DE19624429A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen biologischen und biochemischen Aufbereitung von Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen biologischen und biochemischen Aufbereitung von Wasser, vorzugsweise von mechanisch vorgereinigtem Abwasser oder aufzubereitendem Ober­ flächenwasser, unter Einsatz eines geeigneten gasförmigen Mediums zur aeroben oder anaeroben Behandlung des Wassers in einem Bioreaktor mit Trägersubstanzen für eine Festbettbiologie.

Nach der EP 0 227 081 B1 ist ein Verfahren bekannt, nach dem das Sauerstoffangebot in einem geschlossenen Tropf­ körper unter Druck einerseits entsprechend des stromabwärts rieselnden Wassers und andrerseits zur Fortsetzung einer biologischen Feinreinigung in der Weise gesteuert wird, daß sowohl das Sauerstoffangebot im Gasraum des Tropfkörpers trotz laufender Zehrung durch Niveauregelung konstant gehalten, als auch mit Hilfe von Messung des gelösten Sauerstoffs im Wasser der Betriebsruck im Gasraum und damit die Sauerstofflöslichkeit im Wasser durch Druckregelung so angepaßt werden, daß trotz des biologischen Bedarfs in dem Wasser hinter dem Tropfkörper ausreichend gelöster Sauer­ stoff als Depot für die biologische Feinreinigung in der Filterstufe zur Verfügung steht.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß ständig eine konstante Menge von Wasser dem unter Druck stehenden Tropfkörper zugeführt werden muß, um die volle Funktions­ fähigkeit des Tropfkörpers zu gewährleisten und eine maximal mögliche Lösung von Sauerstoff in Wasser zu erreichen.

Eine konstante Zuführung von mechanisch gereinigtem Wasser kann jedoch nicht in jedem Fall vorausgesetzt werden, folglich muß nach diesem Verfahren ein großer Teil des Wassers in Rezirkulation gefahren werden und nur der Anteil des Wassers, der der wirklichen Zulaufmenge entspricht, wird aus dem unter Druck stehenden Tropfkörper in die nachfolgende Feinreinigung eingeführt. Das bedeutet, daß ein unter Druck stehender Tropfköper im Normalfall mit Mischwasser beaufschlagt wird.

Darüber hinaus weist das in die Feinreinigung eingeführte Wasser noch ein Sauerstoffdepot auf, das jedoch bedingt durch die Verfahrensdurchführung keinen definierten oder steuerbaren Wert hat. Damit werden biologische Folge­ schritte, beispielsweise wie die Denitrifikation, erschwert oder unmöglich gemacht. Auch die wirksame Oberfläche für die Sauerstoffaufnahme des Wassers ist durch die Oberfläche der Tropfkörperelemente festgelegt und damit begrenzt. Dadurch ist die maximal mögliche Raumbelastung dieser Anlagen begrenzt.

Eine Vergrößerung der Oberfläche der Tropfkörperelemente hätte zur Folge, daß die Durchtrittsquerschnitte für das zu behandelnde Wasser kleiner werden. Kleinere Durchtritts­ querschnitte würden aber dazu führen, daß diese bei der Ausbildung des biologischen Rasens zuwachsen, was zu strömungstechnischen Problemen führt.

Weiterhin hat sich als sehr nachteilig erwiesen, daß infolge der notwendigen Rezirkulation und der damit verbundenen Mischwasserbeaufschlagung keine eindeutig definierten Zonen biologischer Aktivitäten im unter Druck stehenden Tropfkörper festgelegt werden. Damit ist die Verfahrensführung zur Abgrenzung zwischen C-Biologie und Stickstoffbilanz nicht beherrschbar.

Darüber hinaus arbeiten Anlagen nach diesem Verfahren durch die notwendige Rezirkulation der Wassermenge, die über­ wiegend größer ist als die Zulaufmenge, mit einem sehr hohen Energieaufwand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren verfügbar zu machen, mit dem der biologische und biochemische Abbau von Belastungen in mechanisch vorge­ reinigtem Wasser intensiviert wird und die biologischen Prozesse in einem Bioreaktor gezielt eingestellt werden können. Darüber hinaus soll gesichert werden, daß bei aeroben Prozessen kein Sauerstoff im Wasser enthalten ist, der für nachfolgende Prozesse nicht beherrschbar oder steuerbar ist und daß die zur Durchführung des Verfahrens genutzte Anlage mit einem minimalen Energiebedarf betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem das zugeführte Wasser einen Bioreaktor von oben nach unten durchströmt und bei dem den durchströmenden Wasserstrom in Schwerefeldrichtung eine Geschwindigkeits­ verteilung aufgezwungen wird, die den Wasserstrom gleich­ mäßig verteilt und wirbelfrei durch die verschiedenen Höhenebenen der sich in der Trägersubstanz zwangsläufig ausbildenden biologischen Zonen führt, und bei dem entgegen der Fließrichtung des Wasserstroms ein feinblasig aufsteigendes gasförmiges Medium geführt wird, und bei dem der nicht im Wasser in Lösung gegangene Anteil des gas­ förmigen Mediums im Kopfteil des Reaktors ein Gaspolster ausbildet, dessen Volumen durch eine vorbestimmte Lage der Wasseroberfläche im Reaktor bestimmt wird, die das Gas­ polster gegenüber den aktivem Teil des Reaktors abgrenzt.

Die Erfindung macht gleichermaßen eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens verfügbar. Diese zeichnet sich dadurch aus, daß im Kopfteil des Reaktors in einem Abstand unterhalb der Zuführungsleitung des mechanisch gereinigten Wassers ein Verteilersegment angeordnet ist und im unteren Teil des Reaktors im Bereich zwischen der Trägersubstanz und dem gereinigten Wasser ein Begasungselement vorgesehen ist, welches das gasförmige Medium gegen die Strömungs­ richtung des Wasserstroms in den Reaktor einführt und das Verteilersegment so angeordnet und ausgebildet ist, daß das Verteilersegment dem Wasserstrom eine im Reaktor verteilte Strömungsgeschwindigkeit aufzwingt, mit der eine durch die aufsteigenden Gasblasen hervorgerufene innere Strömung im Reaktor aufgehoben ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch dieses Verfahren und die Vorrichtung ist gewähr­ leistet, daß auch bei schwankenden Zulaufmengen von mechanisch vorgereinigtem Wasser zum Bioreaktor eine maximale Lösung von Sauerstoff in Wasser gesichert ist. Vielmehr mit der Zuführung des gasförmigen Mediums als aufsteigende Gasbläschen, zu dem im Gegenstrom von oben nach unten strömenden mechanisch vorgereinigtem Wasser und der Ausbildung des konstant gehaltenen Gaspolsters im Kopfteil, entspricht die in Lösung gegangene Gasmenge genau den für die biologischen Prozesse erforderlichen Bedarf. Folglich weist das in die Feinreinigung eingeleitete Wasser ein Sauerstoffdepot auf, das einen eindeutig definierten und damit steuerbaren Wert hat. Die biologischen Folgeschritte, wie beispielsweise die Denitrifikation sind somit problemlos beherrschbar. Das bedeutet, daß der biologische Abbau der einzelnen Belastungsarten eindeutig steuerbar ist und daß die für die biologischen Prozesse notwendigen Inhaltsstoffe in der erforderlichen Konzen­ tration zur Verfügung stehen.

Darüber hinaus ist die Sauerstoffaufnahme durch das Wasser optimal gestaltet. Vielmehr die mögliche maximale Raum­ belastung ist bei der verfügbaren Aufwuchsfläche für den biologischen Rasen wesentlich größer als bei bekannten Tropfkörpern.

Auch werden eindeutig definierbare Zonen biologischer Aktivität festgelegt, so daß die Abgrenzung zwischen C-Biologie und Stickstoffbilanz voll beherrschbar ist. Der Abbau der Belastungen durch Kohlenwasserstoff-C-Bio­ logie ist damit so steuerbar, daß das Verhältnis der einzelnen Belastungsarten optimal gestaltet ist, beispiels­ weise bleibt der notwendige Anteil Kohlendioxid, der in Wasser gelöst ist, für die Nitrifikation und die erforder­ lichen C-Donatoren für die Denitrifikation erhalten.

Die nach diesem Verfahren arbeitenden Anlagen, benötigen nur die Energie, die für das Fördern der ankommenden Wassermenge gegen den Betriebsdruck der Anlage notwendig ist. Damit sind diese Anlagen mit einem geringen Energie­ aufwand zu betreiben.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der beige­ fügten Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht wird.

Die Zeichnung zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Bioreaktors zur Durchführung des Verfahrens.

Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem aufrecht­ stehenden geschlossenen und unter Druck stehenden Behälter, der als Reaktor 1 ausgebildet ist, einem Verteiler­ segment 3, einem Begasungselement 18, einer Träger­ substanz 19 für eine Festbettbiologie, einem Stutzen 17 für die Zufuhr eines gasförmigen Mediums 8 sowie dem Gasabzugs­ stutzen 12 zum Abzug von überschüssigen gasförmigen Medium 8 und einer Steuereinheit und Regeleinheit 21.

Im Kopfteil 24 des Reaktors 1 ist mittig ein Verteiler­ segment 3 angeordnet, das in der Verlängerung der Mittelachse des Zulaufes 2 liegt. Das Verteilersegment 3 ist, in diesem speziellen Beispiel, als Kegelstumpf ausgebildet, dessen Kegelstumpfdurchmesser 25 gleich oder kleiner dem Durchmesser des Zulaufes 2 ist und der Kegelwinkel ist so festgelegt, daß die Kegelfläche dem zugeführten Wasser 7 in Schwerefeldrichtung eine Geschwindigkeitsverteilung aufzwingt, die sich vom inneren größten Durchmesser des Reaktors 1 in Richtung der Achse des Reaktors 1 gleichmäßig verringert.

Unter dem Verteiler 3 ist eine Zone für ein Reservoir des zu behandelnden Wassers 7 ausgebildet, dem sich der Bereich für die eingebrachte Trägersubstanz 19 für eine Festbett­ biologie anschließt. Unterhalb der Trägersubstanz 19 ist das Begasungselement 18 angeordnet, über das ein auf­ steigendes gasförmiges Medium 8 im Gegenstrom in das von oben nach unten strömende Wasser 7a feinblasig eingeführt wird. An das Begasungselement 18 schließt sich in Strömungsrichtung des zu behandelnden Wassers 7a der Sammelraum für das biologisch gereinigte Wasser 11 an, aus dem das biologisch gereinigte Wasser 11 über ein vorzugs­ weise mittig liegenden Ablauf 5 abgeführt wird, in dem sich ein Druckhalteventil 6 befindet.

Die Lage der Wasseroberfläche 22 im Reaktor 1 wird durch eine kombinierte Steuereinheit und Regeleinheit 21 vorbestimmt und konstant gehalten. Diese ist zu einem über die Leitung 13 mit dem Gasabzugsstutzen 12 im Kopfteil 24 des Reaktors 1 und zum anderen über die Leitung 13a mit einem am Reaktor angeordneten Stutzen 23 verbunden, der vorzugsweise im Bereich des Wasserreservoirs des mechanisch vorbehandelten Wassers 7 liegt.

Darüber hinaus ist die kombinierte Steuereinheit und Regeleinheit 21 einerseits mit einer Abluftleitung 15 ausgebildet und andrerseits über eine Leitung 10 mit der Zuführungsleitung 20, die in den Zuführungsstutzen 18 für das Begasungselement 18 mündet, verbunden. In der Leitung 10 ist eine Gaspumpe 16 angeordnet.

Für die Durchführung des Verfahrens wird der unter atmos­ phärischen Druck stehende Reaktor 1 bei eingestelltem Druckhalteventil 6 mit Wasser über den Zulauf 2 angefüllt. Zu diesem Zeitpunkt ist die auf Automatik geschaltete Steuereinheit und Regeleinheit 21 zur Abtastung der Lage der Wasseroberfläche 22 geöffnet. Wird durch das angefüllte Wasser die vorbestimmte Lage der Wasseroberfläche 22 im Reaktor 1 erreicht, schließt die Steuereinheit und Regel­ einheit 21. Mit dem Schließen wird die im Reaktor 1 befindliche Luft komprimiert, bis der am Druckhalteventil 6 eingestellte Betriebsdruck erreicht ist. Danach wird über das Begasungselement 18 ein gasförmiges Medium 8 unter einem Druck zugeführt, der größer als der Betriebsdruck im Reaktor 1 ist, und dessen Menge den Anteil übersteigt, der unter diesen Bedingungen im Wasser lösbar ist.

Der nicht im Wasser gelöste Anteil des gasförmigen Mediums 8 tritt in das so ausgebildete Gaspolster 4 über und vergrößert das Volumen. Mit der Vergrößerung des Volumens sinkt die Wasseroberfläche 22 auf die mit der Steuereinheit und Regeleinheit 21 vorbestimmte Lage.

Mit dem Einstellen der vorbestimmten Lage der Wasserober­ fläche 22 ist der Betriebszustand der Vorrichtung erreicht.

Nach Erreichen des Betriebszustandes wird über den Zulauf 2 mechanisch vorgereinigtes Wasser 7 dem Reaktor 1 über das Verteilersegment 3 zugeführt. Infolge der Ausbildung des Verteilers 3 erfährt das Wasser 7 in Schwerefeldrichtung eine erzwungene Geschwindigkeitsverteilung, in deren Folge das zu behandelnde Wasser 7a gleichmäßig verteilt und wirbelfrei durch die biologischen Zonen 9a; 9b; 9c strömt, die sich nach einer bestimmten Betriebsdauer der Vorrichtung ausbilden. Im Gegenstrom zu dem von oben nach unten strömenden Wasser 7 steigt das über das Begasungs­ element 18 zugeführte gasförmige Medium 8 auf.

Mögliche aufwärts gerichtete Geschwindigkeitskomponenten in dem äußeren Bereichen und abwärts gerichtete Geschwindig­ keitskomponenten im axialen Bereich des Reaktors 1, die durch das aufsteigende gasförmige Medium infolge fehlender Strömungskomponenten die quer zum Gasstrom gerichtet sind hervorgerufen werden könnten, und die für eine Ausbildung von definierten biologischen Zonen 9a; 9b, 9c unerwünscht sind, werden durch die erzwungene Geschwindigkeitsver­ teilung in Schwerefeldrichtung des durchströmenden Wassers 7a kompensiert. Vielmehr durch die erzwungene unterschied­ liche Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden Wassers 7a im aktiven Teil des Reaktors 1, die sich von der Innen­ wand zur Achse des Reaktors 1 gleichmäßig verringert, wird ein gleichmäßig verteiltes und wirbelfreies Durchströmen des Wasser 7a durch die biologischen Zonen 9a; 9b, 9c erzwungen.

Die Bläschengrößen des aufsteigenden gasförmigen Mediums 8 werden durch die Austrittsöffnungen des Begasungselementes 18 bestimmt und so festgelegt, daß eine maximale Oberfläche zwischen dem durchströmenden Wasser 7a und dem gasförmigen Medium 8 gebildet wird. Darüber hinaus wird durch die Bläschen eine Turbulenz im Mikrobereich verursacht, die eine Intensivierung der Aktivitäten des biologischen Rasens in den biologischen Zonen 9a; 9b; 9c bewirken.

Die nicht in Lösung gegangenen Anteile des aufsteigenden gasförmigen Mediums 8 sammeln sich im Gaspolster 4. Wird das Volumen des Gaspolsters 4 durch das nicht in Lösung gegangene gasförmige Medium 8 überschritten und damit die festgelegte Lage der Wasseroberfläche 22 verändert, öffnet die Steuereinheit und Regeleinheit 21 und der das Volumen des Gaspolsters 4 übersteigende Anteil wird abgezogen.

Im Fall, daß als gasförmiges Medium 8 reiner Sauerstoff eingesetzt wird, ist das Gas rein, weil alle Reaktions­ produkte, wie insbesondere Kohlendioxid als Produkt für die C-Biologie und Nitrat als Produkt der Nitrifikation, im Wasser gelöst bleiben. Folglich wird in diesem Fall das aus dem Gaspolster 4 abgezogene überschüssige Gas über die Leitung 10 und die Gaspumpe 16 in die Gaszuführungsleitung 20 zum Begasungselement 18 wieder eingeführt.

Im Fall, daß für die Prozeßführung im Reaktor 1 nur eine Komponente eines gasförmigen Mediums 8 vorgesehen ist, wie beispielsweise atmosphärische Luft zur Durchführung aerober Prozesse, ist eine Rückführung des abgezogenen Überschusses aus dem Gaspolster 4 nicht möglich, wenn die Löslichkeit der für den Prozeß vorgesehenen Komponente wesentlich größer ist als die Löslichkeit der anderen Komponente, wie es z. B. zwischen Luftsauerstoff für aerobe Prozesse und Stickstoff der Fall ist. Bei einem solchen Anwendungsfall wird der abgezogene Überschuß aus dem Gaspolster 4 über die Abluftleitung 15 an der Steuereinheit und Regeleinheit 21 ins Freie abgeleitet.

Claims (12)

1. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen und biochemischen Aufbereitung von Wasser, vorzugsweise von mechanisch vorgereinigtem Abwasser oder aufzubereitendem Oberflächenwasser, unter Einsatz eines geeigneten gasförmigen Mediums zur aeroben oder anaeroben Behandlung des Wassers in einem Bioreaktor mit Träger­ substanzen für eine Festbettbiologie, dadurch gekennzeichnete daß das zugeführten Wasser (7) den Reaktor (1) von oben nach unten durchströmt und dem durchströmenden Wasserstrom (7a) in Schwerefeldrichtung eine Geschwindigkeitsverteilung aufgezwungen wird, die den Wasserstrom gleichmäßig verteilt und wirbelfrei durch die verschiedenen Höhenebenen der sich in der Trägersubstanz (19) zwangsläufig ausbildenden biologischen Zonen (9; 9a; 9b) führt und daß entgegen der Fließrichtung des Wasserstroms (7a) ein feinblasig aufsteigendes gasformiges Medium (8) geführt wird und der nicht im Wasser (7a) in Lösung gegangene Anteil des gasförmigen Mediums (8) im Kopfteil (24) des Reaktors (1) ein Gaspolster (4) ausbildet, dessen Volumen durch eine vorbestimmte Wasseroberfläche (22) im Reaktor (1) bestimmt wird, die das Gaspolster (4) gegenüber dem aktiven Teil des Reaktors (1) abgrenzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Gaspolsters 4 in Abhängigkeit der Lage der Wasseroberfläche (22) geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnete daß der Anteil des nicht in Lösung gegangenen gas­ förmigen Mediums (8), der das Volumen des Gaspolsters (4) übersteigt aus dem Reaktor (1) abgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das abgezogene gasförmigen Mediums (8) dem gas­ förmigen Medium (8) wieder zugeführt wird, das in Ergänzung des in Lösung gegangenen gasförmigen Mediums (8) in den Reaktor (1) eingeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer aeroben Behandlung des Wassers (7a) als gasförmiges Medium (8) reiner Sauerstoff zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer aeroben Behandlung des Wassers (7a) als gasförmiges Medium (8) atmosphärische Luft zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer aeroben Behandlung des Wassers (7a) als gasförmiges Medium (8) eine mit Sauerstoff angereicherte Luft zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer anaeroben Behandlung dem Wassers (7a) als gasförmiges Medium (8) ein die anaerobe Behandlung unter­ stützendes Gas zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmiges Medium (8) ein Gasgemisch zugeführt wird, dessen prozentuale Gasbestandteile nach den davon abhängigen Partialdrücken im Reaktor (1) in der Weise bestimmt werden, daß der prozentuale Anteil der einzelnen Gase, der im Wasser in Lösung übergeht, prozentual gleich ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem als Bioreaktor ausgebildeten Reaktor mit einer Trägersubstanz für eine Festbettbiologie und einer an der Oberseite des Reaktor vorgesehenen Zuführungsleitung zur Einführung des vorgereinigten Wasser, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Kopfteil des Reaktors (1) in einem Abstand unterhalb der Zuführungsleitung (2) ein Verteilersegment (3) angeordnet ist und im unteren Teil des Reaktors (1) im Bereich zwischen der Träger­ substanz (19) und gereinigtem Wasser (11) ein Begasungs­ element (18) vorgesehen ist, welches das gasförmige Medium (8) gegen die Strömungsrichtung des Wasserstroms (7a) in den Reaktor (1) einführt und das Verteiler­ segment (3) so angeordnet und ausgebildet ist, daß das Verteilersegment (3) dem Wasserstrom eine im Reaktor (1) verteilte Strömungsgeschwindigkeit aufzwingt, mit der eine durch die aufsteigenden Gasblasen hervorgerufene innere Strömung im Reaktor (1) aufgehoben ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktors (1) über einen Gasabzugsstutzen (12) und einen Stutzen (23) mit einer Steuereinheit und Regel­ einheit (21) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gasabzugsstutzen (12) über eine Verbindungsleitung (10; 13) und einer zugeordneten Pumpe (16) mit der Zuführungsleitung (20) des Begasungs­ elementes (18) verbunden ist.