DE19749411C1 - Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Wasserreinigung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Wasserreinigung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Wasserreinigung nach der Patentanmeldung 197 34 759.2-44.
In der Hauptpatentanmeldung wird - bei einem Verfahren zur biologischen Wasserreinigung, wobei in einem Bioreaktor gereinigtes Wasser von der Biomasse mittels mehrerer Membranmodule abgetrennt wird, wobei das Wasser von dem Bioreaktor durch die Membran in einen Innenraum permeiert und aus diesem abgezogen wird - vorgeschlagen, daß jeweils mindestens bei einem Membranmodul die Membran entgegen der Permeatrichtung von einem Gas durchströmt wird, während bei den übrigen Membranmodulen das gereinigte Wasser von dem Bioreaktor durch die Membran in den Innenraum permeiert und daß innerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnittes in jedem der Membranmodule einmal die Membran entgegen der Permeatrichtung von Gas durchströmt wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der Hauptpatentanmeldung ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bioreaktor, der einen Wasserzulauf und einen Ablauf für gereinigtes Wasser aufweist, mehrere Membranmodule angeordnet sind, die jeweils an einen Gasverdichter und an eine Flüssigkeitsunterdruckpumpe angeschlossen sind und daß Mittel vorgesehen sind, um wechselweise die einzelnen Membranmodule mit Gas zu beaufschlagen oder über die Membranmodule gereinigtes Wasser aus dem Bioreaktor abzusaugen. Es sind also mehrere, mindestens zwei Membranmodule in dem Bioreaktor derart angeordnet, daß immer mindestens ein Membranmodul entgegen der Permeatrichtung von einem Gas durchströmt wird, während die übrigen Membranmodule das gereinigte Wasser permeieren lassen. Das in den Innenraum der Membranmodule permeierte gereinigte Wasser wird dann über eine Pumpe in dem Ablauf für gereinigtes Wasser abgesaugt. Das Gas wird aus einem Gasverdichter über Leitungen zu dem Membranmodul geführt und tritt dort in Form von feinen Gasbläschen in das zu reinigende Wasser aus. Je nachdem, ob es sich um eine aerobe oder um eine anaerobe Wasserreinigung handelt, wird als Gas ein sauerstoffhaltiges Gas, wie z. B. Luft (bzw. reiner Sauerstoff) oder ein sauerstoffarmes oder sauerstofffreies Gas, z. B. Biogas (Methan-Kohlendioxid-Gemisch) oder Kohlendioxid zur Anwendung kommen. Kohlendioxid fällt bei einer anaeroben Wasserreinigung ohnehin an, so daß es genügt, einen Teil des entstehenden Gases zu verdichten und zum Rückspülen der Membranen zu verwenden. Um sicherzustellen, daß in den Membranmodulen eine Rückspülung mit Gas stattfindet, während in den Membranmodulen der Permeationsvorgang stattfindet, sind Mittel vorgesehen, die eine wechselseitige Beaufschlagung der Membranmodule mit Gas und ein Absaugen von gereinigtem Wasser durch die Membranmodule ermöglichen. Dies können beispielsweise Ventile in der Leitung von dem Gasverdichter zu den Membranmodulen und im Saugbereich des Ablaufs für gereinigtes Wasser sein.
Dadurch, daß das Gas nicht außen die Membran tangential anströmt, sondern die Poren der Membranen entgegen der Permeatrichtung durchströmt, genügt eine sehr geringe Gasmenge, um ein Biofouling zu verhindern. Die Menge der die Membran durchströmenden Luft (bzw. des durchströmenden CO2) wird erfindungsgemäß nicht mehr von der Tendenz der Membran zum Biofouling, sondern vom Gesamtsauerstoffbedarf, den die Belebungsstufe benötigt, bestimmt. Dadurch arbeitet die Kläranlage mit der optimal benötigten Sauerstoffmenge und damit auch mit einem minimalen Energiebedarf.
Gemäß der Hauptpatentanmeldung wird in einer zeitlichen Reihenfolge von einigen Minuten nacheinander jedes der Membranmodule einmal im Gegenstrom von Gas durchströmt, während die übrigen Membranmodule das gereinigte Wasser permeieren lassen. Die zeitliche Reihenfolge hängt von verschiedenen Faktoren, insbesondere von der Rate des Biofoulings an den Membranen ab.
In der vorliegenden Anmeldung wird vorgeschlagen, die vorteilhaften Eigenschaften des Verfahrens und der Vorrichtung auf weitere Anwendungen zu erstrecken. Diese können beispielsweise eine anaerobe Abwasserreinigungsanlage oder eine Oberflächenwasserreinigungsanlage sein. Deshalb wird nachfolgend bewußt statt des Begriffs "Bioreaktor" der Begriff "Rohwasserbehälter" gewählt.
Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren vorgesehen, daß jeweils mindestens bei einem Membranmodul die Membran entgegen der Permeatrichtung von einer Flüssigkeit durchströmt wird, während bei den übrigen Membranmodulen das gereinigte Wasser von dem Rohwasserbehälter durch die Membran in den Innenraum permeiert und daß innerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnittes in jedem der Membranmodule einmal die Membran entgegen der Permeatrichtung von Flüssigkeit durchströmt wird.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Flüssigkeit eine Reinigungslösung ist.
Vorteilhaft ist, daß die Reinigungslösung eine desinfizierende Wirkung hat.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß, daß die Flüssigkeit zum Einstellen des pH-Wertes in dem Rohwasserbehälter dient.
Eine Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß die Flüssigkeit Natronlauge ist.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß die Flüssigkeit eine Chlorverbindung enthält.
Erfindungsgemäß ist auch, daß die Flüssigkeit über die Membranmodule in einen anaeroben Bereich des Rohwasserbehälters einbringbar ist.
Zweckmäßig ist auch, daß das zu reinigende Wasser in dem Rohwasserbehälter schlaufenförmig zirkuliert.
Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, daß die Druckdifferenz beidseits der Membranen mittels einer Flüssigkeitspumpe variiert wird.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß die Flüssigkeit geringe Mengen (ca. 2 bis 20 g/m3) von Adsorbentien und/oder Filterhilfsmitteln enthält.
Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in einem Rohwasserbehälter, der einen Wasserzulauf und einen Ablauf für gereinigtes Wasser aufweist, mehrere Membranmodule angeordnet sind, die jeweils an eine Flüssigkeitspumpe und an eine Flüssigkeitsunterdruckpumpe in dem Ablauf für gereinigtes Wasser angeschlossen sind und daß Mittel vorgesehen sind, um wechselweise die einzelnen Membranmodule mit Flüssigkeit zu beaufschlagen oder über die Membranmodule gereinigtes Wasser aus dem Rohwasserbehälter abzusaugen.
Dabei ist es erfindungsgemäß, daß der Rohwasserbehälter aus einem Außen- und einem Innenbehälter besteht.
Eine Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß im unteren Teil des Innenbehälters eine Pumpe angeordnet ist.
Schließlich ist es vorteilhaft, daß der Rohwasserbehälter in Form einer externen Schlaufe mit einem zweiten Behälter mit einer Denitrifikationsstufe verbunden ist.
Die Vorteile der Erfindung bestehen im wesentlichen darin, daß das Rückspülen der Membranen die Desinfektion auch mittels einer Flüssigkeit erfolgen kann, wobei in bestimmten Anwendungsfällen durch die Rückspülflüssigkeit eine Einstellung des pH-Wertes in dem Rohwasserbehälter erfolgen kann.
Wird, insbesondere in zweistufigen anaeroben Wasserreinigungsvorrichtungen, eine pH-Wert­ regulierende Flüssigkeit, wie Natronlauge, durch die Membranen in den Rohwasserbehälter eingebracht, so wird durch den im Membranbereich extrem hohen pH-Wert ein Biofouling weitgehend vermieden.
Grundsätzlich ist auch eine Kombination des Rückspülens mit Gasen gemäß der Hauptpatentanmeldung und dem Rückspülen mit Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Anmeldung denkbar.
Im folgenden wird eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Rohwasserbehälters,
Fig. 2 eine geschnittene Darstellung eines Membranmoduls,
Fig. 3 eine geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Schlaufenreaktors,
Fig. 3.1 eine geschnittene Darstellung eines Membranmoduls zu einem Schlaufenreaktor gemäß Fig. 3,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gesamtanlage.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Rohwasserbehälter 9 dargestellt, der einen Wasserzulauf 1 und einen Ablauf 6 für gereinigtes Wasser aufweist. Das gereinigte Wasser wird durch eine poröse Membran 3 aus der Belebungsstufe 4 entfernt und dabei die Biomasse durch die Membran 3 zurückgehalten. Eine größere Anzahl von Membranen 3 ist zu Membranmodulen 2b zusammengefaßt.
Es sind also mehrere, mindestens zwei Membranmodule 2a, 2b in dem Rohwasserbehälter 9 derart angeordnet, daß immer mindestens ein Membranmodul 2b entgegen der Permeatrichtung von einer Flüssigkeit durchströmt wird, während die übrigen Membranmodule 2a das gereinigte Wasser permeieren lassen. Das in den Innenraum der Membranmodule 2a permeierte gereinigte Wasser wird dann über eine Pumpe in Ablauf 6 für gereinigtes Wasser abgesaugt. Die Flüssigkeit wird mittels einer Pumpe 5 über Leitungen zu dem Membranmodul 2b geführt und tritt dort (Stelle 7) in das zu reinigende Wasser aus. Die Flüssigkeit kann eine Reinigungsflüssigkeit, eine Desinfektionsflüssigkeit oder eine zum Einstellen des pH-Wertes geeignete Flüssigkeit oder eine Kombination davon sein, was z. B. bei Natronlauge als Flüssigkeit der Fall ist. Natronlauge als Flüssigkeit bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß durch den extrem hohen pH-Wert im Austrittsbereich, d. h. in dem Bereich der Membranen, die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Mikroorganismen gering ist. Hierdurch wird erreicht, daß im Membranbereich wenig Biofouling vorliegt.
Um sicherzustellen, daß in den Membranmodulen 2b eine Rückspülung mit Flüssigkeit stattfindet, während in den Membranmodulen 2a der Permeationsvorgang stattfindet, sind Mittel (nicht dargestellt) vorgesehen, die eine wechselseitige Beaufschlagung der Membranmodule 2b mit Flüssigkeit und ein Absaugen von gereinigtem Wasser durch die Membranmodule 2a ermöglichen. Dies können beispielsweise Ventile in der Leitung von der Pumpe 5 zu den Membranmodulen 1 und im Saugbereich des Ablaufs 6 für gereinigtes Wasser sein.
Dadurch, daß die Flüssigkeit nicht außen die Membran 3 tangential anströmt, sondern die Poren der Membranen 3 entgegen der Permeatrichtung durchströmt, genügt eine sehr geringe Flüssigkeitsmenge.
Eine weitere Verbesserung der Reinigungswirkung kann dadurch erzielt werden, daß die Flüssigkeit geringe Mengen (ca. 2 bis 20 g/m3) von Adsorbentien (z. B. Pulveraktivkohle) und/oder Filterhilfsmitteln (beispielsweise Zeolithe oder Kieselgele) enthält. Diese Adsorbentien und/oder Filterhilfsmittel bilden auf der Außenseite der Membran eine dünne Anlagerungsschicht, welche beim Rückspülen der Membran mit Flüssigkeit abgesprengt wird. Hierdurch ergibt sich ein besseres Ablösen des auf der Anlagerungsschicht abgelagerten Biofoulings.
Erfindungsgemäß wird gemäß Fig. 1 und Fig. 2 in einer zeitlichen Reihenfolge von einigen Minuten nacheinander jedes der Membranmodule 2a, 2b einmal im Gegenstrom von Flüssigkeit durchströmt, während die übrigen Membranmodule 2a, 2b das gereinigte Wasser permeieren lassen. Die zeitliche Reihenfolge hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere vom Grad des Biofoulings.
Der Permeatfluß des gereinigten Wassers durch die Membran wird durch zwei Größen bestimmt, nämlich den Unterdruck auf der Permeatseite und den Überdruck auf der Außenseite des Membranmoduls 2, wobei letzterer gemäß Fig. 3 über die Höhe der Wassersäule 8 eingestellt werden kann. Darüber hinaus kann über eine Pumpe 13 ein zusätzlicher Staudruck erzeugt werden.

Claims (15)

1. Verfahren zur biologischen Wasserreinigung nach der Patentanmeldung 197 34 759.2-44, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens bei einem Membranmodul (2b) die Membran (3) entgegen der Permeatrichtung von einer Flüssigkeit durchströmt wird, während bei den übrigen Membranmodulen (2a) das gereinigte Wasser von dem Bioreaktor bzw. Rohwasserbehälter (9) durch die Membran (3) in den Innenraum permeiert und daß innerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnittes in jedem der Membranmodule (2a, 2b) einmal die Membran (3) entgegen der Permeatrichtung von Flüssigkeit durchströmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Reinigungslösung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine desinfizierende Wirkung hat.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit zum Einstellen des pH-Wertes in dem Bioreaktor bzw. Rohwasserbehälter (9) dient.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Natronlauge ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Chlorverbindung enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit über die Membranmodule in einen anaeroben Bereich des Bioreaktor bzw. Rohwasserbehälters (9) einbringbar ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Wasser in dem Bioreaktor bzw. Rohwasserbehälter (9) schlaufenförmig zirkuliert.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz beidseits der Membranen mittels einer Flüssigkeitspumpe (13) variiert wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit geringe Mengen (2 bis 20 g/m3) von Adsorbentien und/oder Filterhilfsmitteln enthält.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Adsorbens Pulveraktivkohle verwendet wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bioreaktor bzw. Rohwasserbehälter (9), der einen Wasserzulauf (1) und einen Ablauf (6) für gereinigtes Wasser aufweist, mehrere Membranmodule (2a, 2b) angeordnet sind, die jeweils an eine Flüssigkeitspumpe (5) und an eine Flüssigkeitsunterdruckpumpe in dem Ablauf (6) für gereinigtes Wasser angeschlossen sind und daß Mittel vorgesehen sind, um wechselweise die einzelnen Membranmodule (2a, 2b) mit Flüssigkeit zu beaufschlagen oder über die Membranmodule (2a, 2b) gereinigtes Wasser aus dem Bioreaktor bzw. Rohwasserbehälter (9) abzusaugen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor bzw. Rohwasserbehälter (9) aus einem Außen- und einem Innenbehälter besteht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil des Innenbehälters eine Pumpe (13) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor bzw. Rohwasserbehälter (9) in Form einer externen Schlaufe (12) mit einem zweiten Behälter mit einer Denitrifikationsstufe (10) verbunden ist.
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