DE10048050A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Reinigung von Abwasser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Reinigung von Abwässern von organischen und anorganischen Verunreinigungen, wie sie insbesondere bei der Fischhaltung in Aquarien oder Aquakulturen in großem Maßstab auftreten. Die erfindungsgemäße Lösung besteht aus einer Vorrichtung zur Reinigung von Abwasser, insbesondere von Abwasser aus Aquakulturen, unter Verwendung von Mikroorganismen mit einem im wesentlichen senkrecht angeordneten Reaktionsraum, der im Bodenbereich Zuführeinrichtungen für das Abwasser und Luft aufweist, wobei die Mikroorganismen im Reaktionsraum wenigstens teilweise immobilisiert auf Trägermaterialien vorliegen. Die einfachste Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß nur ein Reaktionsraum verwendet wird, der aus einem länglich gestreckten, senkrechten Volumen besteht, das in mindestens drei Zonen mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt untergliedert ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Reinigung von Abwässern von organischen und anorgani­ schen Verunreinigungen, wie sie insbesondere bei der Fischhaltung in Aquarien oder Aquakulturen in großem Maßstab auftreten.

Bekannte herkömmliche Anlagen zur Abwasserbehandlung, wie beispielsweise kommunale Kläranlagen, verwenden im Anschluß an die mechanische Klärung mit Siebrechen und Absetzbecken die sogenannte biologische Klärung. Die biologische Klärung wird in voneinander getrennten Reaktionsgefäßen durchgeführt und setzt sich aus einer aeroben Stufe und einer anaeroben Stufe zusammen, die im wesentli­ chen aufeinander abfolgen. Die aerobe Klärungsstufe verwendet Luft, die in das vor­ geklärte Abwasser eingeblasen wird, um organische Bestandteile durch bakterielle Oxidation in ihrer Menge zu reduzieren. Anfallende Schlammflocken, die im we­ sentlichen aus Partikeln und darauf angesiedelten bakteriellen Mischkulturen beste­ hen, werden zusammen mit der Fraktion höherer Dichte, die in Vorklärbecken abge­ setzt wurde, zur anaeroben Umsetzung in sogenannte Faultürme verbracht. Die anaerobe Reinigungsstufe erzeugt Faulschlamm, der als landwirtschaftliches Düngemit­ tel verwendet oder deponiert werden kann, sowie Faulgas, das neben Stickstoff und Kohlendioxid Wasserstoff und Methan enthält und zur thermischen Weiterverwen­ dung genutzt werden kann.

Für die Abwasserreinigung im großtechnischen Maßstab, die sich insbesondere für Abwässer mit gleichbleibender Zusammensetzung eignet, sind bis zu 100 m hohe Schlaufenreaktoren entwickelt worden, sowie Hochreaktoren mit speziell angeord­ neten Absetzbecken, wie beispielsweise die sogenannte Turmbiologie von Bayer oder der Bio-Hochreaktor von Uhde/Hoechst. Die letztgenannten Reinigungsvor­ richtungen sind Schlaufenreaktoren bzw. Airliftfermenter, die eine besonders günsti­ ge aerobe Reinigungsstufe dadurch erzeugen, daß sie den Sauerstoff, der in der ein­ geblasenen Luft enthalten ist, zu einem besonders großen Anteil ausnutzen können. Neben dem durch die Hochbauweise erzeugten hydrodynamischen Druck, der zu einer erhöhten Löslichkeit des Sauerstoffs in der Abwasserphase führt, werden spezi­ ell entwickelte Eintragsdüsen für Luft oder reinen Sauerstoff entwickelt, beispiels­ weise die Zweistoff-Düse mit Schlitzstrahler von Bayer.

Gegenüber diesem Stand der Technik besteht ein Bedarf für Reinigungsvorrichtun­ gen und -verfahren für Abwässer, die mit geringerem technischen Aufwand durchge­ führt werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht aus einer Vorrichtung zur Reinigung von Abwasser, insbesondere von Abwasser aus Aquakulturen, unter Verwendung von Mikroorganismen mit einem im wesentlichen senkrecht angeordneten Reaktions­ raum, der Zuführeinrichtungen für das Abwasser und Luft aufweist, wobei die Mi­ kroorganismen im Reaktionsraum wenigstens teilweise immobilisiert auf Träger­ materialien vorliegen. Die einfachste Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß nur ein Reaktionsraum verwendet wird, der aus einem länglich gestreckten, senk­ rechten Volumen besteht, das in mindestens drei Zonen mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt untergliedert ist. Nachdem Luft zusammen mit frischem Abwasser im Bodenbereich des Reaktionsraumes zugeführt wurde, bildet sich zunächst eine aero­ be Zone im Reaktionsraum, in der die vorhandenen Mikroorganismen organische Stoffe des Abwassers metabolisieren. Im Anschluß an diese Zone befindet sich eine mikro-aerophile Zone mit herabgesetztem Sauerstoffgehalt, die als Übergangsbereich zur anschließenden anaeroben Zone gebildet wird. Der Reaktionsraum endet im An­ schluß an die anaerobe Zone, wobei der Reaktionsraum nach außen abgeschlossen sein kann und eine Abführeinrichtung aufweist. Als weitere Ausführungsform ist es auch möglich, das Ende des Reaktionsraumes im Anschluß an die anaerobe Zone offen zu lassen, solange die Rückmischung von Luft aufgrund der Bewegung der Flüssigkeitsoberfläche vernachlässigbar gering ist.

Die Unterteilung des Reaktionsraumes in mindestens drei Zonen unterschiedlichen Sauerstoffgehaltes wird dadurch erzeugt, daß zumindest im Bodenbereich des Reak­ tionsraumes Füllkörper vorhanden sind, die zum einen die Strömungsgeschwindig­ keit der Gas- und Flüssigkeitsphase herabsetzen.

Der Übergang zu der mikroaerophilen und anschließenden anaeroben Zone wird da­ durch eingestellt, daß die Fließraten von zugepumptem Abwasser und eingeblasener Luft jeweils so eingestellt werden, daß zum einen keine Rückmischung des Reakto­ rinhalts stattfindet und zum anderen die zugeführte Luftmenge so eingestellt ist, daß der Sauerstoff im wesentlichen in der aeroben Zone von den Mikroorganismen ver­ braucht wird.

Als weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß im wesentlichen der ganze Reaktionsraum mit Füllkörpern gefüllt ist, die auch als Träger für Mikroorganismen dienen. Insbesondere bevorzugt ist, die Füllkörper in horizontal aufeinander abfolgenden Schüttungen anzuordnen, die untereinander durch Bereiche geringeren Strömungsquerschnittes voneinander getrennt sind. In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Rückmischung der flüssigen und gasförmigen Phase im Reaktionsraum, insbesondere der flüssigen Phase Abwasser, herabge­ setzt, so daß sich die Zonen unterschiedlichen Sauerstoffgehaltes ausbilden können und stabil erhalten bleiben.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und Anordnung der Zonen mit abnehmen­ dem Sauerstoffgehalt wird erreicht, daß zugeführtes Abwasser zunächst in einer aeroben Phase von einem Großteil der organischen Beladung befreit wird, und die Nachklärung direkt in der anschließenden mikroaerophilen und der anaeroben Zonen ablaufen kann.

Die Funktion der Füllkörper, die sich in dem Reaktionsraum befinden, als Träger zur Immobilisierung der enthaltenen Mikroorganismen, dient dazu, daß diese zu einem wesentlichen Maße in ihrer jeweiligen Zone gehalten werden, und ihre Stoffwech­ selleistung an das jeweils zur Verfügung stehende Substrat in Verbindung mit dem vorherrschenden Sauerstoffgehalt anpassen können.

Als Mikroorganismen kommen natürlich vorkommende Mischkulturen von Bakteri­ en, auch unter Beteiligung von Pilzen, in Frage, die sich natürlicherweise im Abwas­ ser befinden und sich entsprechend ihres Stoffwechsels in der jeweiligen Zone mit für sie akzeptablem Sauerstoffgehalt anreichern können. Insbesondere ist bevorzugt, daß die Mikroorganismenkultur eine bakterielle natürliche Anreicherungsmischkul­ tur ist, besonders bevorzugt mit einem Gehalt an Denitrifikanten.

Für die Füllkörper kommen Materialien in Frage, die eine große Oberfläche zur Ver­ fügung stellen, wobei insbesondere großporige Materialien bevorzugt sind. Derartige Trägermaterialien können Formkörper aus Quarz, Keramik, Ton, Blähton, Glas, synthetischen Polymeren sowie Vulkanasche und Mischungen dieser Materialien sein. Bevorzugte Größen der Füllkörper sind zwischen 0,05 und 5 mm Durchmesser, besonders bevorzugt mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Rei­ nigung von Abwässern wird der Verfahrensablauf dadurch gesteuert, daß Meßwerte, die von Sauerstoffelektroden aufgenommen werden, dazu genutzt werden, die Fließ­ raten von Abwasser und Luft zu steuern, mit denen der Reaktionsraum beschickt wird. Die Sauerstoffelektroden werden dazu am Reaktionsraum angebracht, vor­ zugsweise an dessen Umfang, um die Ausdehnung der Zonen unterschiedlichen Sau­ erstoffgehaltes zu bestimmen. Als Sauerstoffelektroden eignen sich bekannte Polari­ sationselektroden, deren elektrisches Signal mit Signalwandlern und Steuerungsvor­ richtungen zur Ansteuerung der Zuführeinrichtungen für Abwasser und Luft verwen­ det werden.

Die Zuführeinrichtung für Abwasser besteht aus einer Flüssigkeitspumpe, die Ab­ wasser beispielsweise aus einer Aquakultur zum Boden des Reaktionsraumes führt. Zur genaueren Regelung der Abwassermenge können weiterhin Regelventile vorge­ sehen sein.

Die zugeführte Luft, in einer bevorzugten Ausführungsform Sauerstoff, beispielswei­ se aus einer Luftzerlegungsanlage, kann entweder einzeln aus einem Druckbehälter oder mittels eines Verdichters zum Reaktionsraum geführt werden, oder aber unter Ausnutzung der Strömungsgeschwindigkeit des Abwassers mit in der Reaktionsraum eingebracht werden. Bei dieser letzteren Ausführungsform der Erfindung wird Luft oder Sauerstoff mit einem Venturi-Rohr oder einer -Düse vom Flüssigkeitsstrom angesaugt und dem Reaktionsraum zugeführt.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Figur beschrieben. Die Figur ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Reaktionsraumes, der in ein Fließ­ schema einer Aquakultur eingepaßt ist.

Das Abwasser 10 aus einer Abwasserquelle, beispielsweise einer Aquakultur, wird über eine Flüssigkeitspumpe 11 in den Boden des Reaktionsraumes 30 geführt. Die Fließrate des Abwassers 10 in dem Reaktionsraum 30, d. h. der Volumenstrom des Abwassers 10, kann über die Förderleistung der Flüssigkeitspumpe 11 oder über ein optional zusätzlich vorhandenes Regelventil für Flüssigkeiten 12 eingestellt werden. Luft oder Sauerstoff 20 wird aus einem Druckbehälter, wahlweise alternativ mittels eines Verdichters 21 und über ein optional vorhandenes Regelventil für Gase 22 in den Bodenbereich des Reaktionsraumes 30 eingeleitet. Als weitere Ausführungsform kann vorgesehen sein, die Luft 20 durch die Strömungsgeschwindigkeit des Abwas­ sers 10 durch eine Venturi-Düse ansaugen zu lassen, so daß der Abwasserstrom be­ reits vor Eintritt in den Reaktionsraum 30 mit Luft bzw. Sauerstoff 20 vermischt ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind Sauerstoffelektroden (nicht dargestellt) am Reaktionsraum 30 angebracht, die in dessen Volumen hineinragen und über dessen Länge in Strömungsrichtung des Abwassers verteilt sind. Das Meß­ signal derartiger Sauerstoffelektroden kann dann verwendet werden, um unter Ver­ wendung einer geeigneten Regelelektronik die Fördermenge bzw. die Fließrate von Abwasser und/oder Luft oder Sauerstoff 20 zu regeln, indem mindestens eines von Flüssigkeitspumpe 11, Regelventil 12, Verdichter 21 oder Regelventil 22 angesteuert werden. Auf diese Weise läßt sich der Volumenstrom von Abwasser 10 und Sauer­ stoff 20 sowie die Strömungsgeschwindigkeit durch den Querschnitt des Reaktions­ raumes 30 einstellen und an die Abbauleistung der vorhandenen Mikroorganismen anpassen.

Weiterhin kann auf diese Weise die Ausbreitung der Zonen mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt 32, 33, 34 gesteuert werden. Abwasser 10 und Luft 20 treten im Einströmbereich 31 in den Reaktionsraum 30, wo sie zunächst eine aerobe Zone 32 bilden. Sobald der Sauerstoff zum überwiegenden Teil verbraucht ist, kann sich eine mikroaerophile Zone 33 ausbilden, im weiteren Verlauf die anaerobe Zone 34. Zur Verringerung der Rückmischung im Reaktionsraum 30 und auch zur Verbesserung des Stoffüberganges innerhalb des Reaktionsraumes 30 ist mindestens der Bereich der aeroben Zone 32 des Reaktionsraumes 30 mit Füllkörpern 40 als Träger aufgefüllt. Diese Füllkörper 40 können auch in einer Schüttung vorliegen, die bis in die mikroaerophile Zone 32 hinein, bevorzugt bis in die anaerobe Zone 34 hinein reicht. Zur besseren Trennung der Zonen mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt, d. h. zur Verhinderung der Rückmischung, und für eine gleichmäßigere Strömung über den Querschnitt des Reaktionsraumes 30, lassen sich optional Bereiche mit verengtem Strömungsquerschnitt 50, 51 in den Reaktionsraum 30 einbringen. Derartige Berei­ che verengten Strömungsquerschnittes 50, 51 lassen sich beispielsweise durch eine Lage mit dichterer Packung, beispielsweise Füllkörper mit kleinerem Zwischenkorn­ volumen, offenporige Schaumstoffe etc. erzeugen. Nach Durchtritt des Abwassers durch den Reaktionsraum 30 wird dieses über die Abführungsleitung 50 aus dem Reaktionsraum 30 entfernt und kann wieder verwendet werden, beispielsweise dem. Kreislauf der Aquakultur zugeführt werden.

In der bevorzugten Ausführungsform befinden sich im Bereich des Austrittes aus dem Reaktionsraum 30, d. h. dem Ansatz der Abführungsleitung 50, Rückhaltevor­ richtungen für Schwebeteilchen. Derartige Rückhaltevorrichtungen können bei­ spielsweise Absetzbecken oder ein Tiefenfilter, beispielsweise Vlies, ein Sandbett oder ein engmaschiges Sieb sein. Weiterhin bevorzugt ist, die Flüssigkeit, die mit der Abführungsleitung 50 gefördert wird, vor der Rückführung in eine Aquakultur durch Belüftung mit Sauerstoff anzureichern.

Die in der Beschreibung und unter den angehängten Ansprüchen offenbarten techni­ schen Einzelheiten können auch in anderer Zusammenstellung für die Ausführung der Erfindung wesentlich sein, wie dem Fachmann leicht ersichtlich sein wird.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Reinigung von Abwasser (10), insbesondere aus Aquakulturen, mittels Mikroorganismen, mit einem im wesentlichen senkrecht angeordneten länglich gestreckten Reaktionsraum (30), der Zuführeinrichtungen (13, 23) für Luft und/oder Sauerstoff (20) und Abwasser (10) aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reaktionsraum (30) wenigstens teilweise mit Füllkörpern (40) gefüllt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganis­ men wenigstens teilweise auf den Füllkörpern immobilisiert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkör­ per Formkörper aus Quarz, Keramik, Ton, Blähton, Glas, synthetischen Polyme­ ren und/oder Vulkanasche oder ein Gemisch daraus sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (40) Durchmesser im Bereich von 0,05 bis 5 mm aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (40) Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper (40) großporig sind und/oder ein großes inneres Volumen aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen aus einer natürlichen bakteriellen Anreicherungs- Mischkultur bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherungs­ mischkultur Denitrifikanten enthält.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoffelektroden am Reaktionsraum (30) derart festgelegt sind, daß sie in den Reaktionsraum hineinragen.

10. Verfahren zur Reinigung von Abwasser mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser (10) und der Sauerstoff und/oder die Luft (20) jeweils mit einer solchen Fließrate in den Reaktionsraum (30) gefördert werden, daß sich im dem Reaktionsraum (30) im unteren Bereiche eine aerobe Zone (31), daran anschließend eine mikroaerophile Zone (33) und im Anschluß an diese eine anaerobe Zone (34) ausbildet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Fließraten an Abwasser (10) und Sauerstoff und/oder Luft (20) unter Verwen­ dung von Meßwerten, die von den Sauerstoffelektroden abgenommen werden, geregelt werden.

12. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß es zur kontinuierlichen Reinigung von Abwasser (10) aus einer Aquakultur verwendet wird, wobei das Wasser zu einem wesentlichen An­ teil im Kreislauf geführt wird.