DE19709384C1 - Verfahren zur Abwasserreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung durch Verwendung von Mirkoorganismen, wobei im Abwasser Schwingungen im Frequenzbereich bis 40 kHz mit einer zur Entstehung von Kavitation geeigneten Leistung bis 50 W/l erzeugt werden.

Bei konventionellen Abwasseranlagen werden die Schadstoffe meist direkt mit den Mikroorganismen in Kontakt gebracht. Dadurch kommt es zwangsläufig nach einer längeren Betriebszeit zu Stofftransportinhibierungen und damit zu einem eingeschränkten Stoff­ wechsel der Mikroorganismen. Die Folge davon sind verminderte Abbauleistungen, be­ zogen auf den theoretisch möglichen Stoffumsatz. Das trifft sowohl für Abwasseranlagen mit freien Mikroorganismen als auch für solche Anlagen zu, bei denen die Mikroorganismen auf Trägern immobilisiert oder als Flocken aggregiert sind.

Dabei beziehen sich die Stoffwechselinhibierungen sowohl auf die im Metabolismus aufzunehmenden Stoffe wie Substrat und Sauerstoff (nur bei aerober Abwasserreinigung) als auch die ausgeschiedenen Stoffe wie Endprodukte und Kohlendioxid. Diese Inhi­ bierungsreaktionen sind auf Stofftransportbeschränkungen der Substanzen zurückzu­ führen.

Innerhalb einer Mikroorganismenpopulation liegen immer in unterschiedlichen Anteilen lebende, aktive Mikroorganismen und abgestorbene, inaktive Mikroorganismen sowie Mikroorganismen in Übergangszuständen vor. Dadurch können die am Stoffwechsel beteiligten Stoffe nicht ungehindert von der Mikroorganismenzelle aufgenommen bzw. abgegeben werden. Die Folge davon sind die erwähnten Inhibierungseffekte. Zu einer Limitierung der Abbauleistungen kann es auch durch die Aggregation der Schadstoffpartikel kommen, so daß der Zugang der Mikroorganismen an die Schadstoffe erschwert oder verhindert wird.

In OS DE 23 38 842 wird ein Sonobioaerationsverfahren zum Behandeln von Flüssigkeit, organische Feststoffe und aerobe Organismen enthaltenden Abwassers vorgeschlagen, bei dem dem Abwasser in Anwesenheit von Luft Ultraschallenergie zugeführt wird, um die Flüssigkeitsteilchen zu verkleinern und die verkleinerten Flüssigkeitsteilchen mit Luft zu umgeben, aus der den aeroben Organismen Sauerstoff zur Verwertung in der bio­ chemischen Oxidation zur Verfügung gestellt wird, durch welche die aeroben Organismen die organischen Feststoffe in eine beständigere Form überführen. Der Flüssigkeit wird Ultraschallenergie mit einer Frequenz im Bereich von 10 bis 100 kHz zugeführt.

In PS DE 24 55 633 wird ein Verfahren zum Abtöten von Keimen im Abwasser durch Ozon und Ultraschall nach mechanischer und chemischer Entfernung von Verunreinigungen vorgestellt, bei dem man durch Schallenergie im Bereich wirksamer Ozonkonzentrationen Kavitationen im Abwasser erzeugt, wobei das abströmende Abwasser Zonen mit steigender Ozonkonzentration und Schallenergie durchläuft. Die Schallbehandlung wird hier bei zwei verschiedenen Frequenzen durchgeführt, wobei die niedrigere Frequenz nicht über 30 kHz liegt und die andere Frequenz mindestens doppelt so hoch ist.

In der OS DE 42 04 607 wird ein Verfahren zum Aufschluß belasteter Abläufe und/oder Rohwässer in einer Abwasserreinigungsanlage beschrieben, bei dem die belasteten Abläufe und/oder Rohwässer aus einem Sammelbehälter in ein Reaktionsgefäß gegeben und dort mittels suspendierter und/oder an Trägermaterial immobilisierter Mikroorganismen umgesetzt werden, wobei in den Abläufen und/oder Rohwässern im Sammelbehälter und/oder Reaktionsgefäß elektrisch und/oder mechanisch erregte Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 12 und 40 kHz mit einer zur Entstehung von Kavitation geeigneten Leistung von 3 bis 50 W/l erzeugt werden. Dadurch kommt es zur Kavitation der Partikel und zum verbesserten Stoffabbau. Nachteilig bei allen bisher bekannten Verfahren, bei denen die Anwendung von Schwingungen vorgeschlagen werden, ist die Tatsache, daß mit permanent oder periodisch beaufschlagten Schwingungen die Kavitäten auch bei den für die Effizienz so wichtigen biologisch aktiven Flocken eintrifft und es somit zur Zerkleinerung der Flocken bis zur Vereinzelung von Mikroorganismen kommt.

Damit aber verschlechtert sich die Wirksamkeit der Abwasserreinigungsanlage erheblich. Praktische Umsetzungen dieser Vorschläge im industriellen Maßstab sind deshalb bis heute nicht bekannt.

In einem anderen Verfahren EP 0341280 B1 wird vorgeschlagen, daß die Schadstoffe aus einem Fluid (Wasser oder Luft) beim Vorbeiströmen an einem Polymer von diesem aufgenommen werden, um von dort periodisch oder kontinuierlich durch kritisches oder überkritisches Kohlendioxid und/oder durch Mikroorganismen entfernt zu werden. Bei diesen oder ähnlichen vorgeschlagenen Verfahren stellen sich nach kurzer Betriebszeit Inhibierungszustände des Stoffwechsels der Mikroorganismen ein, die insbesondere bei Abwässern mit höherer Schadstoffbeladung zu starken Abbaureduzierungen bis hin zum vollständigen Zusammenbruch des Systems führen. Aus konventionellen Abwasseranlagen mit Kunststoffträgerelementen ist bekannt, daß bei zu geringen Hohlraumabmessungen bei der konstruktiven Ausführung dieser Elemente ein vollständiges Zuwachsen und damit ein extremer Abbauleistungsrückgang eintritt. Bei dem in der Literatur vorgeschlagenen Verfahren würde es unmittelbar nach dem Anfahren der Anlage zum Zuwachsen der Polymere kommen und ein Schadstoffabbau wäre nicht mehr möglich. Deshalb hat auch dieses Verfahren bislang keine industrielle Anwendung finden können.

In der PS DE 35 42 599 wird ein Verfahren zur Abtrennung von schwer wasserlöslichen und leicht flüchtigen Substanzen aus einem Abgas- bzw. Abluftstrom vorgeschlagen, bei dem die aus der Gasphase zu entfernenden Stoffe zunächst an einer chemisch und biologisch inerten permeablen Membran, die nach Art eines Plattenwärmetauschers aus einzelnen verstärkten Membranen aufgebaut ist, sorptiv gebunden werden. Diese Membran wird wechselseitig mit Abluft bzw. mit Nährsalzlösung, die mit Mikroorganismen angeimpft ist, durchströmt und die Abluftinhaltstoffe werden von Mikroorganismen verwertet, die direkt an der Membran siedeln.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Anwendung von Membranen im Zusammenhang mit Schadstoffabbau deshalb auf die Abluftreinigung beschränkt, da es sich in diesen Fällen um geringere Schadstoffkonzentrationen handelt, die das Zuwachsen der Membranen verzögern.

Auch bei diesem Verfahren wird das Problem der Stofftransportlimitierung für den Metabolismus der Mikroorganismen sowohl bei der Stoffaufnahme als auch bei der Stoff­ abgabe nicht berücksichtigt. Unzureichende Abbauleistungen solcher Anlagen sind auch hier die Folge. Wie bei den anderen beschriebenen Verfahren hat dieses Verfahren deshalb bislang keine industrielle Anwendung finden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur biologischen Abwas­ serreinigung zu schaffen, bei dem einerseits eine optimale Versorgung der schadstoff­ abbauenden Mikroorganismen möglich und andererseits die Stofftransportbeschränkungen der Stoffaufnahme und Stoffabgabe der Mikroorganismen beseitigt werden.

Das Wesen der Erfindung beruht darauf, daß Mikroorganismen auf einer Seite einer Membran immobilisiert werden von der gleichen Seite aus die Versorgung der Mikroorganismen mit Sauerstoff erfolgt. Die Nährstoffversorgung erfolgt von der anderen Membranseite aus über das dort vorbeigeführte Abwasser.

Durch eine dosierte, periodische Beaufschlagung mit Ultraschall im Größenbereich einer Frequenz von 20 kHz und einer Leistung von 20-50 W werden inaktive, abgestorbene Mikroorganismenzellen von der Membranfläche entfernt, wohingegen die aktiven, lebenden Mikroorganismen an der Membran haften bleiben. Gleichzeitig wird ein Zusetzen der dem Abwasser zugewandten Membranseite und die damit verbundene Stofftransportbeein­ trächtigungen durch die Ultraschallbeaufschlagung als Folge von Kavitation verhindert. Die Intensität der Ultraschallbeaufschlagung ist nach der Art und Belastung des Abwassers zu wählen. Sie darf nicht so hoch sein, daß es zum Ablösen größerer Mengen lebender Zellen kommt oder gar eine Abtötung der Mikroorganismen zur Folge hat. Zweckmäßigerweise erfolgt die Regulation über die Dauer des Ultraschallintervalls.

In der Zeichnung ist eine mögliche Ausführung des Verfahrens schematisch dargestellt. Die Bestandteile sind in der Legende zusammengefaßt und werden nachfolgend als Ausführungsbeispiel 1 beschrieben:

Als Membran (5) wurde eine Kapillarmembran aus Polyethersulfon mit einer Trenngrenze von 20 000 Dalton, einer maximalen Permeatleistung von 50-80 l/hm², einem maximalen Druck von 4 bar und einer maximalen Temperatur von 80°C eingesetzt.

Durch die Membran wird ein schadstoffhaltiges Abwasser gefördert. Das Abwasser (Kreislauf 2) wird idealerweise im Kreislauf (6) gepumpt. Von der Membran werden die Schadstoffe (7) des Abwassers aufgenommen.

Auf der Außenseite einer rohrförmigen Membran werden Mikroorganismen (z. B. Pseudomonas diminuta) immobilisiert, die einen abbaufähigen Biofilm (4) ausbilden. Im Kreislauf 1 (3) befindet sich vorzugsweise eine mineralische Nährlösung, die den Biofilm umspült und ggf. mit zusätzlichen Nährstoffen versorgt. Die mit Sauerstoff angereicherte Nährlösung (3) versorgt die aeroben Mikroorganismen des Biofilms mit dem notwendigen Sauerstoff.

Die von der Membran (5) aufgenommenen Schadstoffe diffundieren durch die Membran zu deren Grenzfläche, auf der der Biofilm (4) sitzt, und können dort gezielt von den schadstoffabbauenden Mikroorganismen aufgenommen werden. Diese Mikroorganismen metabolisieren die Schadstoffe. Dabei bilden sie auch Biomasse, in Form von neuen Mikroorganismen. Bei gut abbaubaren Schadstoffen, z. B. Aceton, Alkohole, nimmt die Biofilmdicke sehr schnell zu. Im Biofilm (4) befinden sich die Mikroorganismen in unterschiedlichen physiologischen Zuständen. Durch die Beaufschlagung des Biofilmes mit Ultraschall kann Einfluß auf die Zusammensetzung des Biofilmes und dessen Schichtdicke genommen werden. Hauptsächlich inaktive und schlecht an der Membran haftende Mikroorganismen (8) können mittels dosiertem Ultraschall aus dem Biofilm entfernt werden, so daß dieser trotz Biomassebildung weitgehend seine aktive Schichtdicke beibehält. Einem unkontrollierbaren und spontanen Ablösen des Biofilmes vom Träger und dem damit verbundenen Verlust an Reinigungsleistung kann somit vorgebeugt werden. Die abgelösten überschüssigen, inaktiven Mikroorganismen können aus der Nährlösung herausgefiltert werden.

Eine Ultraschallbeaufschlagung des Biofilmes wirkt sich letztlich positiv auf die Reinigungsleistung aus.

Ausführungsbeispiel 2

Die in Ausführungsbeispiel 1 beschriebene Anlage wird für die Reinigung eines sehr nährstoffreichen Abwassers (z. B. Catering-Unternehmen) verwendet. In diesem Fall würde die Biofilmbildung so stark sein, daß es zum Zusetzen der Membran kommt. Für derartige Abwässer wird die Ultraschallbeaufschlagung von 30 bis 35 W für 5 bis 7 min in Intervallen von 5 bis 10 min vorgenommen, so daß es auch zur Ablösung physiologisch aktiver Mikroorganismen kommt und so die Trennleistung der Anlage erhalten bleibt. Auf diese Weise wird ein zu starkes Aufwachsen des Biofilms vermieden.

Ausführungsbeispiel 3

Das Ausführungsbeispiel 3 bezieht sich auf ein Abwasser mit relativ geringem Verschmutzungsgrad. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Ausführungsbeispiel 1 be­ schriebene Anlage so modifiziert, daß das Abwasser durch ein aus Membranen bestehendes Lamellensystem strömt. Die Leistung des Ultraschall beträgt für diese Anwendungen etwa 30 W. Um eine Zerstörung des relativ dünnen Biofilms zu vermeiden, wird eine Ultraschallbehandlung von 1 min in Intervallen von 15 bis 20 min gewählt. Dadurch wird gewährleistet, daß sich ein leistungsfähiger, aktiver Biofilm stabil halten kann.

Claims (8)

1. Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung durch Verwendung von Mikro­ organismen, wobei im Abwasser Schwingungen im Frequenzbereich bis 40 kHz mit einer zur Entstehung von Kavitation geeigneten Leistung bis 50 W/l erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen getrennt vom Abwasserstrom auf der Seite einer Membran immobilisiert werden, auf der ihre Versorgung mit Sauerstoff erfolgt, daß die Mikroorganismen durch die Membran hindurch mit Nährstoffen aus dem Abwasserstrom versorgt werden, und daß die Membran über dosierte, periodische Beaufschlagung mit Ultraschall von abgestorbenen, inaktiven Mikroorganismen gereinigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall im Größen­ bereich einer Frequenz von 20 kHz und einer Leistung von 20 bis 50 W/l verwendet wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Membranen eingesetzt werden, die einen optimalen Schadstofftransport zum Biofilm er­ möglichen.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kreislauf (1) zum verbesserten Aufwachsen der Mikroorganismen spezielle Nährstoffkompo­ nenten zugeführt werden.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (1) zusätzlich mit Sauerstoff begast wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die inaktiven Mikroorganismen aus dem Kreislauf (1) entfernt werden.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (2) Stufe einer mehrstufigen gleichartigen oder andersartigen Abwasserreinigungs­ anlage ist.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (2) Bestandteil eines Biowäschers/Biotropfkörpers ist.