DE19953459A1

DE19953459A1 - Reinigungssystem für Abwasserbehandlungsanlagen

Info

Publication number: DE19953459A1
Application number: DE1999153459
Authority: DE
Inventors: Norbert Schneider; Rene Brunsen
Original assignee: GVA GES fur VERFAHREN DER ABW
Current assignee: GVA GES fur VERFAHREN DER ABW
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2001-05-10

Abstract

Ein Reinigungssystem und ein Verfahren zum Reinigen einer Abwasserbehandlungsanlage umfaßt ein Filtersystem und bewegliche Festkörper, wobei die Festkörper auf der Oberfläche des Filtersystems angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reinigungssystem für Abwasserbehandlungsanla gen mit einem Filter zum Abtrennen von Feststoffen aus dem Abwasser.

Bei der biologischen Abwasserbehandlung ist es bekannt, die für die organi sche Reinigung verwandte Biomasse nach der Reinigung des Abwassers durch Sedimentation abzutrennen. Dahinter verbirgt sich das Prinzip, daß die Biomasse durch ihr Eigengewicht auf den Grund des Klärbeckens sinkt, wenn das Beckenwasser nicht bewegt wird. Das gereinigte Wasser kann dabei über den Beckenrand ablaufen, während die Biomasse auf dem Bo den des Beckens verbleibt und bei Bedarf entfernt wird.

Dieser Vorgang kann in besonderen Nachklärbecken oder auch in zeitlichem Wechsel mit der Begasung im Begasungsbecken selber erfolgen. Beide Sy steme sind mit Nachteilen verbunden. Im ersteren Fall ist ein zusätzlicher Behälter oder ein zusätzliches Becken für die Sedimentation erforderlich, während im letzteren Fall das Begasungsbecken während der Sedimen tationsphase für die Begasung nicht zur Verfügung steht. Beide Techniken funktionieren darüber hinaus nur mit einer sedimentationsfähigen Biomasse.

Die Nachteile der obigen Techniken werden bei neueren Anlagen dadurch vermieden, daß die Biomasse anstatt durch Sedimentation mittels einer Fil teranlage von dem gereinigten Wasser getrennt wird. Hierbei finden z. B. Nano-, Ultra- oder Mikrofilter Verwendung. Diese Systeme besitzen den weiteren Vorteil eines geringeren Platzbedarfs, da die Filtereinheiten im Ver gleich zu den Sedimentationsbecken nur wenig Raum beanspruchen. Dieser Vorteil wird noch gesteigert, wenn sich die Mikrofiltermembranen direkt in dem Bioreaktor befinden.

Ein weiterer Vorteil des Abtrennens der Biomasse durch Mikrofiltration be steht in dem Zurückhalten von Krankheitserregern, wie z. B. choliformen Bakterien, Viren oder Parasiten.

Allerdings haben solche Systeme den Nachteil, daß die Membranoberflä chen sehr teuer sind. Dies ist von besonderer praktischer Bedeutung, da bei einem Permeatdurchsatz von nur etwa 30 l/m² bereits sehr große Membran flächen benötigt werden.

Besonders nachteilig ist die Neigung der Membranen, auf ihren Oberflächen Verschmutzungen anzulagern, so daß sich ein Verstopfen des Filters nur schwer vermeiden läßt.

Eine Möglichkeit der Reinigung besteht in dem Erzeugen großer Scherkräfte auf den Membranoberflächen, um so die Ablagerungen abzutragen.

Bei externen Filtermembranmodulen, die im Sinne einer Querstromfiltration arbeiten, werden diese Scherkräfte dadurch initiiert, daß eine gerichtete Strömung parallel zu der Membranoberfläche erzeugt wird. Erst bei Strö mungsgeschwindigkeiten von über 2 m/s wird jedoch eine ausreichend gro ße Turbulenz für einen Reinigungseffekt erreicht.

Bei einem anderen Verfahren, bei dem die Filtermembranmodule direkt in dem Bioreaktor hängen, wird die erforderliche Turbulenz durch das Einbla sen grobblasiger Druckluft unterhalb der Membranen erzeugt. Neben der dadurch hervorgerufenen Wasserströmung schwingen die Membranen, ähn lich wie Seegras, im Wasser. So wird der Reinigungsprozeß noch unter stützt.

Bei beiden Verfahren ist es nachteilig, daß für das gerichtete Erzeugen der großen Turbulenzen ein erheblicher Energieaufwand erforderlich ist. Wird zusätzlich noch ein Überdruck oder gegebenenfalls Unterdruck angelegt, um den Durchfluß des Permeats durch die Membranen zum Zwecke des Reini gens zu steigern, nimmt der erforderliche Energieaufwand nochmals zu. Werden beide Verfahren kombiniert, liegt der Energiebedarf für das Abtren nen von Biomasse aus Abwässern durch Filteranlagen in etwa bei dem dop pelten des für das Betreiben von Sedimentationsanlagen erforderlichen.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Reini gungssystem mit minimalem Energiebedarf für Abwasserbehandlungsanla gen bereitzustellen. Insbesondere soll ein System zur Verfügung gestellt werden, daß einen nur geringen Energiebedarf für das kontinuierliche Reini gen der Membranoberflächen von Filteranlagen aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterentwicklungen finden sich in den Unteransprüchen. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Oberfläche der Membranen durch bewegte Festkörper zu reinigen.

Die Festkörper können sich frei in dem zu reinigenden Abwasser bewegen. Ihre zufällige, freie Bewegung in dem Abwasser treibt sie unter anderem auch gegen die Oberflächen der Filtermembranen. An den Kontaktflächen kommt es zu einem Abstoßen, Abschaben oder Verdrängen der dort anhaf tenden Biomasse oder anderen Ablagerungen. Durch ein häufiges Wieder holen dieses Vorgangs bewirken die beweglichen Festkörper somit eine me chanische Reinigung der Membranoberflächen.

Die Festkörper können sich aufgrund der Strömung des zu- oder abgeleite ten Abwassers bewegen. Zudem wird das Abwasser in Abwasserbehand lungsanlagen zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts zum Zwecke des biologi schen Abbaus von Biomasse häufig in Rotation versetzt oder aber mit Druckluft durchblasen. Die damit verursachte Wasserbewegung ist vorteil haft, um die Festkörper schwebend zu halten oder in Bewegung zu verset zen. Ein darüber hinausgehender Energiebedarf entsteht nicht.

Ein besonderer Reinigungseffekt durch die sich bewegenden Festkörper kann durch eine bestimmte Beschaffenheit der Festköperoberfläche erreicht werden. So kann diese beispielsweise Erhebungen oder scharfe Kanten aufweisen, um beim Kontakt mit der Filtermembran möglichst viele Ablage rungen und Verschmutzungen abzustoßen. Die Gestaltung der Oberfläche sollte dabei auf die Beschaffenheit der Filtermembranen ausgerichtet sein.

Vorteilhafterweise können die Festkörper eine im wesentlichen kugelförmige Gestalt mit waben- bzw. fächerartiger Ausgestaltung aufweisen. Die Waben und Fächer können dabei so ausgebildet sein, daß die Festkörper unter dem Einfluß der eingetragenen Druckluft eine Rotationsbewegung ausführen. Dies kann den Reinigungseffekt an den Oberflächen der Membranen noch mals steigern.

Einen weiteren Vorteil bieten Festkörper in Form speziell ausgeformter Hohl körper, deren Innenräume gleichzeitig als Aufzuchtkörper sessiler Mi kroorganismen dienen können. Durch eine spezielle Gestaltung dieser In nenräume können gezielt bestimmte Populationen von Mikroorganismen an gesiedelt werden, die aufgrund ihrer Stoffwechselaktivität der Reinigung des Abwassers nützlich sind. Die Innenräume der Hohlkörper können dabei mit einer oder mehreren Öffnungen mit dem umgebenden Abwasser in Verbin dung stehen. Anderenfalls ensteht die Gefahr, daß die Hohlkörper ungewollt aufschwimmen und keine Kontaktflächen zu den Filtermembranen ausbilden. So wird durch diese Doppelnutzung der Festkörper die Reinigung des Ab wassers durch zweierlei Effekte verbessert.

Aus der Bewegung der Festkörper in dem Bioreaktor ergibt sich als ein wei terer Vorteil, daß die freiwerdenden Schlämme, die sogenannten Überschuß schlämme, in der Regel großflockig ausfallen, so daß die Neigung zur Verun reinigung an den Filtermembranen zusätzlich gesenkt wird.

Die Festkörper können in Abstimmung mit dem Filtermembranwerkstoff aus verschiedenen Materialien gefertigt sein. Mineralische Werkstoffe, wie bei spielsweise Ton, oder organische Materialien sind möglich. Außerdem sind auch Kunststoffe oder Gummi als Werkstoff geeignet. Sollen besondere Ei genschaften kombiniert werden, können die Festkörper auch aus einem Verbundwerkstoff bestehen.

Es kann besonders vorteilhaft sein, eine Mischung verschiedenartig gestal teter und beschaffener Festkörper zu verwenden.

Bei der Auswahl der Materialien stehen vor allem die Oberflächenqualität und das spezifische Gewicht im Vergleich zu dem des Wassers im Vorder grund. Dabei kann der Werkstoff ein geringeres spezifisches Gewicht auf weisen als Wasser, so daß der Festkörper als Schwebekörper unter der ge wünschten Prozeßtechnologie in dem Abwasser nicht sedimentieren kann. Wird ein Werkstoff mit einem größeren spezifischen Gewicht als Wasser ge wählt, kann in Abstimmung auf die konkrete Technologie auch ein Auf schwimmen an die Oberfläche verhindert werden. Gleichzeitig kann das ausgewählte Material derart beschaffen sein, daß es trotz der mechanischen Beanspruchung durch die wiederholte stoßhafte Berührung mit der Fil termembran keinen erhöhten Abrieb zeigt.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung bilden Sandkörner die sich bewegenden Festköper. Die Sandkörner können dazu ein Fließbett bil den, in das die Filtermembranen des Filtersystems eingebettet sind. Durch die Bewegung des Abwassers, beispielsweise durch eingetragene Druckluft, bewegen sich auch die Sandkörner. Die Sandkörner "schmirgeln" als Folge die Filtermebranen stetig ab, so daß einem Verstopfen oder der Bildung von Ablagerungen weitgehend vorgebeugt wird. Es ist auch möglich, daß Fest körper der oben angeführten Beschaffenheit ein Festkörperfließbett bilden.

Das Permeat verläßt den Bioreaktor über einen Permeatablauf. Dabei kann es eine Ablaufpumpe passieren, die vorteilhafterweise einen Unterdruck an den Membranmodulen erzeugen kann, so daß das zu reinigenden Abwasser verstärkt durch die Membranen tritt. Damit kann sich bei Bedarf eine Steige rung der Filtrierleistung erzielen lassen.

Alternativ kann das Erzeugen eines Überdrucks an den Filtermodulen die Filtrierleistung des Systems steigern. Dazu kann der Bioreaktor als Druckre aktor ausgebildet sein.

In einer speziellen Ausführungsform kann das Filtersystem aus zwei oder mehreren Filtermodulen bestehen, die unabhängig voneinander über ein Verteilersystem mit einer Permeatrückleitung verbunden sind.

Die Filtermembranen können in Form von Rohrmodulen gearbeitet sein und Oberflächen aus keramischem Material aufweisen. Es sind auch Oberflä chen aus organischem Material möglich. Ebenso können die Filter auch aus Metall gearbeitet sein.

Die Reinigungskraft der sich bewegenden Festkörper kann durch eine ge eignete Rückspülung der Filtermembranen noch gesteigert werden. Dazu kann das gewonnene Permeat in umgekehrter Fließrichtung durch die Mem branen in den Bioreaktor zurückgepumpt werden, so daß es grobe Verunrei nigungen an den Membranen löst. Wird dieser Prozeß in Druck- und Fließ intervallen vollzogen, lösen sich die Schmutzpartikel um so leichter, so daß die Rückspülintervalle minimiert und die Filterleistung erhöht werden kann.

Für das Rückspülen kann auf das Permeat aus einer Permeatvorlage zu rückgegriffen werden, in der das Permeat nach dem Verlassen des Bioreak tors zunächst zwischengelagert werden kann.

Der Einsatz von Druck- und Fließintervallen bedingt einen hohen Verschleiß der Rückspülpumpe, da diese mehrfach kurzfristig ein- und ausgeschaltet werden muß. Vor allem, wenn unabhängige Filtermodule verwendet werden, die über automatische Ventile geschlossen und geöffnet werden, entstehen zusätzlich große Verschleißschäden an diesen Bauteilen. Dazu kommen durch die Druckstöße verursachte Folgeschäden im gesamten Leitungssy stem.

Dieser Nachteil des Rückspülvorgangs kann erfindungsgemäß durch ein automatisches Verteilersystem vermieden werden, bei dem der Drehverteiler zur Verteilung der Spülflüssigkeit in die unabhängigen Filtereinheiten im Kreis geführt wird. Dieser Drehverteiler kann beispielsweise durch einen Motor angetrieben sein und durch einen Frequenzumrichter in seinem An trieb variiert werden.

Die Ausgestaltung mit einem Drehverteiler ermöglicht eine zyklische Vertei lung der Spülflüssigkeit bei gleichzeitigem kontinuierlichen Durchfluß durch das Leitungssystem, da der Rückspülfluß niemals unterbrochen wird. Die Schaltpositionen können dabei einen beliebigen Drehwinkel zwischen 0 und 360° einnehmen. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß der Öffnungsquer schnitt bei einer derartigen Ausgestaltung zu jeder Zeit 100% des maxima len Öffnungsquerschnitts beträgt. Im Speziellen kann vorteilhafterweise ein freier Querschnitt von 60% Verwendung finden.

Dieses zyklische Verteilungssystem kann auch in anderen technischen Be reichen, wie beispielsweise zur Beschickung von Querstromfiltrationssyste men, verwendet werden. Die Beschickung parallel zur Filterfläche ermöglicht bei wechselnder Anströmgeschwindigkeit einen besseren Reinigungseffekt gegenüber Anlagerungen und somit ein verbessertes Filtrationsergebnis.

Erfindungsgemäß kann dieses Verteilersystem auch in den Begasungsanla gen von Abwasserbehandlungsanlagen eingesetzt werden. Dies hat den besonderen Vorteil, daß bei mehreren unabhängigen Begasungsflächen ei ne kurzfristige, partielle Begasung zu einer erhöhten Beaufschlagung und damit zu einer Erhöhung der Turbulenzen in dem Abwasser führt. Damit wird außerdem Ablagerungen am Grund des Beckens entgegengewirkt, was die Reinigungswirkung der gesamten Anlage nochmals steigert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Reinigungssystem einer Abwasserbehandlungsanlage mit einem Sandfließbett;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch ein Reinigungssystem einer Abwasserbehandlungsanlage mit schwebenden Festkörpern;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Abwasserbehandlungsanlage mit unabhängigen Filtermodulen und einem zyklischen Verteilersystem und

Fig. 4 schematische Querschnitte durch ein zyklisches Verteilersystem bei verschiedenen Schaltpositionen und ein Diagramm mit den zu wech selnden Drehwinkeln der Schaltpositionen korrespondierenden Öff nungsquerschnitten der Durchlaßöffnungen des Verteilersystems.

Die Abwasserbehandlungsanlage besteht aus einem Bioreaktor 1, in den über einen Zulauf 2 Abwasser mit sich bildender Biomasse 6 eingeleitet wird. Der Bioreaktor 1 ist über ein Luftzufuhr- und Verteilungssystem 8 mit Druck luft versorgt. Des weiteren befindet sich in dem Bioreaktor ein Filtermem bransystem 4, das ein Festkörperfließbett aus Sand 5 umgibt. Prozeßend seitig befindet sich eine Permeatablaufpumpe 9, eine Permeat- Rückspülpumpe 10 und eine Permeatvorlage 11.

Das Abwasser wird über den Zulauf 2 in den Bioreaktor 1 geleitet, um an schließend über das Festkörperfließbett das Filtersystem 4, 4', 4" zu durch laufen. Als Permeat verläßt es den Bioreaktor 1 über den Permeatablauf 3, wobei es zuvor über die Ablaufpumpe 9 durch die Permeatvorlage 11 ge pumpt wird. Wahlweise kann eine Permeat-Rückspülpumpe 10 Permeat aus der Permeatvorlage 11 über das Membranfiltersystem 4, 4', 4" zurück in den Bioreaktor 1 pumpen. Dabei passiert das Permeat das Verteilersystem 12. Über das Luftzufuhr- und Verteilungssystem 8 wird Sauerstoff eingetragen und die Biomasse 6 in Bewegung versetzt. Bei Bedarf wird die Biomasse über die Biomasse-Entnahme 7 aus der Anlage entfernt.

In einem anderen Ausführungsbeispiel befinden sich schwebende Festkör per 5 in dem Bioreaktor.

Das Verteilersystem 12 besteht aus einem Gehäuse 13 mit einem in der Aufsicht dargestellten Einlaß 14 und den Auslässen 15 und 16. Ein motor getriebener Drehverteiler 17, der gegen das Gehäuse 13 abgedichtet ist, wird entgegen dem Uhrzeigersinn in Drehbewegung versetzt. Er sorgt dafür, daß das durch den Einlaß 14 einströmende Permeat durch den Auslaß 15 oder 16 bzw. die Auslässe 15 und 16 das Verteilersystem 12 wieder verläßt.

Die Schaltstellungen des Drehverteilers 17 nehmen im Betrieb Drehwinkel zwischen 0 und 360° ein. Mit den verschiedenen Drehwinkeln korrespondiert jeweils ein bestimmter Öffnungsquerschnitt der Auslässe 15 und 16. Die Summe der Öffnungen der Auslässe beträgt dabei zu jedem Zeitpunkt 100% der maximalen Öffnung des Verteilersystems 12, so daß ein gleichmäßiger Strom der Spülflüssigkeit durch das Leitungssystem gewährleistet ist. Eine negative Auswirkung auf die Rückspülpumpe 10 ist damit vermieden.

Claims

1. Reinigungssystem für eine Abwasserbehandlungsanlage mit einem Filtersystem (4), gekennzeichnet durch im Bereich der Oberfläche des Filtersystems angeordnete bewegliche Festkörper (5).

2. Reinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der beweglichen Festkörper (5) als Hohlkörper ausgebildet ist.

3. Reinigungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Festkörper (5) ein höheres spezifisches Gewicht als Wasser aufweist.

4. Reinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Festkörper (5) als Auf zuchtkörper für Mikroorganismen ausgebildet ist.

5. Reinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Festkörper (5) aus minera lischem Material, vorzugsweise Ton, oder organischem Material gebil det ist.

6. Reinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Festkörper (5) aus Gummi oder anderen Elastomeren gebildet ist.

7. Reinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper (5) Sandkörner darstellen.

8. Reinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Festkörper (5) ein Fließbett bildet.

9. Reinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Filtermembranen, die als Rohrmodule ausgebildet sind.

10. Reinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Filtermembranen Oberflächen aus kerami schem oder organischem Material oder aus Metall aufweisen.

11. Reinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Filtersystem (4) aus unabhängigen Filtermo dulen (4', 4") besteht, die vorzugsweise über ein Verteilersystem (12) mit einem Drehverteiler (17) miteinander verbunden sind.

12. Reinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der Bioreaktor (1) über ein Verteilersystem (12) mit dem Luftzufuhr- und Verteilersystem verbunden ist.

13. Verfahren zum Reinigen von Abwasser, dadurch gekennzeichnet, daß Festkörper (5) auf den Oberflächen des Filtersystems (4, 4', 4") be wegt und die Oberflächen des Filtersystems (4, 4', 4") durch Berüh rungen mit den Festkörpern (5) von Anlagerungen befreit werden, die vorzugsweise durch in die Abwasserbehandlungsanlage eingebrachte Druckluft bewegt werden.

14. Verteilersystem zum Beaufschlagen von Filtersystemen mit flüssigen Medien, gekennzeichnet durch einen im Kreis geführten Drehverteiler (17).

15. Verteilersystem zum Eintragen von gasförmigen Medien in Bioreakto ren, gekennzeichnet durch einen im Kreis geführten Drehverteiler (17).

16. Verteilersystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehverteiler (17) zu jedem Zeitpunkt mindestens einen freien Querschnitt von 60% aufweist.

17. Verteilersystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß der Drehverteiler (17) durch einen Motor ange trieben ist.

18. Verteilersystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehverteiler (17) durch einen Frequenzumrichter in seinem Antrieb va riiert wird.

19. Verfahren zum Filtrieren, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium in Druck- und Fließintervallen über ein Verteilersystem (12) mit einem Drehverteiler (17) auf das Filtersystem (4, 4', 4"), vorzugsweise parallel zu der Oberfläche der Filtermembran, aufgebracht wird.

20. Verfahren zum Filtrieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat in umgekehrter Fließrichtung durch das Filtersystem (4, 4', 4") gepumpt und vorzugsweise dazu mit einer Rückspülpumpe (10) aus einer Per meatvorlage (11) entnommen wird.

21. Verfahren zum Eintragen gasförmiger Medien in einen Bioreaktor, mit einem Luftzufuhr- und Verteilungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftzufuhr- und Verteilungssystem zyklisch beaufschlagt wird.