DE19753326A1

DE19753326A1 - Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Abwässern

Info

Publication number: DE19753326A1
Application number: DE19753326A
Authority: DE
Inventors: Berthold Guender
Original assignee: Individual
Current assignee: Guender Berthold Dr-Ing 72793 Pfullingen De
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 1998-07-30

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur biologischen Reinigung von kommunalen oder gewerblichen Abwässern nach den Oberbegriffen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 10.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden eingesetzt, um die Abwässer beispielsweise von Gemeinden, Streusiedlungen, Einzelgehöften oder Industriebetrieben zu reinigen.

Zur biologischen Reinigung von Abwässern wird häufig das Belebungsverfahren eingesetzt. Hierbei erfolgt die biologische Reinigung der Abwässer durch suspendierte Mikroorganismen, welche im Belebungsbecken durch Einblasen von Luft mit Sauerstoff versorgt und gleichzeitig in Schwebe gehalten werden. Die Mikroorganismen werden durch Sedimentation in der Nachklärung vom gereinigten Abwasser abgetrennt und im System gehalten. Das gereinigte Abwasser wird erneut dem Wasserkreislauf zugeführt.

Die Abtrennung des belebten Schlammes in der Nachklärung ist bei den bisher eingesetzten häufig unvollständig. Dadurch gelangen noch Schwebstoffe in den Ablauf und verschlechtern die Ablaufwerte erheblich. Auch können Krankheitserreger wie Keime und Viren nicht zurückgehalten werden.

Aus der DE-OS 44 15 637 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Klärung und Aufbereitung von Waschwässern aus Fahrzeugwaschanlagen bekannt. Bei diesem biologischen Reinigungsverfahren erfolgt der Rückhalt der Mikroorganismen durch Sedimentation im Nachklärbecken. Ein Nachteil dieses Verfahren besteht darin, daß sich dieses Verfahren als aufwendig erweist, da die Nachklärbecken viel Platz in Anspruch nehmen und außerdem das Erstellen dieser Becken teuer ist. Darüber hinaus ist die Reinigung nicht ausreichend gründlich, so daß das in den Wasserkreislauf zurückgeführte Wasser häufig nur als Brauchwasser schlechter Qualität verwendet werden kann.

Aus dem Stand der Technik (DE-OS 44 12 890) sind außerdem ein biologisches Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser, insbesondere aus einem Kompostierungsprozeß, bekannt. Der Reinigungsprozeß findet hierbei in einem Bioreaktor statt. Zum Rückhalt der Mikroorganismen im Bioreaktor wird das Wasser anschließend gefiltert, insbesondere ultragefiltert. Die hierzu notwendigen Drücke liegen in einem Bereich von 5 bis 10 bar. Die Trennung der Mikroorganismen von dem gereinigten Wasser wird durch eine Membran mit geeigneter Porengröße ermöglicht. Zur Belüftung wird das Gemisch mit Sauerstoff begast und umgerührt. Als nachteilig erweist sich bei diesem Verfahren, daß ausgehend von den hohen Drücken, eine entsprechende Pumpleistung notwendig ist, welche das Verfahren wiederum teuer und aufwendig gestaltet. Außerdem ist zur Belüftung und Umwälzung des Gemischs durch Begasung mit Sauerstoff eine Belüftungsanlage notwendig, was die Kosten für das Verfahren und die Vorrichtung ebenfalls erhöht.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Demgegenüber haben das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Abwässern den Vorteil, daß die Abtrennung des Belebtschlammes vom gereinigten Abwasser mit Hilfe einer Membran erfolgt und dies im Bereich eines niederen Druckes stattfindet. Das an der Membran zurückgehaltene Retentat, welches die Mikroorganismen enthält, wird in den Behälter zurückgeführt. Dies bewirkt nicht nur eine Umwälzung und Belüftung des Gemischs sondern führt auch dazu, daß in dem Gemisch stets eine hohe Anzahl an Mikroorganismen vorhanden ist. Aufgrund dieser Form der Abtrennung können Belebtschlammkonzentrationen von bis zu 25 g pro Liter erreicht werden. Durch die geeignete Wahl des Porendurchmessers der Membran, beispielsweise 0,2 µm, wird vollständig feststofffreies und keimfreies Wasser erreicht. Aufgrund der hygienischen Qualität eignet sich dieses Wasser zur direkten Wiederverwendung. Auf diese Weise können die Abwässer privater Haushalte oder gewerblicher oder industrieller Nutzer auch an dezentralen Standorten biologisch vollständig gereinigt werden. Die Wiederverwendung des gereinigten Abwassers als Brauchwasser im Haushalt in Industrie und Gewerbe ist ohne weitere Aufbereitungsschritte möglich. Nicht benötigtes Brauchwasser kann aufgrund der sehr guten Qualität entweder direkt versickert werden oder in einen Vorfluter abgeleitet werden.

Vorteilhafterweise wird die Umwälzung und Belüftung des Gemischs dadurch erreicht, daß das an der Membran zurückgehaltene Retentat als Tauchstrahl in das im Behälter enthaltene Gemisch aus Abwasser und Belebtschlamm zurückgeführt wird. Die Belüftung und Umwälzung durch einen von oben in das Gemisch eintretenden Flüssigkeitsstrahl ist einfach und kostengünstig beispielsweise durch ein entsprechendes nach unten geführtes Rohr zu erzielen. Zur Vergrößerung des Sauerstoffüberganges kann der Flüssigkeitsstrahl noch aufgeweitet werden. Zusätzliche Vorrichtungen, wie beispielsweise Belüftungssysteme oder Rührwerke, sind nicht notwendig.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 besteht aus einer Membran und einer Pumpe zum Ansaugen des Gemisches aus dem Behälter und Zuleiten zu der Membran. Das an der Membran zurückbleibende Retentat wird als Tauchstrahl in den Behälter zurückgeführt und dient der Belüftung und Umwälzung des Gemischs. Außerdem ist eine Leitung vorgesehen, mit welcher das Permeat aus der Vorrichtung entnommen und beispielsweise dem Wasserkreislauf erneut zugeführt werden kann. Diese Vorrichtung kann als kompaktes System mit kleinen räumlichen Abmessungen, einfacher Bedienung und zuverlässiger Funktion zur Verfügung gestellt werden. Es läßt sich auch in bereits bestehende Behälter zur Reinigung von Abwässern nach dem Belebungsverfahren einbauen. Aufgrund seines einfachen Aufbaus ist es in Herstellung und im Betrieb kostengünstig. Es eignet sich daher auch insbesondere zur Reinigung von Abwässern in dezentralen Siedlungen oder Betrieben.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit Hilfe von Pumpen an der Membran eine Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite und eine Überströmung der Membran erzeugt. Diese Druckdifferenz bewirkt, daß das Gemisch aus Abwasser und Belebtschlamm in Richtung der Membran angesaugt wird und die Anteile des Gemisches, welche eine entsprechende Größe aufweisen, durch die Membran hindurchtreten können.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Druckdifferenz durch eine das Gemisch aus dem Behälter ansaugende und der Membran zuführende Pumpe erzeugt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Kreiselpumpe handeln. Andere Pumpen, wie beispielsweise Kolbenpumpen, sind jedoch ebenfalls möglich. Das an der Membran zurückbleibende Retentat wird nach unten umgelenkt und als Tauchstrahl in das Gemisch eingeleitet und sorgt somit für dessen Belüftung und Umwälzung.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Druckdifferenz durch eine das Permeat an der Membran absaugende Permeatextraktionspumpe unterstützt. Diese Pumpe erhöht die für die Filtration erforderliche Druckdifferenz und beschleunigt den Permeatabzug. Auch hier können wiederum verschiedene Pumpentypen zum Einsatz kommen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Druckdifferenz durch Flüssigkeitsspiegeldifferenzen unterstützt. So kann beispielsweise eine für den Ablauf des Permeats vorgesehene Leitung auf eine bestimmte Höhe unterhalb des Flüssigkeitsniveaus des Gemischs aus Abwasser und Belebtschlamm im Behälter geführt werden. Je nach Höhendifferenz und daraus resultierender Druckdifferenz kann auf die Permeatextraktionspumpe verzichtet werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Denitrifikation der in den Behälter zurückgeführte Tauchstrahl unterhalb des Flüssigkeitsniveaus des Behälters eingeleitet. Auf diese Weise wird das Gemisch aus Belebtschlamm und Abwasser nicht mit Luft und damit nicht mit Sauerstoff angereichert, wie wenn der Tauchstrahl von oben auf die Oberfläche des Gemischs auftrifft. Für die Mikroorganismen des Belebtschlamms ist der Sauerstoff jedoch lebensnotwendig. Ist in dem Gemisch selbst nicht ausreichend Sauerstoff vorhanden, so entziehen die Mikroorganismen den im Gemisch vorhandenen Stickoxiden den Sauerstoff, was zu einer Umwandlung der Stickoxide in Stickstoff führt. Dieser Vorgang wird als Denitrifikation bezeichnet. Der Stickstoff tritt als Gas aus dem Gemisch aus.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Denitrifikation der Behälter luftdicht verschlossen. Auf diese Weise gelangt ebenfalls nur eine geringe Menge Sauerstoff in das Gemisch, was aus den oben genannten Gründen zu einer Umsetzung der Stickoxide durch die Mikroorganismen führt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum intermittierenden Betrieb zwischen Nitri- und Denitrifikation der Behälter abwechselnd geöffnet und geschlossen. Bei geöffnetem Behälter ist für die Mikroorganismen ausreichend Sauerstoff vorhanden, so daß keine Umsetzung von Stickoxiden stattfindet. In dieser Phase werden überwiegend andere Verunreinigungen abgebaut. Bei geschlossenem Deckel findet dagegen die Umsetzung der Stickoxide statt.

Zum intermittierenden Betrieb zwischen Nitri- und Denitrifikation werden verschiedene Einheiten aus Pumpe und Membran nacheinander betrieben. In der Denitrifikationsphase wird eine Einheit betrieben, die nur zu einer Umwälzung und nicht zu einer Belüftung führt. In der Nitrifikationsphase wird eine Einheit betrieben, die zur Umwälzung und Belüftung führt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Behälter nur zu Beginn und während der Denitrifikation mit Abwasser beschickt. Das während der Nitrifikation zufließende Abwasser wird außerhalb des Behälters zwischengespeichert. Die Zugabe des Abwassers in den Behälter erfolgt damit diskontinuierlich. Zur Zwischenspeicherung kann ein Speicherbehälter vorgesehen sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur biologischen Reinigung von kommunalen oder gewerblichen Abwässern weist eine Membran zum Filtern des Gemischs aus Abwasser und Belebtschlamm und eine Pumpe zum Absaugen des Gemischs aus dem Behälter und zum Zuleiten des Gemischs zu der Membran auf. Zur Unterstützung der Druckdifferenz an der Membran kann eine weitere Pumpe, eine sogenannte Permeatextraktionspumpe, vorgesehen sein, die das Permeat aus der Membran ansaugt. Diese Vorrichtung kann als komplette Einheit wahlweise in einen bereits vorhandenen Behälter zum Mischen von Abwässern und Belebtschlamm eingesetzt oder an der Außenseite des Behälters angeordnet werden. Ein Eintauchen der Vorrichtung in den Behälter ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Behälter in den Boden integriert ist. Eine Permeatextraktionspumpe kann dann entweder direkt an der Membran angebracht sein oder extern installiert werden. Das Anordnen der Vorrichtung außerhalb des Behälters bietet sich insbesondere dann an, wenn der Behälter seitlich frei zugänglich ist. In beiden Fällen ist es von Vorteil, die aus Pumpen und Membran bestehende Einheit vertikal anzuordnen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Deckel zum Verschließen des Behälters vorgesehen. Der Deckel weist eine öffenbare Klappe auf. Zur Denitrifikation des Abwassers wird die Klappe an dem Deckel geschlossen. Durch abwechselndes Öffnen und Schließen der Klappe kann die Vorrichtung intermittierend zwischen Denitrifikation und Nitrifikation betrieben werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Zwischenspeicher vorgesehen, in welchem das Abwasser bei intermittierendem Betrieb zwischen Nitri- und Denitrifikation während der Nitrifikation speicherbar ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Steuerung vorgesehen, welche die Vorrichtung in Abhängigkeit von der Höhe des Flüssigkeitsniveaus im Behälter oder in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Zeit in den Betriebszustand versetzt oder den Betriebszustand beendet. Die Niveausteuerung wird beispielsweise durch eine Schwimmerschaltung erreicht. Bei Abwasserzulauf steigt der Flüssigkeitsspiegel im Behälter an. Bei einem maximalen Niveau wird die das Gemisch ansaugende Pumpe eingeschaltet und fördert das Belebtschlammgemisch über eine Membran und einen Tauchstrahl in den Behälter. Dies führt zur Umwälzung und Belüftung des Gemischs. Aufgrund der durch die Pumpen aufgebauten Druckdifferenz in der Membran findet eine Filtration statt. Die Permeatextraktionspumpe darf allerdings nur laufen, wenn auch die das Gemisch ansaugende Pumpe in Betrieb ist. Durch die Filtration und den Abtransport des gereinigten Permeats sinkt das Flüssigkeitsniveau im Behälter. Bei Erreichen eines vorgegebenen Minimalniveaus wird zunächst die Permeatextraktionspumpe und dann die das Gemisch ansaugende Pumpe ausgeschaltet. Beide Pumpen werden erneut eingeschaltet sobald das maximale Flüssigkeitsniveau infolge von Abwasserzulauf wieder erreicht ist. Sollte der Abwasserzulauf über einen längeren Zeitraum ausbleiben, so daß das maximale vorgegebene Flüssigkeitsniveau nicht mehr erreicht wird, so kann in vorgegebenen zeitlichen Intervallen dennoch die das Gemisch ansaugende Pumpe eingeschaltet werden, so daß eine Belüftung und Umwälzung des Gemischs aus Abwasser und Belebtschlamm stattfindet. Die Permeatextraktionspumpe bleibt dabei außer Betrieb. Um die Vorrichtung möglichst kostensparend zu betreiben, bietet es sich an, die Pumpen hauptsächlich nachts bei billigem Nachtstrom in Betrieb zu nehmen. Um dennoch tagsüber eine ausreichende Belüftung und Umwälzung des Gemischs aus Belebtschlamm und Abwasser zu gewährleisten, kann hier in zeitlich vorgegebenen Intervallen wiederum die das Gemisch ansaugende Pumpe eingeschaltet werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, zur Abwasserreinigung, in einem Behälter angeordnet;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, zur Abwasserreinigung, außerhalb eines Behälters angeordnet.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abwasserreinigung ist in einem Behälter 1 angeordnet. Dieser Behälter ist bis zu einem Flüssigkeitsniveau 2 mit Belebtschlamm befüllt. Über einen Abwasserzulauf 8 wird dieser Behälter mit Abwasser beschickt. Über eine Kreiselpumpe 3 wird das Gemisch angesaugt und einer Membran 4 zugeführt. Durch die Membran werden alle Partikel wie beispielsweise Bakterien, die größer sind als der Porendurchmesser der Membran, zurückgehalten. Das an der Membran zurückbleibende Retentat wird in Form eines Tauchstrahls 5 nach unten umgelenkt und dem in dem Behälter 1 vorhandenen Gemisch wieder zugeführt. Der Tauchstrahl dient der Belüftung und Umwälzung des Gemischs. Das durch die Membran hindurchtretende Permeat, welches das gereinigte Wasser umfaßt, wird über eine Leitung 6 abgeleitet und dem Wasserkreislauf über einen Permeatablauf 9 erneut zugeführt. In der Leitung 6 kann entweder unmittelbar im Anschluß an die Membran oder aber außerhalb des Behälters eine Permeatextraktionspumpe 7 vorgesehen sein. Diese unterstützt die an der Membran anliegende Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite der Membran und sorgt damit für eine effiziente Filtrierung. Die Leitung 6 kann auch unterhalb des Behälterniveaus geführt werden. Durch die Differenz der Flüssigkeitsspiegel wird eine Druckdifferenz an der Membran erzeugt. Auf den Betrieb der Permeatextraktionspumpe kann dann verzichtet werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten lediglich dadurch, daß die aus Kreiselpumpe 3, Membran 4, Tauchstrahl 5 und Leitung 6 bestehende Einheit außerhalb des Behälters 1 angeordnet ist. Auch hier kann in der Leitung 6 eine Permeatextraktionspumpe 7 vorgesehen sein. Während die in Fig. 1 dargestellte Anordnung insbesondere dann bevorzugt wird, wenn der Behälter in den Boden integriert ist, so findet die Anordnung nach Fig. 2 Anwendung, wenn der Behälter von der Seite frei zugänglich aufgestellt ist.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1

Behälter

2

Flüssigkeitsniveau

3

Kreiselpumpe

4

Membran

5

Tauchstrahl

6

Leitung

7

Permeatextraktionspumpe

8

Abwasserzulauf

9

Permeatablauf

Claims

1. Verfahren zur biologischen Reinigung von kommunalen oder gewerblichen Abwässern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Einleiten des Abwassers in einen Belebtschlamm enthaltenden Behälter (1) und Herstellen eines Gemisches aus Abwasser und Belebtschlamm,
Ansaugen des Gemisches und Weiterleiten an eine Membran (4),
Filtern des Gemisches mit Hilfe der Membran (4),
Rückführen des an der Membran (4) als Retentat zurückgehaltenen Anteils des Gemisches in den Behälter als Tauchstrahl (5) zur Belüftung und Umwälzung des Gemisches.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von Pumpen (3) an der Membran (4) eine Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite und eine Überströmung der Membran (4) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz durch eine das Gemisch aus dem Behälter (1) ansaugende und der Membran zuführende Pumpe (3) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz durch eine das Permeat an der Membran (4) absaugende Permeatextraktionspumpe (7) unterstützt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz durch Flüssigkeitsspiegeldifferenzen unterstützt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Denitrifikation der in den Behälter zurückgeführte Tauchstrahl unterhalb des Flüssigkeitsniveaus des Behälters eingeleitet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Denitrifikation der Behälter luftdicht verschlossen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum intermittierenden Betrieb zwischen Nitri- und Denitrifikation der Behälter abwechselnd geöffnet und geschlossen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) nur zu Beginn und während der Denitrifikation mit Abwasser beschickt wird, und daß das während der Nitrifikation zufließende Abwasser außerhalb des Behälters (1) zwischengespeichert wird.

10. Vorrichtung zur biologischen Reinigung von kommunalen oder gewerblichen Abwässern, welche in einem Behälter (1) mit Belebtschlamm gemischt werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
daß eine Membran (4) zum Filtern des Gemisches vorgesehen ist,
daß eine Pumpe (3) zum Absaugen des Gemisches aus dem Behälter (1) und zum Zuleiten des Gemisches zu der Membran (4) vorgesehen ist,
und daß eine Leitung (6) vorgesehen ist, die das Permeat dem Wasserkreislauf erneut zuführt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Permeatextraktionspumpe (7) vorgesehen ist, die das Permeat aus der Membran (4) ansaugt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in dem Behälter (1) anordenbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung außerhalb des Behälters (1) anordenbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Deckel zum Verschließen des Behälters vorgesehen ist, und daß an dem Deckel eine öffenbare Klappe vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Höhe variable Leitung für die Zufuhr des Tauchstrahls (5) zum Behälter (1) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung vorgesehen ist, welche die Vorrichtung in Abhängigkeit von der Höhe des Flüssigkeitsniveaus im Behälter oder in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Zeit in den Betriebszustand versetzt oder den Betriebszustand beendet.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenspeicher vorgesehen ist, in welchem das Abwasser bei intermittierendem Betrieb zwischen Nitri- und Denitrifikation während der Nitrifikation speicherbar ist.