DE19601714A1 - Verfahren zur trägergebundenen biologischen Reinigung von Flüssigkeiten in einem Festbettreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser oder Abwasser, wobei die Flüssigkeit mit auf einer Trägeroberfläche immobilisierter Biomasse in Kontakt gebracht wird.

Die Reinigung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser oder Abwasser, in einem Festbettreaktor gehört zu den klassischen Verfahren in der Umwelttechnik. Dabei sorgt die auf dem Festbett immobilisierte Biomasse, der sogenannte Biofilm, für einen biologischen Abbau von Wasser- und Abwasserinhaltsstoffen. Als Festbetten können Schüttungen von Trägerteilchen, fest installierte Platten, Netze etc. verwendet werden. Am bekanntesten dürften die sogenannten Tropfkörperreaktoren sein, bei denen die zu behandelnde Flüssigkeit über einem Tropfkörpermaterial, z. B. Lavastein, verrieselt wird.

Herkömmliche Festbettreaktoren weisen gegenüber Belebtschlammanlagen gewisse Nachteile auf. Vergleicht man die Abbauleistung (BSB- bzw. CSB-Abbau) von 1 m³ Belebungsbecken mit der von 1 m³ Tropfkörper, so liegt diese bekanntermaßen beim Belebungsbecken um ein Mehrfaches über dem des Tropfkörpers. Dies führte insbesondere in den industrialisierten Ländern dazu, daß der Bau von Belebungsanlagen im Vergleich zu Tropfkörperanlagen bevorzugt wurde.

Aufgrund der erhöhten Anforderungen an die Kläranlagen, nämlich zusätzlich zu dem Abbau organischer Schmutzstoffe auch eine weitergehende Abwasserreinigung zu erreichen, werden die alten Abwasserreinigungssysteme neu überprüft. Dabei wird den Tropfkörpern, die als Biofilmreaktoren besonders gute Eigenschaften für die Durchführung der Nitrifikation aufweisen große Aufmerksamkeit geschenkt. Die Reinigungsleistung von Tropfkörpern und anderen herkömmlichen Festbettreaktoren ist jedoch insgesamt noch nicht voll zufriedenstellend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine Steigerung der Reinigungsleistung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Trägeroberfläche und der Flüssigkeit eine Relativgeschwindigkeit von ca. 50 bis ca. 250 m/h hergestellt wird.

Bisher ging man davon aus, daß hohe Strömungsgeschwindigkeiten in Festbettreaktoren zu einer Abscherung des Biofilms führen. Auch aus energetischen Gesichtspunkten werden deshalb Biofilter auf Leerrohrgeschwindigkeiten von maximal 30 m/h ausgelegt. Aus "G. Rheinheimer, W. Hegemann, J. Raff, I. Sekoulov: Stickstoffkreislauf im Wasser, Oldenburg-Verlag Seite 222 bis Seite 253" ist bspw. bekannt, daß Tropfkörper lediglich mit einer Oberflächenbeschickung von bis zu 4,5 m³ pro m² X Stunde betrieben werden. Bei einer höheren hydraulischen Beschickung wird ein Verlust der Abbauleistung infolge Auswaschvorgängen im Tropfkörper befürchtet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß wider Erwarten bei extrem hohen Strömungsgeschwindigkeiten eine deutliche Steigerung der Reinigungsleistung von Festbettreaktoren erzielt werden kann. Bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten scheint es zu einer Selektion eines sehr festsitzenden hochaktiven Biofilms zu kommen. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit am Biofilm sorgt außerdem für eine extrem schnelle Grenzflächenerneuerung, verbunden mit einer erheblichen Erhöhung der Umsatzgeschwindigkeit.

Die erforderliche hohe Relativgeschwindigkeit zwischen der Trägeroberfläche und der Flüssigkeit kann prinzipiell dadurch hergestellt werden, daß entweder die Trägeroberfläche gegenüber der Flüssigkeit bewegt wird oder die Flüssigkeit an der Trägeroberfläche entlang strömen gelassen wird. Zweckmäßigerweise wird die Flüssigkeit mit einer relativen Strömungsgeschwindigkeit von ca. 50 bis ca. 250 m/h an der Trägeroberfläche entlang geführt. Hierzu wird die Flüssigkeit vorzugsweise durch ein Festbett mit immobilisierter Biomasse hindurchgeleitet.

Eine zusätzliche Steigerung der Reinigungsleistung kann dadurch erreicht werden, daß die Flüssigkeit in einem Reaktor mit der auf der Trägeroberfläche immobilisierten Biomasse in Kontakt gebracht wird, in dem ein Überdruck von mindestens 1 bar erzeugt wird.

Als Trägeroberfläche kommen alle bekannten Trägermaterialien in Betracht, die bei trägergebundenen biologischen Wasser- oder Abwasserreinigungsverfahren eingesetzt werden. Insbesondere eignen sich mineralische Stoffe wie Sand, Kies, Zeolithe, Blähton, Lava etc . .

Eine bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, als Trägeroberfläche synthetische Materialien wie Schaumstoff, Styropor, Polyolefinkunststoffkugeln etc. einzusetzen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden als Trägeroberflächen im wesentlichen planare Teilchen mit einer Dicke von ca. 5 µm bis ca. 1.500 µm, vorzugsweise ca. 15 µm bis ca. 500 µm, und einer Fläche von ca. 5 mm² bis ca. 1000 mm² verwendet. Derartige Trägerteilchen sind beispielsweise in der DE 42 05 572 A1 beschrieben. Aus diesen Teilchen wird zweckmäßigerweise durch Aufschütten in einem Reaktor ein Festbett gebildet, durch das die zu reinigende Flüssigkeit hindurchgeleitet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Abwasser- oder Trinkwasserreinigung, wobei abhängig von den eingestellten Betriebsbedingungen ein Kohlenstoffabbau, eine Nitrifikation oder eine Denitrifikation durchgeführt werden können. Beim Kohlenstoffabbau und der Nitrifikation müssen aerobe Verhältnisse aufrechterhalten werden, das heißt, es muß Sauerstoff z. B. in Form von Luft der Flüssigkeit zugeführt werden. Bei der Denitrifikation werden dagegen anoxische Verhältnisse aufrecht erhalten, das heißt, das Verfahren wird unter Sauerstoffausschluß betrieben. Aufgrund der durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufenen Scherkräfte wird ein besonders festsitzender Biofilm selektiert, der sich besonders gut zur Nitrifikation und/oder Denitrifikation eignet.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare deutliche Steigerung der Reinigungsleistung ermöglicht eine extreme Verkleinerung des Reaktorvolumens. Überlastete Abwasserreinigungsanlagen können also durch Hinzufügen eines erfindungsgemäß betriebenen Festbettreaktors, der nur wenig Platz erfordert, ohne große Investitionskosten saniert werden. Die Reinigungsleistung herkömmlicher Festbettreaktoren kann durch Umrüstung auf extrem hohe Strömungsgeschwindigkeiten erheblich verbessert werden. Auf diese Weise können auch bestehende Abwasserreinigungsanlagen auf wirtschaftliche Weise derart nachgerüstet werden, daß sie eine deutliche Leistungssteigerung erfahren. Da das Verfahren für zahlreiche Trägermaterialien geeignet ist, kann es an die unterschiedlichsten Bedürfnisse angepaßt werden.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:

Das Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zur weitgehenden Entfernung von oxidierten Stickstoffverbindungen aus vorgereinigtem Abwasser oder Trinkwasser. Hierfür sind drei hintereinandergeschaltete Festbettreaktoren 1, 2 und 3 vorgesehen. In den Festbettreaktoren 1, 2 und 3 sind Kiesschüttungen 4, 5 und 6 angeordnet, die mittels Gitter 7-12 in den Festbettreaktoren fixiert werden.

Über eine Zulaufleitung 13 wird das zu behandelnde Abwasser oder Trinkwasser in den Festbettreaktor 1 eingeleitet. In dem Festbettreaktor 1 werden anoxische Verhältnisse aufrecht erhalten, das heißt der Luftsauerstoff wird aus dem Festbettreaktor 1 weitgehend ausgeschlossen. Dadurch wird ermöglicht, den Festbettreaktor 1 als Denitrifikationsstufe zu betreiben, in der Nitrat und Nitrit zu elementarem Stickstoff reduziert wird. Über eine Leitung 17 wird dem Zulauf des Festbettreaktors 1 eine Kohlenstoffquelle, z. B. Äthanol, Methanol oder Acetol, zugeführt. Die Zufuhr einer solchen externen Kohlenstoffquelle ist zumindest dann notwendig, wenn das vorgereinigte Abwasser oder Trinkwasser in der Leitung 13 zu wenig Kohlenstoff enthält, um in den Festbettreaktoren eine ausreichende Denitrifikation zu ermöglichen.

Das behandelte Wasser verläßt den Festbettreaktor 1 über Leitung 14 und wird dem Festbettreaktor 2 zugeführt. Der Festbettreaktor 2 wird in derselben Weise betrieben wie der Festbettreaktor 1. Anschließend wird das Wasser über Leitung 15 abgezogen und dem Festbettreaktor 3 zugeleitet, der ebenfalls in derselben Weise betrieben wird. Durch diese Kaskadenschaltung der Festbettreaktoren wird eine besonders weitgehende Reinigung des Wassers erreicht. Das gereinigte Wasser wird schließlich über Leitung 16 aus der Anlage abgeleitet.

Eine besonders hohe Reinigungsleistung der beschriebenen Reinigungsanlage wird dadurch erreicht, daß das Abwasser oder Trinkwasser mit einer Strömungsgeschwin­ digkeit von ca. 100 m/h durch die Festbettreaktor 1, 2 und 3 hindurchgeleitet wird. Aufgrund dieser extrem hohen Strömungsgeschwindigkeit kommt es zu einer Selektion eines sehr festsitzenden hochaktiven Biofilms in den Festbetten 3, 4, 5 und 6. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit am Biofilm sorgt außerdem für eine extrem schnelle Grenzflächenerneuerung, verbunden mit einer erheblichen Erhöhung der Umsatzgeschwindigkeit.

Eine weitere Steigerung der Reinigungsleistung wird dadurch erreicht, daß die Festbettreaktoren 1, 2 und 3 jeweils unter einem Überdruck von ca. 1,5 bar betrieben werden.

Nachstehend sind Zahlenangaben für ein Auslegungsbeispiel zur Reinigung eines schwach mit Nitratstickstoff und Feststoffen verunreinigten Abwassers angegeben:

Claims (7)

1. Verfahren zur biologischen Reinigung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser oder Abwasser, wobei die Flüssigkeit mit auf einer Trägeroberfläche immobilisierter Biomasse in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Trägeroberfläche und der Flüssigkeit eine Relativgeschwindigkeit von ca. 50 bis ca. 250 m/h hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mit einer relativen Strömungsgeschwindigkeit von ca. 50 bis ca. 250 m/h an der Trägeroberfläche entlang geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 50 bis ca. 250 m/h durch ein Festbett mit immobilisierter Biomasse hindurchgeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in einem Reaktor mit der auf der Trägeroberfläche immobilisierten Biomasse in Kontakt gebracht wird, in dem ein Überdruck von mindestens 1 bar erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägeroberfläche mineralische Stoffe, insbesondere Sand, Kies, Blähton, Lava oder Zeolithe, verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägeroberfläche, synthetische Materialien, insbesondere Schaumstoff, Styropor oder Polyolefinkunststoffkugeln, verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägeroberfläche im wesentlichen planare Teilchen mit einer Dicke von ca. 5 µm bis ca. 1.500 µm, vorzugsweise ca. 15 µm bis ca. 500 µm, und einer Fläche von ca. 5 mm² bis ca. 1.000 mm² verwendet werden.