DE19737926C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung des biologischen und chemischen Abbaus von biologisch schwer abbaubaren Schadstoffen in wäßrigen Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von wäßrigen Flüssigkeiten, insbesondere Industrieabwässern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 und eine entsprechende Anlage.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufbereitung von in wäßrigen Flüssigkeiten enthaltenen Schadstoffen, die biolo­ gisch schwer abbaubar sind, z. B. Farbstoffen, Pestiziden, oder toxischen Substanzen.

Es ist üblich, derartige wäßrige Flüssigkeiten z. B. Indu­ strieabwässer oder Deponiesickerwässer mit einer Kombinati­ on aus biologischem Abbau und chemischer Oxidation zu behandeln, um die gesetzlich vorgeschriebenen Einleitwerte in den Vorfluter für den CSB zu erreichen.

Es ist bekannt, die Schadstoffe im Wasser durch Zugabe von Ozon, Wasserstoffperoxid und/oder UV-Strahlung in zu reini­ gendes Abwasser nach/oder vor einer biologischen Klärung weitgehend zu oxidieren und so den chemischen Sauerstoffbe­ darf zu reduzieren. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß auch biologisch abbaubare Produkte der chemischen Oxidation weiter oxidiert werden, wodurch der Verbrauch an Oxidationsmitteln erhöht wird. Das hat zur Folge, daß zur Sicherstellung einer weitgehenden Oxidation relativ viel Oxidationsmittel verbraucht wird.

Weiter ist bekannt, die in wäßrigen Flüssigkeiten enthalten­ den Inhaltsstoffe in einem Bioreaktor weitgehend abzubauen und hinter dem Bioreaktor eine Ozonung zwecks Oxidation vorzunehmen. Dabei wird die Ozonung so vorgenommen, daß nur eine Anoxidierung der schwerabbaubaren Schadstoffe durch die Ozonung erfolgt, das heißt eine Umwandlung bzw. Aufspal­ tung der Schadstoffe in biologisch zugängliche Verbindun­ gen. Die so behandelten wäßrigen Flüssigkeiten werden dann einer nachgeschalteten biologischen Abbaustufe zugeführt, wo ein weiterer biologischer Abbauprozeß stattfindet. Die in der ersten biologischen Stufe nicht abgebauten Substan­ zen werden hier nach der chemischen Teiloxidation biolo­ gisch weitgehend abgebaut.

Des weiteren ist bekannt, daß der aus dem Bioreaktor ausge­ schleuste und in einem chemischen Reaktor mit chemischen Oxidationsmitteln oder UV-Strahlung behandelte Flüssigkeits­ strom wieder in den Bioreaktor zurückgeführt wird. Gleich­ zeitig wird aus dem Bioreaktor behandelte Flüssigkeit entnommen und in den Vorfluter oder in eine weitere Behand­ lungsstufe abgeleitet. Diese Menge entspricht der Menge, die zeitlich als nichtbehandelte Flüssigkeit in den Bioreak­ tor kontinuierlich eingeleitet wird. Die kontinuierliche Betriebsführung von Bioreaktor und Oxidationsreaktor ist mit Nachteilen behaftet.

So liegt im Bioreaktor bei den erforderlichen höheren mittleren Verweilzeiten eine nahezu vollständige Durchmi­ schung vor, sodaß ein Teil der zulaufenden Flüssigkeit schon nach kurzer Zeit wieder den Ablauf erreicht. In diesem Anteil der Flüssigkeit sind die Schadstoffe weitge­ hend nicht abgebaut worden. Andere Anteile der Flüssigkeit verbleiben viel zu lange im Bioreaktor, da der mögliche Abbau der Schadstoffe längst erfolgt ist.

Die gleichen Nachteile weist auch der kontinuierlich durch­ strömte Oxidationsreaktor auf, da er in den bekannten Verfahrenskombinationen ebenfalls nahezu vollständig durch­ mischt ist.

Um eine größere Abbaurate zu erreichen, kann die Menge der über den Oxidationsreaktor geleiteten Flüssigkeit zwar erhöht werden, jedoch führt dies zu einem erhöhten Ver­ brauch an Oxidationsmitteln und daher zu erhöhten Betriebs­ kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum biologischen und chemischen Abbau von biologisch schwer abbaubaren Schadstoffen in wäßrigen Flüssigkeiten zu schaf­ fen, bei dem auf wirtschaftliche Art und Weise von mit Schadstoffen belastete wäßrige Flüßigkeiten gezielt gerei­ nigt werden und beliebige Reinigungsgrade einstellbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Erfindungsgemäß wird der Bioreaktor semikontinuierlich und der Oxidationsreaktor als Batch-Reaktor betrieben und für die Steuerung der Prozeßparameter als Steuergröße der ge­ messene TOC-Wert im Zulauf oder Ablauf des Bioreaktors ein­ gesetzt.

Im semikontinuierlichen Betrieb des Bioreaktors können die Betriebsparameter so gewählt werden, daß die oben genannten Nachteile des kontinuierlich betriebenen, nahezu vollständig durchmischten Reaktors vermieden werden.

Entnommener Teilvolumenstrom und Zeitabstand zwischen den Entnahmevorgängen und Ableitungen z. B. zur Prozeßwassernut­ zung oder zur weiteren Aufbereitung bzw. zur Einleitung können so eingestellt werden, daß der biologische Abbau sich dem reaktionstechnisch günstigsten Batch-Prozeß nähert.

Ebenso ist es möglich, sowohl die ausgeschleuste Menge als auch die Zeit zwischen den Ausschleusungen zu variieren.

Diese Variablen, nämlich die ausgeschleusten Mengen bzw. die Zeit zwischen den Ausschleusungen richten sich nach den in der zu behandelnden Flüssigkeit oder im Ablauf gemes­ senen TOC-Werten und der Abbaukapazität des Bioreaktors.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiter vor, daß ein Teilstrom des Bioreaktorinhalts in einen Batch-Reaktor überführt, die biologisch zuvor nicht abbaubaren Schadstof­ fe mit einem Oxidationsmittel anoxidiert und der Batch-Reak­ torinhalt wieder in den Bioreaktor zurückgeleitet wird. Um einen unnötigen Verbrauch an Oxidationsmitteln zu vermei­ den, wird der Teilstrom durch Filtration von Bakterienfloc­ ken befreit. Die biologisch schwer oder nicht abbaubaren Schadstoffe in der wäßrigen Flüssigkeit werden im Batch-Re­ aktor unter Einwirkung der chemischen Oxidationsmittel gerade soweit anoxidiert, daß sie im Bioreaktor weiter ab­ gebaut werden können. Eine vollständige Oxidation der Schad­ stoffe zu deren Abbau ist nicht notwendig.

Als ein chemisches Oxidationsmittel ist Ozon vorzüglich geeignet.

Die gemessenen TOC-Werte und die Abbaukapazität des Bioreak­ tors bestimmen die Zeitabstände zwischen den einzelnen Füllungen des Batch-Reaktors und die Verweilzeit im Batch- Reaktor. Sowohl die Zeitabstände zwischen den einzelnen Füllungen, als auch die Verweilzeit im Batch-Reaktor sind variabel einstellbar. Wesentlich bei der variablen Einstel­ lung der vorgenannten Parameter ist, daß die Anoxidation der Schadstoffe ausreichend für den nachfolgenden biologi­ schen Abbau ist und die chemischen Oxidationsmittel im Batch-Reaktor nahezu vollständig verbraucht werden. Mitge­ schleppte Oxidationsmittel in den Bioreaktor können dessen Wirkung stark beeinflussen. Es ist von Vorteil, noch vorhan­ dene Oxidationsmittel vor Eintritt der Flüssigkeit aus den Batch-Reaktor in den Bioreaktor zu zerstören.

Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einen Bioreaktor und einem Batch-Reaktor für die chemische Oxidation, sowie einem Sensor zur Messung des TOC-Wertes am Zufluß bzw am Auslauf der zu reinigenden wäßrigen Flüssig­ keit und einer Steuer- und Regeleinheit, die unter Verwen­ dung der ermittelten TOC-Werte die Aufenthaltsdauer der wäßrigen Flüssigkeit im Bioreaktor und die Zeitabstände zur Füllung des Batch-Reaktors und die Aufenthaltsdauer der Flüssigkeit im Batch-Reaktor festlegt.

Durch diese Variationsmöglichkeiten kann eine flexible Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an verschiedene Bedingungen der Klärung bei unterschiedlicher Belastung der zu behandelnden wäßrigen Flüssigkeiten erfolgen.

Neben der Verwendung zur Verarbeitung von Abwässern kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Wiederaufbereitung von Prozeßwasser bzw. Kreislaufwasser eingesetzt werden.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Reinigung von organisch kontaminier­ tem Grundwasser.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.

Wie aus der Zeichnung zu entnehmen ist, besteht die Vorrich­ tung aus einem Bioreaktor 1 mit einem Zulauf 2, in dem der Sensor 3 zur Messung der TOC-Werte angeordnet ist. Die gemessenen Werte im Sensor 3 werden im Rechner 4 zu Steu­ ergrößen für den Verfahrensablauf umgewandelt.

Ein Teil des Inhalts des Bioreaktors 1 wird semikontinuier­ lich durch Anstellen der Pumpe 5 in eine nachgeschaltete Aufbereitungsanlage abgepumpt. Nach Abstellen der Pumpe 5 wird die Pumpe 6 angestellt und die abgelassene Menge im Bioreaktor 1 durch unbehandelte Flüssigkeit über Rohrlei­ tung 2 eingeschleust. Das An- und Abstellen der Pumpen 5, 6 erfolgt über Impulse aus der Steuerung 4.

Des weiteren erfolgt in bestimmten Zeitabständen das Anlassen der Pumpe 7, die Flüssigkeit aus dem Bioreaktor 1 unter Zwischenschaltung einer Filtration 8 zum Entfernen von Schwebstoffen in den Batch-Reaktor 9 pumpt. Ist der Batch-Reaktor 9 gefüllt, wird die Pumpe 7 abgestellt und ein chemisches Oxidationsmittel, z. B. Ozon in den Batch-Re­ aktor 9 eingeschleust. Sowohl das Anstellen als auch das Ab­ stellen der Pumpe 7 erfolgt über Impulse aus der Steuerung 4. Zur Verbesserung der Vermischung von Flüssigkeit und Ozon im Batch-Reaktor 9 wird der Inhalt mit einem Rührer 10 vermischt. Ebenso kann das Ozon durch eine nicht gezeigte Fritte feinblasig in die Flüssigkeit eingeleitet werden.

Das Ozon wird in einem Ozongenerator 11 aus Sauerstoff erzeugt. Die Erzeugung des Ozons im Ozongenerator 11 erfolgt nach Öffnen des Ventils 12 für eine Sauerstoffzufuhr. Das Öffnen und Schließen des Ventils 12 erfolgt ebenfalls über Impulse aus der Steuerung 4. Nachdem eine dem gemessenen TOC-Wert angepaßte Menge an Ozon in den Batch-Reaktor 9 eingeleitet worden ist, wird das Ventil 12 geschlossen. Hat sich das in den Batch-Reaktor 9 eingeleite­ te Ozon durch Anoxidation der Schadstoffe weitgehend umge­ setzt, wird über die Steuereinheit 4 das Ventil 13 geöffnet und der Inhalt des Batch-Reaktors 9 in den Bioreaktor 1 zurückgeführt und dort biologisch weiterbehandelt. Das Ventil 13 wird nach Entleerung geschlossen und der Batch-Re­ aktor 9 steht für eine neue Befüllung bereit. Zur Sicherung der Flora im Bioreaktor 1 kann dem Batch-Reaktor 9 eine Anlage zur Ozonvernichtung nachgeschaltet werden, doch soll der Betrieb so geführt werden, daß das Oxidationsmittel im Batch-Reaktor vollständig verbraucht wird.

Entsprechend der Belastung der Flüssigkeit mit Schadstoffen kann die Pumpe 7 nach einem variablen Zeitintervall wieder durch einen Impuls aus der Steuerung 4 angeschaltet werden und den Batch-Reaktor 9 erneut füllen.

Das aus dem Batch-Reaktor 9 austretende Gas, ein Gemisch aus Sauerstoff und einer geringen Ozonmenge kann vor den Ablaß in die Atmosphäre in einem Ozonvernichter von Ozonre­ sten durch Zersetzung befreit werden.

Anstelle der TOC-Messung im Zulauf 2 kann diese auch im Ablauf des Bioreaktors 1 mit Hilfe eines Sensors 15 erfol­ gen.

Claims (14)

1. Verfahren zum biologischen Abbau von biologisch schwer abbaubaren Schadstoffen in wäßrigen Flüssigkeiten unter Anwendung eines chemischen Oxidationsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor semikontinuierlich und der Oxidationsreaktor als Batch-Reaktor betrieben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bioreaktor periodisch ein Teilvolumen des Inhalts entnommen, in eine nachgeschaltete Aufbereitungsanlage abgelassen und durch ein gleichgroßes Teilvolumen von unbehandelter wäßriger Flüssigkeit ersetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das entnommene und abgelassene Teilvolumen aus dem Bioreaktor variabel und die Zeitabständen, zwischen den Entnahmen und Auffüllungen konstant gehalten werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabstände zwischen den Entnahmen von Teilvolu­ mina aus dem Bioreaktor variabel und die entnommenen Teilvo­ lumina aus dem Bioreaktor konstant gehalten werden.

5. Verfahren nach mindestens einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die entnommenen Teilvolu­ mina als auch die Zeitintervalle zwischen den Entnahmen von Flüssigkeit aus dem Bioreaktor variabel gehalten werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom der Flüssigkeit des Bioreaktors in den Batch- Reaktor abgelassen, die Schadstoffe mit chemischen Oxidati­ onsmitteln anoxidiert und der Teilstrom wieder in den Bioreaktor eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabständen, zwischen den Füllungen des Batch-Re­ aktors variabel gewählt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 6 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oxidationszeit im Batch-Reaktor variabel gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einen der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Zeitabstände zwischen den Füllungen des Batch-Reaktors als auch die Oxidationszeit im Batch-Reaktor variabel gewählt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einen der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an chemischen Oxidationsmitteln im Batch-Reaktor so gewählt wird, daß sie nahezu vollständig verbraucht werden.

11. Verfahren nach mindestens einen der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß stetig oder periodisch der TOC-Wert im Zulauf zum Bioreaktor gemessen und als Steuer­ größe für die Prozeßsteuerung eingesetzt wird.

12. Verfahren nach mindestens einen der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß stetig oder periodisch der TOC-Wert im Ablauf des Bioreaktors gemessen und als Steuer­ größe für die Prozeßsteuerung eingesetzt wird.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenig­ stens einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen im Zulauf (2) des Bioreaktors (1) angeordneten Sensor (3) zur Messung des TOC-Wertes der zugeführten wäßrigen Flüssigkeit, eine die mengenmäßige und/oder zeitlich semi­ kontinuierlich abgeführte Flüssigkeitmenge aus dem Bioreak­ tor (1) in die nachgeschaltete Aufbereitungsanlage und die Zeitabstände zur Füllung des Batch-Reaktors (9) und die Auf­ enthaltsdauer der Füllung im Batch-Reaktor (9) unter Berück­ sichtigung der gemessenen TOC-Werte regelnden Steuerein­ heit (4).

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenig­ stens einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen im Ablauf (16) des Bioreaktors (1) angeordneten Sensor (15) zur Messung des TOC-Wertes der abgeführten wäß­ rigen Flüssigkeit, eine die mengenmäßige und/oder zeitlich semikontinuierlich abgeführte Flüssigkeitmenge aus dem Bio­ reaktor (1) in die nachgeschaltete Aufbereitungsanlage und die Zeitabstände zur Füllung des Batch-Reaktors (9) und die Aufenthaltsdauer der Füllung im Batch-Reaktor (9) unter Be­ rücksichtigung der gemessenen TOC-Werte regelnden Steuerein­ heit (4).