DE10051871A1

DE10051871A1 - Waste water biological treatment reactor has ceramic membranes permeated by parallel nutrient feed passages

Info

Publication number: DE10051871A1
Application number: DE2000151871
Authority: DE
Inventors: Ludo Diels; Antje Endter; Manfred Schleifenheimer
Original assignee: Hermsdorfer Institut fuer Technische Keramik eV HITK
Current assignee: Hermsdorfer Institut fuer Technische Keramik eV HITK
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2002-04-25

Abstract

A waste water biological treatment reactor has an array of ceramic membranes acting as the residence substrate for a colony of micro-organisms. Each membrane under-surface has a supply of nutrient solution. The membrane has especially a series of parallel fine passages throughout which are fed with fluid nutrients at slight over-pressure. The membrane blocks are presented upright in the reactor with the nutrient passages open at the top and closed at the bottom. The open end of each membrane block is located in a nutrient feed tray. Waste water flows through the reactor over the membrane surface. The base of the reactor has air bubble release tubes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Biomembranreaktor mit keramischer Membran, vor zugsweise zur biologischen Abwasserreinigung, bei welchem eine auf der Mem bran angesiedelte, im Sinne der gewünschten Reaktion wirksame Mikroorganis menkultur durch diese Membran hindurch mit Nährstoffen versorgt wird.The invention relates to a biomembrane reactor with a ceramic membrane preferably for biological wastewater treatment, in which one on the mem Bran located microorganism effective in the sense of the desired reaction culture is supplied with nutrients through this membrane.

Zur Durchführung von Fermentationsprozessen, vorzugsweise der alkoholischen Gärung, ist ein Reaktor bekannt, bei welchem die wirksamen Mikroorganismen räumlich in einer porösen Rohrwandung verteilt sind, die auch ausdrücklich aus keramischen Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Alu minosilikate usw., bestehen kann. Das Reaktionsmedium liefert hier, wie es für die alkoholische Gärung typisch ist, zugleich die Nährstoffe für die Mikroorganismen. Das Medium ist durch eine Membran von den Mikroorganismen getrennt, welche das Medium nicht aber die Mikroorganismen durchläßt (EP 0 355 910 A1). Diese Membran zwischen Mikroorganismen und Reaktionsmedium ist hier wohl im Inter esse der Lebensmittelhygiene erforderlich, mindert aber in allen anderen Anwen dungsfällen, wie vorzugsweise bei der Abwasserreinigung unnötig den prinzipiel len Wirkungsgrad der Anlage.To carry out fermentation processes, preferably alcoholic Fermentation, a reactor is known in which the active microorganisms are spatially distributed in a porous tube wall, which also expressly ceramic materials, such as aluminum oxide, silicon carbide, aluminum minosilicates etc., can exist. The reaction medium provides here as it does for alcoholic fermentation is typical, at the same time the nutrients for the microorganisms. The medium is separated from the microorganisms by a membrane, which the medium does not let the microorganisms through (EP 0 355 910 A1). This Membrane between microorganisms and reaction medium is probably in the Inter here Eating food hygiene is necessary, but diminishes in all other applications cases, such as the principle of unnecessary waste water treatment len efficiency of the system.

Ein weiteres bekanntes Bioreaktorsystem dient ausdrücklich der Abwasserreini gung, wobei Polymer-Hohlfasermembranen angewandt werden und in den Hohl fasern das Abwasser und außerhalb von diesen die Nährstofflösung für die Mikro organismen zirkuliert, welche sich "in" der Membran befinden (US 4.988.443 A). Hier ist nicht bekannt, wie die Mikroorganismen in der Membran fixiert werden. Nachteilig ist auch, daß vorzugsweise eine weitere Anordnung von Hohlfa sermembranen zur Abscheidung öliger Verunreinigungen mittels Lösungsmitteln vorgeschaltet werden soll.Another known bioreactor system is used specifically for wastewater treatment gung, wherein polymer hollow fiber membranes are applied and in the hollow fibers the wastewater and outside of it the nutrient solution for the micro circulates organisms which are "in" the membrane (US 4,988,443 A). It is not known here how the microorganisms are fixed in the membrane. Another disadvantage is that preferably another arrangement of Hohlfa membrane for the separation of oily contaminants using solvents upstream.

Eine gleichfalls vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, mit Hohlfasermembranen arbeitende Anlage zur Abwasserreinigung verwendet Membrane die aus anorga nischen Oxiden bestehen oder diese enthalten, wobei dadurch die Haftung der Mikroorganismen, die auf der dem Abwasser zugewandten Seite angesiedelt sind, gefördert und deren Freisetzung auf ein ganz bestimmtes Maß begrenzt werden soll. Die Nährstoffzufuhr für die Mikroorganismen erfolgt ebenfalls von der vom Abwasser abgewandten Seite der Membran (EP 0 579 630 B1). Im Falle der ge nannten Hohlfasermembranen kann bei dieser Anlage sowohl eine Anordnung vorgesehen werden, bei welcher das Abwasser in der Hohlfaser und die Nährlö sung außerhalb derselben zirkuliert, als auch eine umkehrte Anordnung mit der Nährlösung in der Hohlfaser und dem Abwasser außerhalb derselben (a.a.O., An spruch 18). Auf jeden Fall befindet sich die Mikroorganismenkultur auf der dem Abwasser zugewandten Seite und wird von der anderen Seite durch die Membran hindurch mit Nährlösung versorgt. Abgesehen von dem für alle Einrichtungen mit Hohlfasermembranen zutreffenden Nachteil der schlechten Zugänglichkeit demzu folge begrenzten Möglichkeit einer visuellen Kontrolle, ist hier eine aufwendige Pumpensteuerung sowohl für den Abwasserkreislauf als auch für die Nährstoff dosierung erforderlich.Also preferably, but not exclusively, with hollow fiber membranes working plant for wastewater treatment uses membrane from anorga African oxides exist or contain them, thereby the liability of Microorganisms located on the side facing the waste water, promoted and their release limited to a certain level should. The nutrients for the microorganisms are also supplied by the Waste water side of the membrane (EP 0 579 630 B1). In the case of ge called hollow fiber membranes can both an arrangement in this system are provided, in which the waste water in the hollow fiber and the nutrient sol solution circulates outside the same, as well as an inverse arrangement with the Nutrient solution in the hollow fiber and the waste water outside of it (loc. Cit., An Proverbs 18). In any case, the microorganism culture is on the Waste water side and is from the other side through the membrane supplied with nutrient solution throughout. Apart from that for all facilities with Hollow fiber membranes, the disadvantage of poor accessibility following the limited possibility of a visual check is a complex one Pump control for both the wastewater cycle and the nutrient dosage required.

Eine sehr einfache Realisierung des genannten Prinzips der Nährstoffzufuhr für die Mikroorganismen durch eine semipermeable Membran hindurch besteht darin, einen zylindrischen Siebkörper in den Abwasserstrom zu hängen. Dieser Siebkör per gibt der Membran mit darin befindlicher Nährstofflösung mechanischen Halt (DE 195 43 694 A1). Diese Anordnung ist sicherlich kostengünstig und in einfa cher Weise visuell zu kontrollieren. Jedoch ist bei dieser Anordnung die wirksame Reaktionsfläche pro Volumeneinheit prinzipiell sehr gering.A very simple implementation of the principle of nutrient supply for the microorganisms through a semipermeable membrane is to hang a cylindrical sieve body in the wastewater stream. This sieve basket per gives the membrane mechanical hold with the nutrient solution in it (DE 195 43 694 A1). This arrangement is certainly inexpensive and simple visually check. However, this arrangement is the most effective In principle, the reaction area per unit volume is very small.

Schließlich sind Mehrkanalplatten aus Keramik für gänzlich andere Anwendungs zwecke bekannt. Dies betrifft die Einbettung elektrischer Heizleiter (Katalog Nr. 5 "Keramische Rohre und Profilkörper (Strangpreß-Formstücke)" der Fa. STE MAGWERK, Berlin Pankow, S. 7, 18 und 19) bzw. die Verwendung als Filter (DE 198 19 676 A1).After all, ceramic multi-channel plates are for a completely different application known purposes. This concerns the embedding of electrical heating conductors (Catalog No. 5 "Ceramic tubes and profile bodies (extruded fittings)" from STE MAGWERK, Berlin Pankow, pp. 7, 18 and 19) or the use as a filter (DE 198 19 676 A1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Biomembranreaktor zu schaffen, welcher bei einem relativ großen Verhältnis zwischen wirksamer Reaktionsfläche pro Volumeneinheit der kompletten Anlage hinsichtlich Aufbau und Betrieb einfa cher und kostengünstiger ist als Biomembranreaktoren nach dem Stand der Technik, wobei die Membranen selbst gut zugänglich sein sollen.The invention has for its object to provide a biomembrane reactor which with a relatively large ratio between effective reaction area per volume unit of the complete system in terms of structure and operation is safer and cheaper than state-of-the-art biomembrane reactors Technology whereby the membranes themselves should be easily accessible.

Diese Aufgabe wird durch die in den Schutzansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention described in the protection claims solved.

Die Erfindung bietet folgende Vorteile: The invention offers the following advantages:

Es sind keine Pumpen zur Umwälzung von Abwasser und Nährlösung in Kreis laufsystemen erforderlich.They are not pumps for circulating wastewater and nutrient solution in a circle running systems required.

Eine Steuerung der Druckverhältnisse zwischen Abwasser und Nährlösung erüb rigt sich.Controlling the pressure relationships between wastewater and nutrient solution is necessary righteous.

Der Behälter, in welchen die erfindungsgemäßen Mehrkanalplatten eingehängt werden, muß nicht als Druckbehälter ausgeführt werden. Dennoch lassen sich ausreichende Abwassermengen mit entsprechender Geschwindigkeit über die wirksame Mikroorganismenkultur leiten. Dies bewirkt im Zusammenwirken mit der auch ansonsten technisch einfachen Gestaltung des Biomembranreaktors be trächtliche Kosteneinsparungen gegenüber dem Stand der Technik für die Ge samtanlage.The container in which the multi-channel plates according to the invention are hung must not be designed as a pressure vessel. Still can sufficient quantities of wastewater at the appropriate speed over the direct effective microorganism culture. In cooperation with the also otherwise technically simple design of the biomembrane reactor considerable cost savings over the prior art for Ge overall plant.

Die Biomembran ist gut zugänglich zur:
The bio membrane is easily accessible for:

- assessment of the microorganism film,
- cleaning the membranes when switching to other wastewater,
- Replacement of defective membranes.

Durch Hinzufügen weiterer Mehrkanalplatten läßt sich die Fläche der Mikroorga nismenkultur leicht an eine veränderte Abwassermenge anpassen.By adding more multi-channel plates, the surface of the microorga can be expanded Adapt the culture of the culture easily to a changed amount of wastewater.

Die relativ ebenen Membranflächen bieten eine gute Grundlage zum Anwachsen und auch zum Haften der Mikroorganismenkultur, wobei die Poren der Membran zugleich so bemessen werden können, daß ein Hineinwachsen der Mikroorganis men und damit eine Verstopfung der Membran unmöglich wird.The relatively flat membrane surfaces offer a good basis for growth and also for adhering the microorganism culture, the pores of the membrane can also be dimensioned such that the microorganism grows into it clogging of the membrane becomes impossible.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die beigefügten Zeichnungen stellen dar:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. The attached drawings show:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Mehrkanalplatte, Fig. 1 is a perspective view of a multi-channel plate,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Behälter des Biomembranreaktors mit einer Mehrkanalplatte in Seitenansicht, Fig. 2 shows a section through the container of Biomembranreaktors with a channel plate, in side view,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Biomembranreaktor. Fig. 3 is a plan view of the biomembrane reactor.

Wichtigste Komponente des erfindungsgemäßen Biomembranreaktors ist eine Mehrkanalplatte 1 (Fig. 1) aus poröser Aluminiumoxidkeramik, die von parallelen Kanälen 2 durchzogen und auf ihren Außenflächen 3 mit einer Keramikmembran beschichtet ist. Die Mehrkanalplatte 1 hat beispielsweise eine Porosität von 30% bei einem mittleren Porendurchmesser d₅₀ von etwa 3 µm. Die Keramikmembran auf den Außenflächen 3, auf welcher die Mikroorganismenkultur angesiedelt wird ist etwa 60 µm dick, hat eine Porosität von 45% bei einem mittleren Porendurch messer d₅₀ von beispielsweise 0,2 µm. Die Kanäle 2 sind auf der dem Betrachter zugewandten Seite, wo im montierten Zustand die Zufuhr der Nährlösung erfolgt, offen und auf der abgewandten, in Fig. 1 nicht sichtbaren Seite verschlossen.The most important component of the biomembrane reactor according to the invention is a multi-channel plate 1 ( FIG. 1) made of porous aluminum oxide ceramic, which is traversed by parallel channels 2 and is coated on its outer surfaces 3 with a ceramic membrane. The multi-channel plate 1 has, for example, a porosity of 30% with an average pore diameter d ₅₀ of approximately 3 μm. The ceramic membrane on the outer surfaces 3 , on which the microorganism culture is located, is approximately 60 μm thick and has a porosity of 45% with an average pore diameter d ₅₀ of, for example, 0.2 μm. The channels 2 are open on the side facing the viewer, where the nutrient solution is supplied in the assembled state, and closed on the opposite side, which is not visible in FIG. 1.

Die Mehrkanalplatten 1 sind mit den offenen Enden ihrer Kanäle 2 dicht mit hoh len Membranaufnahmen 4 verbunden, die ihrerseits mit einer mehrere Mem branaufnahmen 4 verbindenden Sammelleitung 5 dicht verbunden sind. Diese Anordnung bildet die Einrichtung zur Nährlösungszufuhr, welche unter einem ge ringen statischen Überdruck von beispielsweise 10 kPa steht.The multi-channel plates 1 are tightly connected to the open ends of their channels 2 with hollow len membrane receptacles 4 , which in turn are tightly connected to a multiple membrane receptacles 4 connecting manifold 5 . This arrangement forms the device for nutrient solution supply, which is under a low static overpressure of, for example, 10 kPa.

Die zuvor beschriebene Anordnung hängt auf Auflageleisten 6, die sich am obe ren Rand eines Behälters 7 befinden, in welchem das zu reinigende Abwasser zir kukliert. Es wird durch einen Zulauf 8 eingeleitet und verläßt den Behälter 7 vor zugsweise nach mehrmaligen Umlauf, bei welchem die Mikroorganismen auf den Oberflächen 3 der Mehrkanalplatten 1 die erwünschte Reinigungswirkung entfal ten, durch einen Ablauf 9 wieder.The arrangement described above depends on support strips 6 , which are located on the upper edge of a container 7 , in which the wastewater to be cleaned circulates. It is introduced through an inlet 8 and leaves the container 7 before, preferably after repeated circulation, in which the microorganisms on the surfaces 3 of the multi-channel plates 1 have the desired cleaning action, through an outlet 9 again.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Mi kroorganismen durch Belüftungskerzen 10, die unter den Mehrkanalplatten 1 an geordnet sind, mit feinstverteilten Luftbläschen versorgt, wodurch in Verbindung mit seitlichen Strömungsleitplatten 11 zugleich ein Zwangsumlauf des Abwassers, wie durch die Pfeile innerhalb des Behälters 7 angedeutet, veranlaßt wird, so daß dieses im Mittel mehrfach mit den zugleich belüfteten Mikroorganismenkulturen in Berührung kommt, welche organische Schadstoffe abbauen bzw. Schwermetalle an unlösliche Verbindungen koppeln und somit ausfällen. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the microorganisms are supplied with finely divided air bubbles by ventilation candles 10 , which are arranged under the multi-channel plates 1 , which, in conjunction with lateral flow guide plates 11, also simultaneously forces the waste water to circulate, as indicated by the arrows inside the container 7 is indicated, caused so that it comes into contact with the aerated microorganism cultures on average several times, which break down organic pollutants or couple heavy metals to insoluble compounds and thus fail.

List of the reference numbers used

11

Mehrkanalkörper
Multi-channel body

22

Kanal
channel

33

Außenfläche
outer surface

44

Membranaufnahme
membrane uptake

55

Sammelleitung
manifold

66

Auflageleiste
Support ledge

77

Behälter
container

88th

Zulauf
Intake

99

Ablauf
procedure

1010

Belüftungskerze
ventilation candle

1111

Strömungsleitplatte
baffle plate

Claims

1. Biomembrane reactor with a ceramic membrane, preferably for biological wastewater purification, in which the membrane on its side facing the reaction medium, preferably the wastewater, carries an effective microorganism culture in the sense of the desired reaction, which from the other side through the membrane with a nutrient solution can be supplied, characterized in that the membrane is located on the outer surface of a plate ("multi-channel plate") ( 1 ) made of porous ceramic and has channels ( 2 ) with the nutrient solution underneath it, through which parallel channels ( 2 ) lying in one plane lie contain slight overpressure that it reaches the required extent through the membrane ( 3 ) to the microorganism culture.

2. Biomembrane reactor according to claim 1, characterized in that the channels ( 2 ) on one end face of the multi-channel plate ( 1 ) are closed, while on the other end face they are connected to a device ( 4 , 5 ) for supplying nutrient solution.

3. Biomembrane reactor according to claim 2, characterized in that a plurality of multi-channel plates ( 1 ) are arranged in parallel with one another with vertically running channels ( 2 ) in a container ( 7 ) through which the reaction medium, preferably waste water, flows, the channels ( 2 ) being closed at the bottom and connected at the top to the device ( 4 , 5 ) for supplying nutrient solution.

4. Biomembrane reactor according to claim 3, characterized in that more channel plates ( 1 ), the number of which speaks the required effective reaction area, added at their upper end in membrane receptacles ( 4 ) and the channels ( 2 ) of the multi-channel plates ( 1 ) each tightly a cavity in the membrane receptacle ( 4 ) are connected, the membrane receptacles ( 4 ) being wider than the multi-channel plates ( 1 ) and with their projecting ends suspended in support strips ( 6 ) at the upper edge of the container ( 7 ) and the cavities of the membrane receptacles ( 4 ) are in turn tightly connected to a manifold ( 5 ).

5. Biomembrane reactor according to claim 3 or 4, characterized in that ventilation candles ( 10 ) are arranged under the multi-channel plates ( 1 ).

6. Biomembrane reactor according to claim 3, 4 or 5, characterized in that the side of the group of multi-channel plates ( 1 ) flow guide plates ( 11 ) are arranged, which in the case of claim 5 down to the area of the ventilation candles ( 10 ) extend out.