ausführung des Verfahrens ist gekennzeich net durch einen Reaktor mit einem flüssigen, Lebewe sen enthaltenden Medium zur metabolischen Umwand lung von Nährstoffen, in Kombination mit einem Trennorgan mit einer teildurchlässigen Membran, die für die Trägerflüssigkeit des Mediums durchlässig, jedoch für die Lebewesen undurchlässig ist, sowie mit einem Umwälzorgan zur Umwälzung des Mediums aus dem Reaktor zum Trennorgan und zurück.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neu artiges Verfahren sowie ein neuartiges System zur Aus führung biologischer Reaktionen in flüssigen Medien unter Verwendung von teildurchlässigen Membranen zur Trennung der biologischen Lebewesen von der Trägerflüssigkeit. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei Verfahren und Systemen, die zur Be handlung von Abwässern und industriellen Abfallflüs sigkeiten dienen.
Biologische Reaktionssysteme wurden bisher zur Behandlung von Abwässern verwendet, z. B. aktivierte Schlammsysteme, bei welchen aerobe Lebewesen als Mittel zur Durchführung der metabolischen Umwand lung dienen. Derartige Systeme sind jedoch durch wenig wirksame oder nachteilige Arbeitsbedingungen beschränkt, welche durch ein Trennorgan zur Tren nung der Phasen gegeben sind, normalerweise ein Klärbecken. In diesem werden die Feststoffe, d. h. die biologischen Lebewesen mit den absorbierten Nähr stoffen aus dem Abwasser vom ausströmenden Wasser getrennt.
Klärbecken der für die Behandlung von Abwässern geeigneten Grössen können einen Zufluss mit einer maximalen Konzentration von Feststoffen im Bereich von 0,5 bis 1 % verarbeiten, und die meisten der soge- nannten sekundären Klärbecken in Anlagen mit akti viertem Schlamm arbeiten bei einer Zufuhr mit einem Gehalt von 0,3 bis 0,5 % an Feststoffen.
Um diese starke Verdünnung des eingespeisten Mediums zu er reichen, werden Vorklärbecken verwendet, welche den Zutritt von leicht absetzbaren Feststoffen aus dem Rohschlamm in das biologische Reaktionssystem ver hindern, und auf diese Weise das sekundäre Klärbek- ken entlasten. Als zusätzliche Massnahme wird das Reaktionssystem mit dem aktivierten Schlamm, wel chem das Medium aus dem Vorklärbecken zugeführt wird, so betrieben, dass eine Anhäufung von biologi schen Feststoffen über den erwähnten maximalen Wert verhindert wird.
Diese Beschränkung der Konzentra tion in den bekannten Systemen mit aktiviertem Schlamm hat eine Reihe von Nachteilen zur Folge. So erfordert der biologische Teil der Anlage grössere Ein- richtungen und/oder kürzere Verweilzeiten. Der aus dem System austretende Schlamm ist stärker verdünnt und hat daher ein grosses Volumen. Es ist ein Vorklär- becken erforderlich, wobei die Anlage grössere Schlammengen liefert, da der primäre Schlamm nicht metabolisiert ist.
Schliesslich besteht eine Tendenz zur Bildung von Ausgangsstoffen schlechterer Qualität, da die Zufuhr von sekundären Klärbecken auf maximalen Werten gehalten wird, um die erwähnten Nachteile auszugleichen. Dabei sind die Klärbecken nicht fähig, Feststoffe auszuscheiden, welche von den Lebewesen nicht metabolisiert oder absorbiert wurden.
Die Erfindung hat die Beseitigung der erwähnten Nachteile der bekannten Reaktionsverfahren und Reaktionssysteme zum Ziel.
Zur Erreichung dieses Zieles sind beim biologi schen Reaktionssystem zwei grundlegende Teile vorge sehen. Der erste Teil ist ein biologischer Reaktor mit einem flüssigen, Lebewesen enthaltenden Medium. Dem Reaktor wird ein Strom von Nährstoffen, z. B. rohes Abwasser zugeführt. Im Falle der Verwendung von aeroben Lebewesen wird ausserdem Sauerstoff zugeführt, um die metabolische Umwandlung der Nährstoffe durch die Lebewesen zu ermöglichen.
Dem biologischen Reaktor wird eine Strömung des Inhaltes entnommen und dem zweiten grundlegenden Teil des Systems, einem Trennorgan mit einer Membran zuge führt. Das Trennorgan enthält eine teildurchlässige Membran mit einer so gewählten Eigenschaft, dass ein Durchgang der Trägerflüssigkeit durch die Membran möglich ist, wobei die Lebewesen des Mediums an einem Durchgang gehindert werden.
Bei der Behandlung von Abwässern ist die Mem bran vorzugsweise so gewählt, dass sie nicht nur die Lebewesen zurückhält, sondern auch schwer biologisch abbaubare organische Nährstoffe mit grossen Molekü len, wodurch genügend Gelegenheit und Zeit für die metabolische Umwandlung dieser Nährstoffe geboten wird. Bei gewissen Behandlungen von Abwässern kann es erwünscht sein, eine Membran zu verwenden, bei welcher die gelösten, nicht biologisch abbaubaren an organischen Stoffe durchgelassen werden. Bei anderen Anwendungsfällen der Erfindung können die Lebewe sen ein wertvolles Produkt bilden, in welchem Falle es erwünscht sein kann, dieses Produkt zur folgenden Trennung durch die Membran durchdringen zu lassen.
Da die Trennvorgänge an der Membran beim er- findungsgemässen Verfahren umgekehrte Osmose und Ultrafiltrierung sind, kann eine Speisung des Trennor ganes unter Druck verwendet werden, wodurch der er forderliche Druckabfall über der Membran gebildet wird. Die Trägerflüssigkeit gelangt durch die Membran und tritt aus dem Trennorgan in der Form einer Aus gangsströmung aus. Die Lebewesen und ein grösserer Teil der Trägerflüssigkeit werden auf der primären Seite der Membran zurückgehalten und treten aus dem Trennorgan als sogenanntes Konzentrat aus.
Dieses Konzentrat wird umgewälzt, um eine weitere Abschei- dung zu ermöglichen. Die Umwälzung erfolgt entweder direkt oder durch den biologischen Reaktor. Dabei wird auch eine Ausscheidung der biologischen Fest stoffe aus dem System vorgesehen, um die Einhaltung der Konzentration an Feststoffen und/oder eine Aus scheidung eines wertvollen Produktes der Lebewesen zu ermöglichen.
Durch die besonderen Eigenschaften von teildurch lässigen Membranen wird die Qualität der Ausgangs strömung nicht durch die Konzentration des dem Trennorgan zugeführten Mediums nachteilig beein- flusst. Es kann daher das biologische Reaktionssystem mit bedeutend höheren Konzentrationen an Feststoffen betrieben werden als dies bisher möglich war. Es kann z. B. dem biologischen Reaktor direkt Rohschlamm zugeführt werden, ohne dass primäre Klärvorrichtun gen notwendig wären.
Auf diese Weise wird eine meta bolische Umwandlung der gesamten Strömung des Abwassers ermöglicht, und die gesamte Menge des er haltenen Schlammes vermindert. Ausserdem sind die dem biologischen Reaktionssystem entnommenen. Fest stoffe höher konzentriert und haben daher ein geringe res Volumen. Zusätzlich sind die Teile des Reaktions systems kleiner, da höhere Konzentrationen an Fest stoffen zulässig sind. Schliesslich enthält die Ausgangs strömung der Anlage keine biologischen Feststoffe, trotz den hohen Konzentrationen an Feststoffen, wobei sie eine besonders hohe Qualität hat, da sie keime Bak terien und keine bekannten Viren enthält. Es ist daher auch keine Chlorierung der Ausgangsströmung vor deren Einführung in ein Gewässer notwendig.
Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeich nung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Schema des erfindungsgemässen Systems mit einem biologischen Reaktor und einem Trennorgan mit einer Membran, die nach dem Prinzip der Ultra- Filtrierung sowie der umgekehrten Osmose arbeitet, Fig.2 ein Schema einer abgeänderten Schaltung des Systems, Fig.3 ein Schema einer weiteren Ausführung der Erfindung,
wobei ein Reaktor verwendet wird, der dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist und Fig.4 eine Ausführung, bei welcher ein zweistufi ges Trennorgan zur Trennung der Ausgangsströmung der ersten Stufe des Trennorganes in Fraktionen ver wendet wird.
In der Fig. 1 ist ein mit überdruck arbeitender bio logischer Reaktor 10 dargestellt, welcher einen Inhalt 12 an flüssigem, Lebewesen enthaltendem Medium aufweist. Die Lebewesen werden durch Nährstoffe ge nährt, welche durch eine Pumpe 14 und eine Leitung 16 zugeführt werden. Vorzugsweise ist in der Leitung 16 ein Zerkleinerungsorgan 18 angeordnet, welches der Verminderung der Grösse der im rohen Abwasser ent haltenen Teilchen dient, um einerseits die metabolische Umwandung zu erleichtern und andererseits eine Ver stopfung des Systems, insbesondere im Trennorgan zu verhindern.
In Fällen, wo die im Reaktor enthaltenen Lebewe sen des aeroben Typs sind, ist ein Dispersionsorgan 20 im Reaktor angeordnet, welches an eine geeignete Quelle 22 von Druckluft oder unter Druck stehendem Sauerstoff angeschlossen ist, um den zur metabolischen Umwandlung der Nährstoffe erforderlichen Sauerstoff zu liefern. Der Reaktor ist auch mit einer Entlüftungs leitung 24 versehen, in welcher ein geeignetes Steuer organ, wie z. B. ein Ventil 26 vorgesehen ist, um die Abströmung von Gasen zu ermöglichen.
Dem Reaktor wird ein Teil seines Inhaltes durch eine Leitung 28 entzogen und durch eine Pumpe 30 und eine Speiseleitung 32 einem Membran-Trennorgan 40 zugeführt. Das Trennorgan enthält ein geeignetes Gehäuse 42, welches durch eine oder mehrere teil durchlässige Membranen in einen Einströmteil 46 und einen Ausströmteil 48 getrennt ist.
Die Eigenschaften der Membran 44 sind so gewählt, dass sie eine umge kehrte Osmose sowie eine Trennung durch Ultra-Fil- trierung ausführt, wobei die biologischen Lebewesen an der Einströmseite der Membran zurückgehalten wer den. Da zur Ausführung der umgekehrten Osmose und der Ultra-Filtrierung eine Druckdifferenz über der Membran 44 aufrechterhalten werden muss, so ist an der Ausströmseite der Membran eine perforierte Stütze 45 vorgesehen.
Das Gehäuse 42 ist mit einer Aus- strömleitung 50 versehen, welche an den Ausströmteil 48 angeschlossen ist. Die Trägerflüssigkeit, welche durch die teildurchlässige Membran 44 strömt, wird im Ausströmteil 48 gesammelt und tritt aus dem Trennor gan in der Form einer Ausgangsströmung 52 heraus.
Das Medium, welches auf der Einströmseite der Membran 44 zurückgehalten wird und den grösseren Teil der Trägerflüssigkeit wie auch die Lebewesen ent hält, strömt aus dem Einströmteil 46 in etwas konzen trierter Form in eine Konzentrat-Leitung 54. Die Lei tung 54 führt zurück zur Eingangsseite der Umwälz- pumpe 30, so dass mindestens ein Teil des Konzentra tes direkt wieder durch die Speiseleitung 32 umgewälzt wird und von neuem zur Membran des Trennorganes gelangt.
Zur Aufrechterhaltung der gewünschten Konzen tration an Lebewesen im Reaktor 10 wird ein Teil der gemeinsamen Strömung des Konzentrates und des Mediums aus dem Reaktor nach dem Austritt aus der Umwälzpumpe 30 durch eine Rückleitung 56 in den Reaktor eingeführt. Die Aufteilung der durch die Rückleitung 56 und durch die Speiseleitung 32 strö menden Mengen wird durch Ventile 58 und 60 in den betreffenden Leitungen gesteuert.
Da das dauernde Wachstum der Lebewesen im System das System mit der Zeit mit Feststoffen überla sten könnte, ist eine Entnahmeleitung 62 mit einem Steuerventil 64 vorgesehen, die an den Kreislauf des Trennorganes angeschlossen ist.
Das in der Fig. 2 dargestellte System entspricht im wesentlichen dem System nach der Fig. 1, und es sind die gleichen Teile in beiden Figuren mit gleichen Ber zugszeichen bezeichnet. Die Unterschiede der Systeme nach der Fig. 1 und 2 liegen in der Anordnung der Leitungen. So wird bei der Ausführung nach der Fig. 2 dem Reaktor 10 eine Strömung seines Inhaltes durch eine Leitung 80 entzogen und mittels einer Pumpe 82 durch eine Speiseleitung 84 dem Trennorgan zugeführt.
Ein Teil des Konzentrates, welches den Einströmteil 46 durch eine Konzentratleitung 86 verlässt, wird durch den Reaktor 10 über eine Rückleitung 88 umge wälzt, und zwar mittels einer Umwälzleitung 87. Das Verhältnis der Anteile der Rückleitung und der Um- wälzleitung der Konzentratströmung wird durch Ven tile 90 und 92 gesteuert, die in der Rückleitung 88 und in der Umwälzleitung 87 angeordnet sind.
Das System nach der Fig. 3 entspricht im wesent lichen dem System nach der Fig.2, wobei ebenfalls gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Der grundlegende Unterschied zwischen den bei den Anordnungen besteht darin, dass der biologische Reaktor 100 in der Fig. 3 dem atmosphärischen Umge bungsdruck ausgesetzt ist. Der Reaktor 100 enthält einen Inhalt 102 eines flüssigen, Lebewesen enthalten den Mediums. Dem Reaktor werden die Nährstoffe durch eine Speiseleitung 104 zugeführt. Dem Reaktor 100 wird durch eine Leitung 106 eine Strömung seines Inhaltes entnommen und der Druckseite des Systems durch eine Pumpe 108 zugeführt.
Das in der Fig.4 dargestellte System entspricht ebenfalls im wesentlichen dem System nach der Fig. 2, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen be zeichnet sind. In der Fig.4 ist das Trennorgan 40 jedoch nur die erste Stufe von zwei Trennstufen. Das Trennorgan 40 enthält eine verhältnismässig durchläs sige Membran 120, welche so gewählt ist, dass sie an der Einströmseite die biologischen Lebewesen zurück- hält. Die Membran 120 gestattet den Durchgang nicht nur der Trägerflüssigkeit, sondern auch bestimmter Moleküle, welche kleiner sind als die Lebewesen. So können z.
B. bei der Behandlung von Abwässern diese Moleküle anorganische Nährstoffe oder biologisch nicht abbaubare Stoffe sein, die in der Strömung ent halten sind, welche dem Reaktor zugeführt wird. Diese Moleküle können jedoch auch ein wertvolles Produkt sein, welches durch die metabolische Umwandlung gewonnen wird. In beiden Fällen wird eine Ausgangs strömung 122, welche diese Stoffe enthält, dem Trenn organ 40 entnommen und einem Trennorgan 124 der zweiten Stufe durch eine Pumpe 126 über eine Speise leitung 128 zugeführt. Das Trennorgan 124 enthält eine oder mehrere Membranen 130, eine Stütze 132, eine Ausgangsleitung 134 und eine Konzentratleitung 136.
Die Konzentratleitung 136 führt zurück zur Ein gangsseite einer Umwälzpumpe 126 zur wiederholten Leitung des Konzentrates an der Membran vorbei. Die Membran 130 ist eine verhältnismässig undurchlässige Membran, welche Moleküle der anorganischen Stoffe oder der metabolischen Produkte zurückhält und den Durchgang der Trägerflüssigkeit gestattet. Auf diese Weise wird durch eine wiederholte Umwälzung des dem Trennorgan der zweiten Stufe zugeführten Me & ums eine Konzentration der Ausgangsströmung aus der ersten Stufe erzielt.
Periodisch oder kontinuierlich wird ein Teil dieser konzentrierten Strömung durch eine mit einem Ventil 137 versehene Ausgangsleitung abgelas sen und einer Behandlungsvorrichtung 138 zugeführt, welche aus dem austretenden Konzentrat die Feststoffe ausscheidet und von der Trägerflüssigkeit trennt. So kann z. B. die Vorrichtung 138 auf dem Prinzip der direkten Präzipntation, der Absorptions-Präzipitation, des Ionenaustausches, der Extraktion durch Lösungs mittel oder der Destilation arbeiten. Die getrennten Fraktionen werden der Vorrichtung 138 durch Leitun gen 140 und 142 entfernt.
Als Beispiel wird eine besondere Ausführung des Reaktionssystems nach der Fig.1 beschrieben. Das System ist zur Aufnahme von typischen Abwässern einer Gemeinde bestimmt, die im System direkt behan delt werden. Ein derartiges Abwasser ist eine stark verdünnte wässerige Zusammensetzung mit wenig gelö sten Feststoffen und einem grossen Anteil der Fest stoffe als Suspension im Wasser. Dieses rohe Abwasser wird im Zerkleinerungsorgan 18 behandelt, um zu gewährleisten, dass die Grösse der Teilchen den Wert von 0,8 mm nicht übersteigt und wird darauf in den biologischen Reaktor gepumpt, in welchem im wesent lichen der Druck aufrechterhalten wird, welcher auf der Einströmseite der Membran erforderlich ist und im Bereich von 1,4 bis 7 atü liegt.
Der Reaktor enthält typische, im Wasser befind- liebe aerobe Lebewesen, wie sie in Kläranlagen mit aktiviertem Schlamm verwendet werden. Der Inhalt des Reaktors wird mit einer ausreichenden Menge von Sauerstoff belüftet, um die metabolische Umwandlung der Nährstoffe im Abwasser aufrechtzuerhalten. Die durch die matabolische Umwandlung gebildeten Gase, in erster Reihe C02, entweichen zusammen mit ande ren Abgasen aus dem unter Druck stehenden Reaktor durch die geregelte Entlüftungsleitung 24. Der Reaktor hat eine so gewählte Grösse, und die Entnahme und die Rückströmung sind so gewählt, dass eine Verweil dauer im Reaktor im Bereich von 10 bis 30 Minuten entsteht.
Die Entnahme der biologischen Feststoffe durch die Entnahmeleitung 62 wird so gesteuert, dass im System eine hohe Konzentration der Feststoffe, z. B. 3 % besteht, wobei sich das Belastungsverhältnis von biologischem Sauerstoffbedarf zu den biologischen Feststoffen im Bereich von 0,03 bis 0,3 bewegt.
Die Membran im Trennorgan wurde bei dieser Ausführung so gewält, dass die Grenze der trennenden Grösse im Bereich der Molekulargewichte von 200 bis 400 lag. Eine derartige Membran hält wirksam die Lebewesen sowie alle unabsorbierte oder unmetabo- lisierte organische Moleküle oder suspendierte Teilchen des rohen Abwassers zurück, während sie den Durch gang von Wasser und gelösten anorganischen Stoffen wie z. B. von Salzen gestattet.
Die Trenngrösse der Membran wird vorzugsweise so gewält, dass sie ausrei chend unterhalb der Grösse des zurückgehaltenen Materiales liegt, sowie ausreichend hoch über der Grösse des durch die Membran durchzulassenden Materiales. Auf diese Weise wird eine Verschlechte rung der Strömung durch die Membran durch Verstop fungserscheinungen vermieden.
Was die Strömungsmengen im System betrifft, so kann die dem Reaktor zugeführte Menge an Abwasser mit dem Wert Q bezeichnet werden. Die Strömung in der Rückleitung erfolgt auf Grund der Notwendigkeit, einen Entzug der biologischen Population aus dem Reaktor zu verhindern. Da unter stationären Arbeitbe- dingungen der Entzug aus dem Reaktorsystem die rückgeführte Menge um den Wert 1Q übersteigt und da die in den Reaktor rückgeführte Menge etwas mehr konzentriert ist als die entzogene Menge, so kann eine Verminderung der Population dadurch vermieden wer den, dass die Umwälzung durch den Reaktor derart erhöht wird, dass sie die entzogene Menge von 1Q übersteigt.
Bei dieser als Beispiel dienenden Ausfüh rung der Erfindung hat es sich gezeigt, dass zur Errei chung dieses Zieles eine rückgeführte Menge von 20Q ausreichte. Es beträgt somit die durch die Leitung 28 entzogene Menge 21Q und die Rückströmung in den Reaktor durch die Leitung 56 20Q.
Die Faktoren, welche die erforderlichen Strömungs mengen beeinflussen, ergeben sich aus den Eigen schaften der Membran. Um die ungünstigen Ein flüsse von Ablagerungen zu vermeiden, zu deren Ent stehung an der Oberfläche der Membran bei der Vor beiströmung des Mediums eine Neigung besteht, wird eine turbulente Strömung entlang der Membran bevor zugt. Durch diese wird die Entstehung von Ablagerun gen klein gehalten. Durch hohe Strömungsgeschwindig keiten und die damit zusammenhängenden Turbulen zen entlang der Membran entsteht eine reinigende Wir kung, durch welche die Ablagerung von Feststoffen oder die Entstehung eines Kuchens an der Oberfläche der Membran verhindert wird.
Es muss daher zur Er zielung einer günstigen Funktion der Membran die dem Trennorgan zugeführte Strömungsmenge gegen über der ausströmenden Menge bedeutend grösser sein, z. B. hundertmal so gross bei einem bestimmten Typ und einer bestimmten Anordnung der Membranflächen, im Trennorgan. Da die aus dem Trennorgan ausströ mende Menge unter stationären Verhältnissen im wesentlichen 1Q beträgt, so ist in diesem Falle die Strömungsmenge in der Leitung 32 101Q und die Strö mung des Konzentrates in der Leitung 54100Q.
Die obere Grenze der Strömungsmenge durch das Trennorgan ist durch die Tatsache gegeben, dass die Membranen bei äusserst hohen Geschwindigkeiten durch Erosion beschädigt werden können und/oder dass die Membranen 44 von den Stützen 45 abgeschält werden können. Ausserdem ergibt sich aus dem Gesichtspunkt der erforderlichen Antriebsenergie der Pumpe, dass die Umwälzung durch den Reaktor wie auch die direkte Umwälzung des Konzentrates so klein wie möglich gehalten werden sollen, unter Berücksichtigung der erwähnten Anforderungen an die Strömung.
Wie am besten anhand des Schemas in der Fig. 2 ersichtlich ist, kann das Verhältnis der Rückströmung durch die Lei tung 88 und der direkten Umwälzung durch die Lei tung 87 zwischen den extremen Werten von 100 0/0 Rückführung und 100 % direkte Umwälzung durch eine entsprechende Betätigung der Ventile 90 und 92 eingestellt werden.
Wenn angenommen wird, dass die erwähnten Anforderungen an die Strömung bestimmen, dass die Strömungsmenge durch das Trennorgan min destens 100Q betragen soll und die Rückströmung in dem Reaktor mindestens 20Q, so ergibt sich daraus, dass diese minimalen Werte dadurch erhalten werden, dass die gesamte Menge an Konzentrat von 100Q aus dem Trennorgan in den Reaktor zugeführt wird, ohne eine direkte Umwälzung durch die Leitung 87.
Es kann jedoch eine Verminderung der erforderlichen Pumplei- stung erzielt werden, bei Einhaltung der gewünschen minimalen Strömungsmengen, wenn die Menge von 80Q durch die Leitung 87 direkt umgewälzt wird und nur die Menge von 20Q durch die Leitung 88 in den Reaktor zurückgeführt wird.
Wenn es erwünscht ist, die Konzentration an biolo gischen Feststoffen in der Umwälzleitung des Trennor- ganes zu erhöhen, z. B. als Vorbereitung für die Ent nahme von Feststoffen, so kann das Rückführventil 90 geschlossen werden. Das entspricht einem Schliessen des Ventilei 58 in der Fig. 1, wodurch die gleichen Verhältnisse erzielt werden.
Dadurch wird eine Ent nahme von biologischen Feststoffen aus dem Reaktor erzielt und deren Überführung in die Umwälzleitung des Trennorganes, wodurch die Konzentration an Fest stoffen in dieser Leitung erhöht wird. Bei Anlagen, bei welchen das Volumen der Umwälzleitung des Trennor- ganes klein ist gegenüber dem Volumen des Reaktors, kann eine derartige Konzentration in der Umwälzlei- tung erreicht werden, ohne dass eine entsprechende Verminderung der Konzentration an Lebewesen im Reaktor eintritt.
Bei der als Beispiel angeführten Anlage zur Be handlung von Abwasser ist die Ausgangsströmung aus der Trennvorrichtung von sehr guter Qualität. So ist der biologische Sauerstoffbedarf der entnommenen Flüssigkeit im Grössenbereich von 3 Milligramm pro Liter, der chemische Sauerstoffbedarf im Bereich von 20 Milligramm pro Liter, wobei keine Bakterien und keine bekannten Viren vorhanden sind.
Eine derart gute Qualität der entnommenen Flüssigkeit ist auf die Zurückhaltung der langsam biologisch abbaubaren Moleküle wie auch der Bakterien und Viren durch die Membran zurückzuführen. Die ausströmende Flüssig- keit dieser Qualität ist zur direkten übergabe in Ge wässer ohne eine weitere Behandlung geeignet, so dass sich ein Chlorieren des Wassers von seiner Ableitung erübrigt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Trenn organ für eine Arbeit mit sehr hohe Konzentrationen an biologischen Feststoffen geeignet ist. Obwohl im Beispiel eine Konzentration von 3 % an biologischen Feststoffen verwendet wurde, kann:
das Trennorgan mit Konzentrationen von 7 bis 12 % arbeiten. Die Fakto- ren, welche die maximalen Konzentrationen begrenzen, sind eine hohe Viskosität, welche höhere Pumpleistun- gen erfordert und Strömungsprobleme im Trennorgan hervorruft, sowie ein unerwünschtes Zurückhalten des zur Verfügung stehenden Wassers durch den Schlamm.
Mit anderen Worten ausgedrückt, kann die Membran über den maximalen Grenzen der Konzentration dem zugeführten Schlamm nicht mehr wirksam Wasser ent ziehen, trotz dem bestehenden Druckabfall über der Membran.
Die Fähigkeit des Trennorganes mit Membranen zur wirksamen Behandlung der dicken Schlämme mit einer hohen Konzentration an biologischen Feststoffen ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber den frühe ren Kläranlagen, in welchen der biologische Reaktor wegen der durch das sekundäre Klärbecken auferlegten Beschränkungen mit einer Konzentration von ungefähr 0,3 bis 0,5 % an Feststoffen betrieben wird. Diese höheren zulässigen Konzentrationen an biologischen Feststoffen haben zur Folge, dass die Grösse des Reak tors vermindert werden kann,
wobei trotzdem die voll ständige Absorption der Nährstoffe im Abwasser durch die Lebewesen im Reaktor erzielt werden kann.
Ein weiterer Vorteil, welcher sich aus der Arbeits weise des Systems bei höheren Konzentrationen an Feststoffen ergibt, besteht darin, dass die periodische Entnahme von überschüssigen biologischen Feststoffen bei höheren Konzentrationen erfolgt. Es hat daher der so erhaltene Schlamm ein bedeutend kleineres Volu men, bezogen auf das Gewicht der Feststoffe, wodurch sich ein Verdickungsvorgang erübrigt, welcher norma lerweise bei den bisherigen Kläranlagen erforderlich ist.
Da schliesslich das Trennorgan bei sehr hohen Konzentrationen an Feststoffen arbeiten kann., entfällt die Notwendigkeit von besonderen Vorkläreinrichtun- gen, die bisher erforderlich waren. Das rohe Abwasser kann dem biologischen Reaktor direkt zugeführt wer den. Das hat nicht nur eine Kapitalersparnis zur Folge, sondern bedeutet auch, dass der gesamte Gehalt an Nährstoffen im rohen Abwasser einer metabolischen Umwandlung unterzogen wird, so dass die gesamte Menge der zu beseitigenden Feststoffe vermindert wird.
Method for concentrating biological solids in a reaction system and biological reaction system for carrying out the method The invention relates to a method for concentrating biological solids in a reaction system with a biological reactor which contains nutrients for the liquid medium of the system and contains living beings. in which conditions are maintained for the metabolic conversion of the nutrients.
The inventive method is characterized in that a flow of the medium with the living beings is guided along one side of a partially permeable membrane, which is suitable for retaining the living beings on the relevant side of the membrane, but allows the passage of the carrier liquid, whereby the Flow of the medium is concentrated, whereupon at least a part of the concentrated medium is returned to the reactor, such that the flow of the medium is continuously subjected to the concentrating effect of the membrane.
The inventive biological reaction system for carrying out the method is characterized by a reactor with a liquid medium containing living beings for the metabolic conversion of nutrients, in combination with a separator with a partially permeable membrane that is permeable to the carrier liquid of the medium, but for the living being is impermeable, as well as having a circulating device to circulate the medium from the reactor to the separating device and back.
The present invention relates to a novel method and a novel system for performing biological reactions in liquid media using partially permeable membranes to separate the biological organisms from the carrier liquid. The invention finds particular application in methods and systems that serve to treat waste water and industrial waste fluids.
Biological reaction systems have heretofore been used to treat wastewater, e.g. B. activated sludge systems in which aerobic organisms are used as a means of carrying out the metabolic conversion. However, such systems are limited by ineffective or disadvantageous working conditions, which are given by a separator for separating the phases, usually a clarifier. In this the solids, d. H. the biological organisms with the absorbed nutrients from the wastewater are separated from the outflowing water.
Clarifiers of the sizes suitable for the treatment of wastewater can process an inflow with a maximum concentration of solids in the range of 0.5 to 1%, and most of the so-called secondary clarifiers in plants with activated sludge work with a feed with one Content from 0.3 to 0.5% solids.
In order to achieve this strong dilution of the medium fed in, primary clarifiers are used, which prevent the entry of easily settable solids from the raw sludge into the biological reaction system, and in this way relieve the secondary clarification tank. As an additional measure, the reaction system with the activated sludge, wel chem the medium is fed from the primary clarifier, is operated in such a way that an accumulation of biological solids above the mentioned maximum value is prevented.
This limitation of the concentration in the known systems with activated sludge has a number of disadvantages. The biological part of the plant requires larger facilities and / or shorter residence times. The sludge emerging from the system is more dilute and therefore has a large volume. A primary clarification tank is required, and the system supplies larger amounts of sludge, as the primary sludge is not metabolized.
Finally, there is a tendency towards the formation of starting materials of poorer quality, since the supply from secondary clarifiers is kept at maximum values in order to compensate for the disadvantages mentioned. The clarifiers are not able to separate solids that have not been metabolized or absorbed by living beings.
The invention aims to eliminate the aforementioned disadvantages of the known reaction processes and reaction systems.
To achieve this goal, two basic parts are provided for the biological reaction system. The first part is a biological reactor with a liquid medium containing living beings. A stream of nutrients, e.g. B. fed raw wastewater. If aerobic organisms are used, oxygen is also supplied to enable the metabolic conversion of the nutrients by the organisms.
A flow of the contents is taken from the biological reactor and fed to the second fundamental part of the system, a separating element with a membrane. The separating member contains a partially permeable membrane with a property selected so that the carrier liquid can pass through the membrane, the living beings of the medium being prevented from passing through.
When treating wastewater, the membrane is preferably chosen so that it not only retains living beings, but also organic nutrients with large molecules that are difficult to biodegrade, which offers sufficient opportunity and time for the metabolic conversion of these nutrients. In the case of certain treatments of waste water, it may be desirable to use a membrane in which the dissolved, non-biodegradable organic substances are allowed to pass through. In other applications of the invention, the living beings may form a valuable product, in which case it may be desirable to have this product permeate through the membrane for subsequent separation.
Since the separation processes on the membrane in the method according to the invention are reverse osmosis and ultrafiltration, the separation element can be fed under pressure, whereby the required pressure drop is formed across the membrane. The carrier liquid passes through the membrane and exits the separating element in the form of an initial flow. The living beings and a larger part of the carrier liquid are retained on the primary side of the membrane and emerge from the separating organ as a so-called concentrate.
This concentrate is circulated to allow further separation. The circulation takes place either directly or through the biological reactor. It is also provided that the biological solids are eliminated from the system in order to maintain the concentration of solids and / or to allow a valuable product of living beings to be eliminated.
Due to the special properties of partially permeable membranes, the quality of the output flow is not adversely affected by the concentration of the medium supplied to the separating element. The biological reaction system can therefore be operated with significantly higher concentrations of solids than was previously possible. It can e.g. B. raw sludge can be fed directly to the biological reactor without primary Klärvorrichtun conditions being necessary.
In this way, a metabolic conversion of the entire flow of the wastewater is made possible, and the total amount of sludge he received is reduced. In addition, they are taken from the biological reaction system. Solids are more concentrated and therefore have a lower volume. In addition, the parts of the reaction system are smaller, as higher concentrations of solids are permitted. After all, the output flow of the system does not contain any biological solids, despite the high concentrations of solids, and it is of particularly high quality because it contains germs and no known viruses. It is therefore also not necessary to chlorinate the outlet stream before it is introduced into a body of water.
The invention is explained with reference to some embodiments shown schematically in the drawing tion. 1 shows a diagram of the system according to the invention with a biological reactor and a separating element with a membrane which works on the principle of ultrafiltration and reverse osmosis, FIG. 2 shows a diagram of a modified circuit of the system, FIG a scheme of a further embodiment of the invention,
a reactor is used which is exposed to atmospheric pressure and FIG. 4 shows an embodiment in which a two-stage separating element is used to separate the output flow of the first stage of the separating element into fractions.
In Fig. 1, a biological reactor 10 working with positive pressure is shown, which has a content 12 of liquid medium containing living beings. The living beings are nourished by nutrients which are supplied by a pump 14 and a line 16. Preferably, a comminuting element 18 is arranged in line 16, which serves to reduce the size of the particles contained in the raw wastewater, on the one hand to facilitate metabolic conversion and on the other hand to prevent clogging of the system, especially in the separating element.
In cases where the living beings contained in the reactor are of the aerobic type, a dispersing device 20 is arranged in the reactor which is connected to a suitable source 22 of compressed air or pressurized oxygen to provide the oxygen necessary for the metabolic conversion of the nutrients . The reactor is also provided with a vent line 24, in which a suitable control organ such. B. a valve 26 is provided to allow the outflow of gases.
A part of its contents is withdrawn from the reactor through a line 28 and fed to a membrane separating element 40 by a pump 30 and a feed line 32. The separating element contains a suitable housing 42 which is separated into an inflow part 46 and an outflow part 48 by one or more partially permeable membranes.
The properties of the membrane 44 are chosen so that it performs reverse osmosis and separation by ultra-filtration, with the biological organisms being retained on the inflow side of the membrane. Since a pressure difference must be maintained across the membrane 44 in order to carry out the reverse osmosis and the ultra-filtration, a perforated support 45 is provided on the outflow side of the membrane.
The housing 42 is provided with an outflow line 50 which is connected to the outflow part 48. The carrier liquid, which flows through the partially permeable membrane 44, is collected in the outflow part 48 and emerges from the separator in the form of an outlet flow 52.
The medium, which is retained on the inflow side of the membrane 44 and contains the greater part of the carrier liquid as well as the living beings, flows out of the inflow part 46 in a somewhat concentrated form into a concentrate line 54. The line 54 leads back to the inlet side of the circulating pump 30, so that at least part of the concentrate is circulated again directly through the feed line 32 and again reaches the membrane of the separating element.
To maintain the desired concentration of living beings in the reactor 10, part of the common flow of the concentrate and the medium from the reactor is introduced through a return line 56 into the reactor after exiting the circulating pump 30. The distribution of the flow through the return line 56 and through the feed line 32 flows is controlled by valves 58 and 60 in the relevant lines.
Since the constant growth of living beings in the system could overload the system with solids over time, a withdrawal line 62 with a control valve 64 is provided which is connected to the circuit of the separating element.
The system shown in FIG. 2 corresponds essentially to the system according to FIG. 1, and the same parts are denoted by the same reference numbers in both figures. The differences between the systems according to FIGS. 1 and 2 lie in the arrangement of the lines. Thus, in the embodiment according to FIG. 2, a flow of its contents is withdrawn from the reactor 10 through a line 80 and fed to the separating element by means of a pump 82 through a feed line 84.
A portion of the concentrate, which leaves the inflow part 46 through a concentrate line 86, is circulated through the reactor 10 via a return line 88, namely by means of a circulation line 87. The ratio of the proportions of the return line and the circulation line of the concentrate flow is determined by Ven Tile 90 and 92 controlled, which are arranged in the return line 88 and in the circulation line 87.
The system of FIG. 3 corresponds in the union wesent the system of FIG. 2, wherein the same parts are also denoted by the same reference numerals. The fundamental difference between the two arrangements is that the biological reactor 100 in FIG. 3 is exposed to the ambient atmospheric pressure. The reactor 100 contains a content 102 of a liquid medium that contains living beings. The nutrients are fed to the reactor through a feed line 104. A flow of its contents is withdrawn from the reactor 100 through a line 106 and fed to the pressure side of the system by a pump 108.
The system shown in FIG. 4 also corresponds essentially to the system according to FIG. 2, the same parts being denoted by the same reference numerals. In FIG. 4, however, the separating element 40 is only the first stage of two separating stages. The separating element 40 contains a relatively permeable membrane 120, which is selected so that it retains the biological organisms on the inflow side. The membrane 120 allows the passage not only of the carrier liquid, but also of certain molecules which are smaller than living beings. So z.
B. in the treatment of wastewater these molecules be inorganic nutrients or non-biodegradable substances that are kept ent in the flow that is fed to the reactor. However, these molecules can also be a valuable product obtained through metabolic conversion. In both cases, an output flow 122, which contains these substances, is removed from the separating organ 40 and fed to a separating element 124 of the second stage by a pump 126 via a feed line 128. The separator 124 contains one or more membranes 130, a support 132, an outlet line 134 and a concentrate line 136.
The concentrate line 136 leads back to the input side of a circulation pump 126 for repeated conduction of the concentrate past the membrane. The membrane 130 is a relatively impermeable membrane which retains molecules of the inorganic substances or the metabolic products and allows the passage of the carrier liquid. In this way, a concentration of the output flow from the first stage is achieved by repeated circulation of the substance fed to the separating element of the second stage.
Periodically or continuously, part of this concentrated flow is drained through an output line provided with a valve 137 and fed to a treatment device 138 which separates the solids from the emerging concentrate and separates them from the carrier liquid. So z. B. the device 138 work on the principle of direct precipitation, absorption precipitation, ion exchange, extraction by solvent or distillation. The separated fractions are removed from device 138 through lines 140 and 142.
A special embodiment of the reaction system according to FIG. 1 is described as an example. The system is designed to absorb typical waste water in a community, which is treated directly in the system. Such wastewater is a very dilute aqueous composition with few solids and a large proportion of the solids as a suspension in the water. This raw wastewater is treated in the comminution member 18 to ensure that the size of the particles does not exceed 0.8 mm and is then pumped into the biological reactor, in which the pressure is maintained in wesent union, which is on the inflow side of the membrane is required and is in the range of 1.4 to 7 atmospheres.
The reactor contains typical aerobic organisms in the water, such as those used in sewage treatment plants with activated sludge. The contents of the reactor are aerated with sufficient oxygen to maintain the metabolic conversion of the nutrients in the wastewater. The gases formed by the metabolic conversion, primarily C02, escape together with other exhaust gases from the pressurized reactor through the regulated vent line 24. The size of the reactor has been chosen, and the withdrawal and the return flow are chosen so that a residence time in the reactor in the range of 10 to 30 minutes is created.
The removal of the biological solids through the removal line 62 is controlled so that a high concentration of the solids, e.g. B. 3%, the load ratio of biological oxygen demand to the biological solids in the range of 0.03 to 0.3.
In this embodiment, the membrane in the separating element was chosen so that the limit of the separating size was in the range of molecular weights from 200 to 400. Such a membrane effectively holds back the living beings and all unabsorbed or unmetabolized organic molecules or suspended particles of the raw wastewater, while preventing the passage of water and dissolved inorganic substances such as B. permitted by salts.
The separation size of the membrane is preferably chosen so that it is sufficiently below the size of the retained material and sufficiently high above the size of the material to be let through the membrane. In this way, deterioration in the flow through the membrane due to clogging phenomena is avoided.
As for the flow rates in the system, the amount of wastewater supplied to the reactor can be denoted by the value Q. The flow in the return line is due to the need to prevent withdrawal of the biological population from the reactor. Since, under steady-state working conditions, the withdrawal from the reactor system exceeds the amount returned by the value 1Q and since the amount returned to the reactor is somewhat more concentrated than the amount withdrawn, a reduction in the population can be avoided by causing the circulation is increased by the reactor so that it exceeds the withdrawn amount of 1Q.
In this exemplary embodiment of the invention, it has been shown that a recirculated amount of 20Q was sufficient to achieve this goal. The amount withdrawn through line 28 is thus 21Q and the backflow into the reactor through line 56 is 20Q.
The factors that influence the required flow rates result from the properties of the membrane. In order to avoid the unfavorable effects of deposits, which tend to develop on the surface of the membrane when the medium flows in front of it, a turbulent flow along the membrane is given before. This keeps the formation of deposits small. The high flow velocities and the associated turbulence along the membrane create a cleaning effect, which prevents the build-up of solids or the formation of a cake on the surface of the membrane.
In order to achieve a favorable function of the membrane, the flow rate supplied to the separating element must therefore be significantly greater than the amount flowing out, e.g. B. 100 times as large with a certain type and a certain arrangement of the membrane surfaces, in the separator. Since the amount flowing out of the separating element is essentially 1Q under steady-state conditions, the flow rate in line 32 is 101Q and the flow rate of the concentrate in line 54100Q in this case.
The upper limit of the flow rate through the separating element is given by the fact that the membranes can be damaged by erosion at extremely high speeds and / or that the membranes 44 can be peeled off from the supports 45. In addition, from the point of view of the required drive energy of the pump, the circulation through the reactor as well as the direct circulation of the concentrate should be kept as small as possible, taking into account the aforementioned requirements on the flow.
As can best be seen from the diagram in FIG. 2, the ratio of the return flow through the Lei device 88 and the direct circulation through the Lei device 87 between the extreme values of 100 0/0 recirculation and 100% direct circulation through a corresponding actuation of the valves 90 and 92 can be set.
If it is assumed that the aforementioned requirements for the flow determine that the flow rate through the separating element should be at least 100Ω and the return flow in the reactor at least 20Ω, it follows that these minimum values are obtained by taking the entire amount of concentrate from 100Q is fed from the separator into the reactor without direct circulation through line 87.
However, a reduction in the required pumping capacity can be achieved while maintaining the desired minimum flow rates, if the amount of 80Q is circulated directly through the line 87 and only the amount of 20Q is returned through the line 88 into the reactor.
If it is desired to increase the concentration of biological solids in the circulation line of the separating organ, z. B. in preparation for the Ent acquisition of solids, the return valve 90 can be closed. This corresponds to closing the valve 58 in FIG. 1, whereby the same conditions are achieved.
As a result, an Ent acquisition of biological solids is achieved from the reactor and their transfer into the circulation line of the separating element, whereby the concentration of solids in this line is increased. In systems in which the volume of the circulation line of the separating element is small compared to the volume of the reactor, such a concentration can be achieved in the circulation line without a corresponding reduction in the concentration of living beings in the reactor occurring.
In the example of the plant for treating wastewater, the output flow from the separator is of very good quality. The biological oxygen demand of the removed liquid is in the range of 3 milligrams per liter, the chemical oxygen demand in the range of 20 milligrams per liter, whereby no bacteria and no known viruses are present.
Such a good quality of the removed liquid is due to the retention of the slowly biodegradable molecules as well as the bacteria and viruses by the membrane. The outflowing liquid of this quality is suitable for direct transfer into water without further treatment, so that there is no need to chlorinate the water from its discharge.
Another advantage is that the separator is suitable for working with very high concentrations of biological solids. Although a 3% biological solids concentration was used in the example, you can:
the separator work with concentrations of 7 to 12%. The factors that limit the maximum concentrations are a high viscosity, which requires higher pumping capacities and causes flow problems in the separating element, as well as undesirable retention of the available water by the sludge.
In other words, the membrane can no longer effectively draw water from the supplied sludge above the maximum concentration limits, despite the existing pressure drop across the membrane.
The ability of the membrane separator to effectively treat the thick sludge with a high concentration of biological solids is a significant difference from previous sewage treatment plants in which the biological reactor was at a concentration of about 0.3 due to the restrictions imposed by the secondary clarifier is operated up to 0.5% solids. These higher permissible concentrations of biological solids mean that the size of the reactor can be reduced,
although the complete absorption of the nutrients in the waste water by the living beings in the reactor can be achieved.
Another advantage that results from the way the system works at higher concentrations of solids is that the periodic removal of excess biological solids takes place at higher concentrations. The sludge obtained in this way therefore has a significantly smaller volume, based on the weight of the solids, which eliminates the need for a thickening process, which is normally required in previous sewage treatment plants.
Since the separating element can work with very high concentrations of solids, there is no need for special primary clarification devices that were previously required. The raw wastewater can be fed directly to the biological reactor. Not only does this save capital, it also means that all of the nutrients in the raw wastewater are metabolically converted to reduce the total amount of solids to be removed.