DE102006021617A1 - Vorrichtung und Verfahren zur kostengünstigen Elimination schwerabbaubarer Abwasserinhaltsstoffe in einem mikrobiologisch regenerierenden Adsorptions-Scheibentauchtropfkörper - Google Patents

Abstract

Zu Grunde liegendes technsiches Problem DOLLAR A Im Ablauf biologischer Abwasserreinigungsanlagen sind heute zahlreiche schwer abbaubare endokrin bzw. hormonell wirksame Stoffe und Industriechemikalien nachzuweisen, da sich abbauspezialisierte Mikroorganismen in volldurchmischten, rasch durchflossenen Systemen nicht wirksam ansiedeln können. Der Einsatz von Adsorbentien, z. B. von Aktivkohle, zur Fixierung dieser Substanzen ist zwar machbar, aber kostenintensiv. Auch muss das beladene Adsorbens letztlich teuer als Abfall entsorgt werden. DOLLAR A Erfindungsgemäße Lösung des Problems DOLLAR A Wird Kläranlagenablauf mit Adsorbentien - z. B. mit Aktivkohlegranulat - in Kontakt gebracht, so unterliegen die im Abwasser gelösten schwer abbaubaren Stoffe Adsorptions-Desorptionsprozessen. Auch siedeln sich auf der porösen Oberfläche des Adsorbens spezialisierte sessile Mikroorganismen an und so erfolgt neben den rein physikalischen Vorgängen der Adsorption und Desorption simultan mikrobieller Abbau der adsorbierten und desorbierenden Stoffe. DOLLAR A Zur Realisierung des Verfahrens wird als Vorrichtung ein modifizierter Scheibentauchtropfkörper eingesetzt, bei welchem die Scheiben als mit Adsorbens gefüllte Hohlkörper ausgebildet sind. Durch die Stoffwechselleistungen der auf dem Adsorbensmaterial wachsenden Mikroorganismen bleibt das Adsorbens ständig adsorptionsaktiv und muss nicht ausgewechselt werden. DOLLAR A Anwendungsgebiet DOLLAR A Durch dieses in der Abwassertechnik nicht bekannte Eliminationsverfahren für ...

Description

• Stand der Technik betreffend Scheibentauchtropfkörper
• Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung, so auch Scheibentauchtropfkörper, werden seit Jahrzehnten in der kommunalen und industriellen biologischen Abwasserreinigung eingesetzt.
• Das Prinzip des Scheibentauchtropfkörpers besteht darin, dass eine Vielzahl auf einer horizontalen Welle aufgereihte Kunststoffscheiben (Durchmesser bis ca. 3 Meter, Dicke der Scheiben: einige Zentimeter) in einem abwasserdurchströmten Trog partiell eingetaucht sind und langsam rotieren. Eingearbeitete Scheiben sind dabei vollständig mit einem mehrere Millimeter dicken Mikroorganismen-Rasen bewachsen. Im Betrieb erfolgt die Nahrungsaufnahme der Mikroorganismen während des Abwasserkontakts der rotierenden Scheiben – also im Abwassertrog. Die Atmung der aeroben Mikroorganismen erfolgt während des Luftkontakts der rotierenden Scheiben – also in der Atmosphäre.
• Durch die Vermehrung zuwachsende Überschuss-Biomasse löst sich sukzessive von den Scheiben, sammelt sich im Abwassertrog und wird herkömmlich im Nachklärbecken abgetrennt.
• Durch entsprechende Modifikationen bei der Verfahrensführung einer Scheibentauchtropfkörperanlage ist heute neben der biologischen Grundreinigung auch Nitrifikation und Denitrifikation des Abwassers gemäß den gesetzlichen Bestimmungen möglich.
• Tauchtropfkörper sind kostengünstig zu betreiben, da für die Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen keine energieintensiv herzustellende Druckluft erforderlich ist – notwendig ist lediglich ein Antriebsmotor für die Scheiben. Nachteilige Aspekte einer Scheibentauchtropfkörperanlage liegen im verhältnismäßig großen Flächenbedarf und im Erfordernis zur Einhausung der Anlage zum Frostschutz.
• Scheibentauchtropfkörperanlagen werden auf Grund ihres einfachen und zuverlässigen Betriebs meist als kleinere Einheiten für Hotels oder für kleinere Gemeinden ausgeführt – der übliche Anwendungsbereich liegt etwa zwischen 50 und 3000 Einwohnerwerten (EW).
• Stand der Technik betreffend Einsatz von mikrobiologisch regenerierenden Adsorbermaterial bei der Abwasserreinigung
• Der Einsatz von Adsorbermaterial – in der Praxis meist Aktivkohle-Pulver oder Granulat – ist bei der Reinigung kommunaler Abwässer aus Kostengründen nur wenig verbreitet. Das Ziel ist dabei die Elimination schwerabbaubarer Abwasserinhaltsstoffe im Kläranlagenablauf. Mach Erschöpfung der Adsorptionskapazität des Adsorbens muss dieses entweder aus dem System entnommen und regeneriert oder mit dem Klärschlamm entsorgt werden.
• Mikrobiologisch regenerierendes Adsorbermaterial , wie z.B. Aktivkohle, wird in der Praxis der Abwasserreinigungstechnik nicht eingesetzt – insbesondere nicht zur Elimination refraktärer Stoffe in Kläranlagenabläufen. Hierfür fehlt bislang eine geeignete Technik. Auch sind die grundlegenden Bemessungsgrößen bislang unbekannt. Der Begriff der mikrobiologischen Regeneration taucht allerdings in folgenden Patentschriften auf:
  DE4000292 : Säulenfestbettreaktor mit mikrobiologisch besiedelter Aktivekohle zur Weiterbehandlung von mit Ozon vorbehandeltem Abwasser. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren ist der Einsatz eines Additivs (Ozon) nötig, um die Bioverfügbarkeit von schwer abbaubaren Substanzen zu erhöhen.
• DE19539838 : Säulenfestbettreaktor mit mikrobiologisch besiedelter Aktivkohle, Sauerstoffzufuhr durch Druckbelüftung. Die Regeneration erfolgt im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren in einem getrennten Verfahrensschritt (auch bei der sog. simultanen Prozessführung). Zudem erfordert die Druckbelüftung zusätzliche verfahrenstechnische und energetische Aufwendungen. Adsorption, aerobe ! anaerobe Regeneration und Belüftung finden im erfindungsgemäßen Verfahren – bedingt durch Verfahrensführung und Reaktorbauweise – zeitgleich statt.
• Zu Grunde liegendes Problem
• Zahlreiche schwerabbaubare Abwasserinhaltsstoffe – sog. endokrin wirksamen Stoffe – stellen heute ein Umweltproblem dar, da zunehmend bekannt wird, dass Organismen in aquatischen Systemen, wie bestimmte Weichtiere und Fische, bereits durch Spuren solcher Substanzen gravierend beeinträchtigt werden – z.B. durch Schädigung ihrer Reproduktionsfähigkeit. Mechanisch-biologische Kläranlagen taugen nur sehr bedingt zur Elimination solcher Stoffe, wie z.B. Arzneimittel-Metabolite und hormonell wirksame Industriechemikalien. So sind heute zahlreiche derartigen Substanzen in allen Kläranlagenabläufen nachzuweisen. Dies rührt vor allem daher, dass sich in herkömmlichen Abwasserreinigungsanlagen die erforderliche abbauspezialisierte und i.d.R. sehr langsam wachsende Biomasse nicht effektiv ansiedeln kann. Auch verlaufen viele Abbauvorgänge plasmidcodiert und sind damit oftmals besonders langsam (sog. Co-Metabolismus). Als Problemlösung bedürfte es eines Verfahrens, bei welchem die betreffenden schwerabbaubaren Abwasserinhaltsstoffe räumlich und zeitlich fixiert und mit Abbauspezialisten in ausreichend langen Kontakt gebracht werden müssten.
• Problemlösung durch die Erfindung und deren vorteilhafte Aspekte
• Verfahren des mikrobiologisch regenerierenden Adsorptions-Scheibentauchtropfkörpers Für die Elimination schwerabbaubarer, z.B. auch endokriner Stoffe, bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine Problemlösung: Wird biologisch vorgereinigtes Abwasser mit Adsorbentien – z.B. mit Aktivkohle, Silikagel oder mikroporösem Kunststoffen – in Kontakt gebracht, so findet an der inneren Oberfläche des Adsorbens primär Adsorption der genannten Stoffe statt, welche im weiteren, entsprechend ihrer Adsorptionskinetik, auch wieder desorbiert werden. Bedingt durch den Abwasserkontakt sind auf der porösen Oberfläche des Adsorbens spezialisierte Mikroorganismen angewachsen, und es erfolgt neben den rein physikalischen Vorgängen der Adsorption und Desorption simultan mikrobieller Abbau der adsorbierten und desorbierenen Stoffe.
• Da diese mikrobiellen Abbauvorgänge langsam ablaufen sind entsprechend lange Aufenthaltszeiten für eine optimale Durchführung des Verfahrens einzustellen, so dass, bezogen auf einen definierten Stoff, Gleichgewicht zwischen Adsorption und mikrobiellem Abbau herrscht.
• Die Aufenthaltszeit des zu reinigenden Abwassers in einer mikrobiologisch regenerierenden Adsorptions-Scheibentauchtropfkörperanlage bemisst sich dann nach dem Adsorptions-Abbau-Gleichgewicht des am langsamsten abbaubaren Abwasserinhatsstoffs. Dies ist in der Praxis durch chemische Einzelsubstanzanalytik festzustellen.
• Vorrichtung des mikrobiologisch regenerierenden Adsorptions-Scheibentauchtropfkörpers Für die Realisierung des Verfahrens dient erfindungsgemäß ein Adsorptions-Scheibentauchtropfkörper, bei welchem mit Adsorbens befüllte Hohlzylinder beliebiger Anzahl eingesetzt werden (1 und 2). Jede Hohlscheibe ist durch gelochte oder sonstwie durchbrochene Metall- oder Kunststoffscheiben begrenzt. Das Adsorbens besteht vorteilhafterweise aus möglichst grobem Korn, so dass in den Hohlräumen zwischen den Körnern ein freier Wasserfluss stattfinden kann. Statt solcher gefüllter Hohlscheiben können auch monolithische grobporige Scheibenkörper aus Adsorbermaterial Verwendung finden, welche ohne gelochte Begrenzungsplatten auskommen.
• Durch die Grobporigkeit des Adsorbermaterials kann eine ständige Abreinigung bzw. Durchspülung des Adsorbermaterials stattfinden, da durch die Drehbewegung der Scheiben und die dadurch verursachten Strömungen des eingeschöpften und ablaufenden Abwassers Verstopfung der Zwischenräume zwischen den Körnern des Adsorbens, durch Biomassezuwachs, vermieden werden.
• Durch Variation der Eintauchtiefe der Scheiben in den Abwassertrog des Adsorptions-Scheibentauchtropfkörpers können sowohl der Spüleffekt als auch der Sauerstoffeintrag bzw. die Milieubedingungen für die Mikroorganismen variiert werden. Zusätzlich kann der Reinigungseffekt durch zwischen den Hohlscheiben angeordnete Spritzdüsen erhöht werden, wobei Wasser variierbaren Drucks – bedarfsweise oder ständig – auf die gelochten Scheibenplatten gespritzt wird.
• Bei einem solchen, im Adsorptions-Abbau-Gleichgewichtszustand arbeitenden Adsorptions-Scheibentauchtropfkörper wird das Adsorbens ständig mikrobiologisch regeneriert, so dass das Adsorbermaterial nicht ausgewechselt werden muss. Die Regeneration des Adsorbers vollzieht sich dabei an und im Adsorbermaterial durch simultan stoffwechselnde aerobe, anoxische und anaerobe Mikroorganismen. Bedarfsweise kann die Abbaueffektivität der auf dem Adsorbermaterial wachsenden Biomasse durch Zugabe von extern gezüchteten Mikroorganismen-Spezialkulturen erhöht werden.
• Dieses bisher in der Abwassertechnik nicht bekannte und bisher auch nicht eingesetzte Eliminationsverfahren für schwerabbaubare Stoffe erschließt der Abwassertechnik neue Perspektiven, so dass umwelt- und humanschädliche Substanzen aus aquatischen Systemen auf kostengünstige Weise ferngehalten werden können.
• Legende zu den Zeichnungen

1

Gelochte Begrenzungsplatten der Hohlscheibe

2

Zentrale Welle

3

Verschließbare Einfüllöffnungen für das Adsorbens

4

Versteifungen

5

Abwassergefüllter Trog, Wasserstand variierbar

6

Spritzdüsen zur Reinigung der Hohlscheiben mit Wasser

7

Antrieb

Claims (18)

1. Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass biologisch vorgereinigtes Abwasser, in welchem sich schwerabbaubare Inhaltsstoffe befinden, mit einem sich mikrobiologisch regenerierenden Adsorbens behandelt wird.
2. Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Abbau schwerabbaubarer Abwasserinhaltsstoffe durch das simultane Wechselspiel von Adsorption, Desorption sowie aerober und anaerober mikrobieller Stoffwechseltätigkeit im Porenraum des Adsorbens zustande kommt.
3. Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Abbau schwerabbaubarer Abwasserinhaltsstoffe nur bei entsprechend langen Aufenthaltszeiten des Abwassers am Adsorbens stattfindet.
4. Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass keine Additive zum Einsatz kommen.
5. Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Oberfläche des Adsorbens angesiedelte Mikroorganismen-Biomasse durch Zugabe abbauspezialisierter Mikroorganismen-Spezies angereichert werden kann.
6. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens einer mit Adsorbens gefüllten Hohlscheibe besteht, die, nach Art eines Scheibentauchtropfkörpers, in einem Abwasser enthaltenden Trog rotiert.
7. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das in den Hohlscheiben befindliche Adsorbens Aktivkohlegranulat sein kann.
8. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das in den Hohlscheiben befindliche Adsorbens aus einem mineralischen Material, z.B. Silikagel, Bentonite oder Zeolithe, bestehen kann.
9. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das in den Hohlscheiben befindliche Adsorbens aus mikroporösem Kunststoff oder mikroporösem Kunststoff-Adsorbens-Verbundmaterial bestehen kann.
10. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die beiderseitigen Begrenzungsflächen der Hohlscheiben aus gelochten Platten oder Gittern bestehen, um ein möglichst hinderungsfreies Eindringen und Ausfließen des Abwassers in und an die Adsorberfüllung zu gewährleisten.
11. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Begrenzungen der Hohlscheiben aus Metall oder Kunststoff bestehen können.
12. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlscheiben rund oder mehreckig sein können.
13. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlscheiben aus mehreren Segmenten bestehen können.
14. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlscheibe verschließbare Öffnungen besitzt, durch welche Adsorbens eingefüllt bzw. entnommen werden kann.
15. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Eintauchtiefe der Hohlscheiben in den Abwassertrog variiert werden kann.
16. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlscheiben vollständig in den Abwassertrog eingetaucht werden können.
17. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass monolithische poröse Scheibenkörper aus Adsorbermaterial – ohne seitliche Begrenzungsplatten – eingesetzt werden können.
18. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass in den Räumen zwischen den Adsorberscheiben Wasser-Spritzdüsen angeordnet sein können, mit denen bedarfsweise oder ständig die Scheibenkörper abzureinigen sind.