DE10350503A1 - Reaktor zur anaeroben Abwasserbehandlung - Google Patents

Abstract

Festbettreaktor zur anaeroben Abwasserbehandlung, aufweisend flächige, durchströmungsporöse Trägerelemente zur Immobilisierung von Mikroorganismen, wobei die Trägerelemente eine Dicke haben, die im Vergleich zur Fläche klein ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente derart beabstandet sind, daß zwischen den Trägerelementen Strömungsräume mit einer mittleren Breite in Abstandsrichtung von 3,5 bis 8 cm vorhanden sind.

Description

• Diese Erfindung betrifft einen Festbettreaktor zur anaeroben Abwasserbehandlung, welcher flächige, durchströmungsporöse Trägerelemente zur Immobilisierung von Mikroorganismen ausweist, wobei die Trägerelemente eine Dicke haben, die im Vergleich zur Fläche klein ist.
• Der Reaktor ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente derart beabstandet sind, daß zwischen den Trägerelementen Strömungsräume mit einer mittleren Breite in Abstandsrichtung von 3,5 bis 8 cm vorhanden sind.
• Zur Behandlung organisch hoch belasteter Abwässer ist es bekannt, anaerobe Verfahren bzw. anaerob arbeitende Abwasserbehandlungssysteme zu verwenden. Die im Abwasser enthaltene Schmutzfracht wird bei Einsatz der Anaerobtechnik mit Hilfe von entsprechenden Mikroorganismen in den regenerativen Energieträger Biogas überführt, der Einsparungen beim Energiebezug ermöglicht.
• Kommunale Abwässer sind vergleichsweise gering belastet mit einem chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) von ca. 500 mg/l und werden in der Regel mit aeroben Belebtschlammverfahren behandelt. In der Lebensmittelindustrie treten erheblich höher organisch belastete Abwässer mit CSB von über 1 000 und bis zu 100 000 mg/l und mehr auf. Zur Reinigung solcher Abwässer kommen Hochleistungsverfahren zum Einsatz.
• Das am meisten verbreitete Verfahren ist das sogenannte UASB-Verfahren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Verfahren). In UASB Reaktoren findet eine interne Biomasseanreicherung in Form eines sich ausbildenden und sehr gut granulierenden Schlamms. Die Mikroorganismen aggregieren zu sogenannten Pellets. Dies ermöglicht eine gute Biomasseanreicherung im Reaktor. Die Reaktoren werden im Upflow-Betrieb betrieben, d.h. die Abwässer strömen von unten nach oben durch den Reaktor. Durch den stoffwechselbedingten Abbau der organischen Verunreinigungen entstehen Gase, die in Form von Gasbläs chen an den Pellets haften. Infolgedessen steigen die Pellets nach oben. Im oberen Bereich des UASB Reaktors ist ein Separatorsystem vorgesehen, welches dazu dient, die Pellets in dem Reaktor zurückzuhalten. Ein Nachteil dieser Technik ist, daß bei hohen CSB-Konzentrationen ab etwa 20 000 – 30 000 mg/l die Gasentwicklung so stark wird, daß die Pellets sehr schnell nach oben steigen und daß trotz der Separatorsysteme ein erheblicher Verlust an Biomasse eintritt. Dies wird als "Wash-Out-Effekt" bezeichnet.
• Ein anderes Hochleistungsverfahren verwendet Festbettreaktoren. In Festbettreaktoren können stark verschmutzte Abwässer mit CSB-Konzentrationen von über 10 000 mg/l behandelt werden. In Festbettreaktoren werden inerte Trägermaterialen als Schüttungen, Packungen oder auch fixierte Trägermaterialien, z.B. in Form von plattenförmigen Trägerelementen, von Mikroorganismen besiedelt. Im Interesse einer hohen Biomasseanreicherung wurden die Platten bisher parallel mit einem Abstand von 1 bis 2 cm angeordnet. Die plattenförmige Trägerelemente weisen einen filmartigen Bewuchs mit Mikroorganismen mit einer Stärke von üblicherweise 1 bis 3 mm auf. Ein Nachteil des Festbettreaktors ist, daß vor allem bei Hochleistungsreaktoren die Trägerelemente einen ganz wesentlichen Kostenfaktor darstellen.
• Die Erfinder haben gefunden, daß sich bei einem relativ großen Abstand der Trägerelemente von 3,5 bis 8 cm, vorzugsweise von 4 bis 6 cm sich bemerkenswerterweise ein zottenartiger Bewuchs mit Mikroorganismen bildet, wobei eine Vergrößerung der Oberfläche des Bewuchses aufgrund einer starken Auffächerung durch Zottenbildung zu beobachten ist. Die Zotten können mehrere cm lang und bis zu 1 cm dick sein. Ihre nicht fixierten Enden können sich frei im Abwasserstrom in den Strömungsräumen bewegen. Dadurch sind die Mikroorganismen allseitig von Abwasser umströmt und optimal mit Nährstoffen versorgt. Dies führt zu einem besonders leistungsfähigen Bewuchs mit Mikroorganismen. Die Mikroorganismen werden sehr effizient mit dem zu behandelnden Abwasser in Kontakt gebracht. Dieser zottenartige Bewuchs führt zu einer starken Biomasseanreicherung auf vergleichsweise wenigen Trägerelementen. Dies bietet eine bedeutsame Kostenersparnis gegenüber herkömmlichen Festbettreaktoren.
• Bei Verwendung eines durchströmungsporösen Trägermaterials ist die Verankerung der Zotten auf den Trägerelementen sehr gut, so daß sich nur sehr wenig Biomasse löst.
• Die Erfindung hat den Vorteil, daß stärker belastete Abwässer als in UASB-Reaktoren behandelt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Austrag von Biomasse im Wesentlichen vermieden wird, ohne daß ein aufwändiges Separatorsystem zum Rückhalten der Biomasse notwendig ist.
• Die im erfindungsgemäßen Reaktor angeordneten Trägerelemente definieren Strömungsräume zwischen den Trägerelementen, in welche die Zotten des zottenartigen Mikroorganismnenbewuchs hineinreichen können. Mit dem erfindungsgemäßen Reaktor können stark belastete Abwässer behandelt werden, da die Mikroorganismen besonders effizient mit dem zu behandelnden Abwasser kontaktiert werden können und durch den zottenartigen Bewuchs eine große Biomasseanreicherung möglich ist. Der erfindungsgemäße Reaktor benötigt weniger Trägerelemente als ein vergleichbarer herkömmlicher Festbetteaktor. Aufgrund der breiten Strömungswege ist auch ein Verstopfen oder Verblocken, wie z.B. durch Feststoffeinträge, lösgelöste Biomasse, zuwachsen der Strömungswege etc. unwahrscheinlicher. Der erfindungsgemäße Reaktor weist somit eine größer Betriebsstabilität als herkömmliche Festbettreaktoren auf.
• Die mittlere Breite der Strömungsräume in Abstandsrichtung, d.h. der lichte Abstand zwischen den Trägerelementen, beträgt erfindungsgemäß 3,5 bis 8, vorzugsweise 4 bis 6 cm. Unter mittlerer Breite des Strömungsraums wird hier der Abstand zwischen den gedachten Mittelebenen zweier benachbarter Trägerelemente abzüglich der Trägerelementdicke verstanden.
• Die Trägerelemente können in Form von ebenen Platten ausgebildet sein. Es sind aber auch andere Formen denkbar, z.B. Formen, die entstehen, wenn die Platte gekrümmt, gewellt oder zick-zack-artig verläuft. Die Trägerelementdicke kann über das gesamte Trägerelement gleich sein, oder kann über das Trägerelement variieren. In allen Fällen ist der mittlere Abstand zwischen den ge dachten Mittelebenen, abzüglich der Trägerelementdicke, zu messen. Wenn die Trägerelemente jedoch weit vorragende Bereiche aufweisen, werden diese bei der Ermittlung des Abstands weggedacht.
• Bevorzugt sind die Trägerelemente, gegebenenfalls bezogen auf ihre gedachte Mittelebene, parallel zueinander angeordnet. Die Trägerelemente können in kubischen (quaderförmigen) Paketen angeordnet sein.
• Die Trägerelemente können auch in sektorartigen Paketen angeordnet sein, die sich ringförmig nebeneinander anordnen lassen. Diese ringförmige Anordnung sektorartiger Pakete aus Trägerelementen kann – grob gesprochen – einer zylinderförmigen Reaktorgehäuseform angepasst sein. Dabei sind die Platten innerhalb der Pakete im Wesentlichen in Tangentialrichtung des Reaktors angeordnet.
• Der Reaktor ist bevorzugt dazu bestimmt, im Betrieb zu behandelnde Abwässer mit einem chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) von 4000 bis 120 000 mg/l zu behandeln.
• Der erfindungsgemäße Reaktor wird bevorzugt im Aufstrom betrieben, d.h. daß zu behandelnde Abwasser strömt im Wesentlichen von unten nach oben durch die Strömungsräume. Dadurch werden Gasbläschen, die sich stoffwechselbedingt auf dem Biofilm bilden, nach oben abtransportiert. Am oberen Ende des Reaktors ist in herkömmlicher Weise eine Gasabzugsvorrichtung vorgesehen. Daher ist es bevorzugt, wenn die Trägerelemente im Wesentlichen vertikal angeordnet sind.
• Der Reaktor ist vorzugsweise derart ausgelegt, daß er mit einer Aufströmgeschwindigkeit von 5 bis 10 m/h betrieben werden kann.
• Die Trägerelemente können in einer Haltevorrichtung angeordnet sein. Es ist bevorzugt, dass die Trägerelemente rechteckig sind und an ihren Ecken gehaltert sind. Ferner ist es bevorzugt, dass Haltevorrichtungen vorgesehen sind, die jeweils eine Reihe von Ausnehmungen aufweisen und mehrere Trägerelemente haltern. Die Haltevorrichtungen können Leisten, Schienen oder Profile, z.B. U-förmige Profile, mit Ausnehmungen aufweisen, in welche die Trägerelemente eingelassen sind. Ein bevorzugtes Material für die Profile ist Edelstahl.
• Die Trägerelemente bestehen aus einem durchströmungsporösen Material. Bevorzugt bestehen die Trägerelemente im Wesentlichen aus miteinander durch Zusammensintern vereinigten Kunststoff-Teilchen und Blähton-Teilchen. Polyethylenteilchen sind als Kunststoffteilchen bevorzugt, wobei andere Kunststoffe möglich sind. Die Mikroorgansimen können sowohl in den Poren zwischen den Teilchen siedeln, als auch auf den Trägerelementen einen zottenartigen Bewuchs bilden. Im Falle einer Havarie des Reaktors, z.B. aufgrund eines toxischen Stosses, wird der Mikroorganismen-Rasen zwar zerstört, aus den Poren des porösen Materials heraus können die Mikroorganismen allerdings schnell wieder wachsen und den Film, bzw. den zottenartigen Bewuchs auf den Platten regenerieren. Die Blähtonteilchen weisen Porengrößen von ca. 1 bis 100 μm auf. Mikroorganismen besiedeln bevorzugt erst kleinere Poren, die einen Schutzraum abseits der Strömung darstellen. Von den kleineren Poren aus werden zunächst die größeren Poren und anschließend die gesamte Struktur besiedelt. Bei einer Havarie bilden die Mikroorganismen in den kleinen Poren Keimzellen für eine Regenerierung des Bewuchses innerhalb von wenigen Tagen. Da die Mikroorganismen auch in den Poren wachsen, ist eine gute Verankerung des zottenartigen Bewuchses gegeben.
• Die Trägerelemente können mit sessilen Mikroorganismen besiedelt werden. Insbesondere können sie besiedelt werden mit mindestens einer Bakteriengattung aus der Gruppe der Gattungen Sytrophobacter, Sytrophomas, Methanotrix, Methanosarcina und Methanococcus.
• Mit. dem Reaktor können auch mit organischen Verschmutzungen, wie z.B. Kohlenhydrate oder Proteine, hoch belastete Abwässer behandelt werden.
• Erfindungsgemäß werden insbesondere organisch hoch belastete Abwässer aus der Getränke-, Futtermittel- oder Lebensmittelindustrie behandelt, wie z.B. Abwässer aus Stärke-verarbeitenden Betrieben und Anlagen, Getränke betrieben, Brauereien, Spirituosen-Brennereien, Molkereien, Abwässer aus Fleisch- und Fisch-verarbeitenden Betrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren und der Reaktor sind auch zur Behandlung von Abwässern aus der Papier- und Textilindustrie geeignet.
• Die Erfindung und Vorzugsmerkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen erläutert.
• 1 ist eine schematische Darstellung einer Anlage zur Abwasserbehandlung mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors.
• 2 ist eine Draufsicht eines kubusförmigen Pakets von Trägerelementen.
• 3 ist eine Draufsicht eines sektorartigen Pakets von Trägerelementen.
• 4 ist eine Teilansicht eines Pakets von Trägerelementen.
• 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Trägermaterials.
• In 1 ist ein erfindungsgemäßer Reaktor 10 dargestellt, welcher eine Paketanordnung von Trägerelementen 20 aufweist, die mit Mikroorganismen zur anaeroben Abwasserbehandlung besiedelt sind.
• Zu behandelndes Abwasser 70 wird über ein Sieb 71 und einen Fettabscheider 72 in einen Vorratstank 60 eingebracht. Der Vorratstank kann über eine Vorrichtung 61 entlüftet werden. Im Vorratstank sind ferner Einrichtungen zur Durchmischung 62 des Abwassers und zur pH-Wertmessung 63 und Temperaturmessung 64 vorhanden. Über Zuleitungen 66, 67 können Ätznatron oder Säure zur Einstellung des pH-Werts auf einen physiologisch geeigneten Bereich zugeführt werden.
• Über die Leitung 50 wird zu behandelndes Abwasser zur Leitung 30 geführt. Diese Leitung 30 leitet zu- und umlaufendes Abwasser in den Reaktor 10. Die Zufuhr aus dem Vorratstank 60 wird über das Ventil 51 und die Pumpe 52 gesteuert. Auf dem Weg zum Reaktor 10 wird das Abwasser über die Wärmetauscher 53, 54 geführt, um das Abwasser auf eine geeignete Temperatur zu bringen. Der Wärmetauscher 53 nutzt Abwärme aus dem ablaufenden, behandelten Abwasser, welches durch die Leitung 40 aus dem Abwasserreaktor 10 entnommen wird. Der pH-Wert und die Temperatur des Abwassers werden durch die Messfühler 33 bzw. 34 in der Leitung 30 bestimmt. Zum Einstellen des pH-werts kann über eine Leitung 37 Säure oder Base zugeführt werden. Alternativ kann zwischen dem Vorratstank 60 und dem Reaktor 10 zusätzlich ein Durchlaufbehälter vorgesehen sein (nicht dargestellt), in welchem der pH-Wert in Reaktion auf die pH-Wertmessung des Messfühlers 33 durch Zugabe von Säure oder Base eingestellt werden kann, bevor zu behandelndes Abwasser dem Reaktor zugeführt wird.
• Im Reaktor 10 strömt das Abwasser mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 10 m/s vertikal nach oben und durchströmt dabei ein Paket 20 aus Platten des Trägermaterials. Schaumhemmer und weitere Additive können nach Bedarf durch Zuleitungen 16 bzw. 17 in den Reaktor 10 geführt werden. Entstehendes Biogas sammelt sich im oberen Bereich des Reaktors 10 und kann durch die Leitung 18 abgezogen und einer weiteren Aufbereitung oder Verwendung, z.B. zur Verbrennung als Wärmequelle, zugeführt werden. Durch die Leitung 30 wird das Abwasser mit Hilfe der Pumpe 32 zirkuliert. Das behandelte Abwasser kann über die Leitung 40 entnommen werden.
• In 2 ist ein kubusförmiges Paket 20a von plattenförmigen Trägerelementen 24a dargestellt. Die Trägerelemente 24a werden an den Ecken von U-Profilleisten 22a, welche Teile einer Haltevorrichtung sind, gehalten.
• In 3 ist ein sektorartiges Paket 20b von plattenförmigen Trägerelementen 24b dargestellt. Die Trägerelemente 24b werden an den Ecken von U-Profilleisten 22b, welche Teile einer Haltevorrichtung sind, gehalten.
• In 4 ist eine – von oben gesehene – Teilansicht des in 3 dargestellten Pakets mit einer U-Profilleiste 22b gezeigt, wobei der Boden des U-Profils in der Zeichnung nach rechts weist und der obere Schenkel weggeschnitten ist. Somit blickt man auf den unteren Schenkel des U-Profils 22a, welcher Ausnehmungen 26b aufweist, in welchen die Trägerelemente 24b mit einem gegenseitigen lichten Abstand d gehaltert sind. Dieser Anstand d bildet die mittlere Breite der Strömungsräume. Die zwischen den Trägerelementen 16a entstandenen Strömungsräume weisen somit die erfindungsgemäße Breite d von 3,5 bis 8 cm auf.
• Die Trägerelemente können auch durch andere Haltevorrichtungen gehalten werden. Insbesondere ist es denkbar, daß sie nicht an den Ecken gehalten werden, sondern an ihren vertikalen Kanten in Rinnen eingeschoben gehaltert sind. Diese Rinnen können auch als U-Profile ausgebildet sein, welche durch weitere Leisten horizontal miteinander verbunden sind. Die Rinnen können auch auf oder in einer Platte ausgebildet sein.
• Die Halterungsprofile bzw. -leisten können Bestandteil einer insgesamt rahmenartigen Haltevorrichtung sein
• In 5 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Trägermaterials 90 dargestellt. Es besteht aus Kunststoffteilchen 92, welche untereinander und zusammen mit Blähtonteilchen 94 durch Sintern vereinigt wurden.
• Im Reaktor 10 ist eine sechseckige Anordnung aus sektorförmigen Paketen aus Platten des Trägermaterials vorgesehen. Die sechseckige Anordnung hat einen Durchmesser von 1 m und eine Höhe von 1,5 m. Das Trägermaterial ist ein durchströmungsporöses Verbundmaterial aus miteinander durch Sintern vereinigten Polyethylen und Blähton-Teilchen. Der Abstand d der Trägerelemente (d.h. der Platten) beträgt 4 cm. In einem versuchsweisen Betrieb, in welchem die Leistungsfähigkeit der Anlage geprüft wurde, wurde der Reaktor so betrieben, daß bei Zirkulation die Aufströmgeschwindigkeit 5-10 m/s betrug. Im Testbetrieb wurden zulaufende Abwässer mit einem CSB von 4 025 bis 117 500 mg/l behandelt, die gemessenen CSB-Werte der behandelten Abwässer betrugen 580 bis 5 500 mg/ml.
• Bei Untersuchung der Trägerelementplatten zeigte sich, daß sich ein zottenartiger Bakterienbewuchs auf den Platten gebildet hatte. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Festtbettreaktor mit ähnlichen Betriebsparametern konnte die Oberfläche der Platten um etwa 50% verringert werden, was die Anlagekosten wesentlich reduziert. Ebenso konnte in einem mehrmonatigen Versuchsbetrieb die Gefahr einer teilweisen oder völligen Verstopfung der Durchströmungswege sicher verhindert werden.

Claims (13)

1. Festbettreaktor zur anaeroben Abwasserbehandlung, aufweisend flächige, durchströmungsporöse Trägerelemente zur Immobilisierung von Mikroorganismen, wobei die Trägerelemente eine Dicke haben, die im Vergleich zur Fläche klein ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente derart beabstandet sind, daß zwischen den Trägerelementen Strömungsräume mit einer mittleren Breite in Abstandsrichtung von 3,5 bis 8 cm vorhanden sind.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diezwischen den Trägerelementen vorhandenen Strömungsräume eine mittleren Breite in Abstandsrichtung von 4 bis 6 cm aufweisen.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelemente im Wesentlichen die Form ebener Platten haben.
4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Trägerelemente vorgesehen sind, die in einem kubischen Paket angeordnet sind.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Trägerelemente vorgesehen sind, die in sektorartigen, ringförmig nebeneinander positionierten Paketen angeordnet sind, wobei die Trägerelemente jeweils im Wesentlichen tangential verlaufen.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor dazu bestimmt ist, im Betrieb zu behandelnde Abwässer mit einem chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) von 4 000 bis 120 000 mg/l zu behandeln.
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor derart ausgelegt ist, daß er mit einer Aufströmgeschwindigkeit von 5 bis 10 m/h betrieben werden kann.
8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente rechteckig sind und an ihren Ecken gehaltert sind.
9. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Haltevorrichtungen vorgesehen sind, die jeweils eine Reihe von Ausnehmungen aufweisen und mehrere Trägerelemente haltern.
10. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Trägerelemente vorgesehen sind, die im Wesentlichen aus miteinander vereinigten Kunststoff-Teilchen und Blähton-Teilchen bestehen.
11. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor dazu bestimmt ist, beim Betrieb mit mindestens einer Bakteriengattung aus der Gruppe der Gattungen Sytrophobacter, Sytrophomas, Methanotrix, Methanosarcina und Methanococcus betrieben zu werden.
12. Verwendung des Reaktors gemäß einer der Ansprüche 1 bis 11 zur anaeroben Abwasserbehandlung einer Anlage der Getränke-, Futtermittel- oder Lebensmittelindustrie.
13. Verwendung des Reaktors gemäß einer der Ansprüche 1 bis 11 zur anaeroben Abwasserbehandlung einer Anlage der Papier- oder Textilindustrie.