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Verfahren zur Reinigung von Abwasser und Einrichtung zur
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Durchführung des Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Abwasser, welches
biologisch schwer abbaubare organische Stoffe, wie Polysaccharide, und biologisch
leicht abbaubare organische Stoffe, wie Monosaccharide, als Unreinigkeiten aufweist.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die von vielen Nationen neu verabschiedeten oder angestrebten Verordnungen
über die Reinhaltung der Gewässer enthalten neue und strenger gesetzte Massstäbe.
Obschon die erforderten Limiten mit den zur Verfügung stehenden technologischen
Mitteln einhaltbar sind, treten für manche Industriezweige ernsthafte wirtschaftliche
Probleme auf. Mit solchen Problemen wird in besonderem Masse die pflanzliche Stoffe
verarbeitende Industrie konfrontiert. Die anfallenden Produktionsabwässer enthalten
gelöste organische Substanzen, von denen
die einige, z.B.(%nosacchariden,
biologisch leicht abbaubar sind, jedoch andere, z.B. die Polysacchariden, biologisch
nur schwer, d.h. sehr langsam abgebaut werden können. Die biologiscfi schwer at)baut)aren
orgarliscilerl Stoffe sind meistens makromolekular gelöste Kohlehydrate, insbesondere
Cellulose und Abkömmlinge davon. Diese Stoffe tragen deshalb nur unwesentlich zum
biologischen Sauerstoffbedarf (BSB5) bei, erzeugen aber einen hohen Anteil an gelöstem
organischen Kohlenstoff (DOC = dissolved organic carbon) und an chemischem Sauerstoffbedarf
(COD = chemical oxygen demand). Obschon manche Mikroorganismen für den Cellulose-oder
Polysaccharid-Abbau befähigt waren, gestaltet es sich äusserst schwierig, in einer
biologischen Abwasserreinigung eine derartige Biozönose zu züchten und zu erhalten,
und zwar darum, weil die leicht abbaubare Stoffe abbauenden Mikroorganismen eine
grössere Wachstumsrate aufweist und damit die anderen Spezies verdrängen.
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Die Befreiung der von Papierfabriken stammenden Abwässer von gelösten
organischen Substanzen wird heutzutage betriebsextern, in kommunalen Kläranlagen
biologisch und zum Teil chemisch-physikalisch (Fällung), oder betriebsintern, durch
Massnahmen zur Reduktion der genannten Substanzen durch Aenderung der Produktionsbedingungen
zur Verringerung des Wasser- und Chemikalienbedarfes, und anderen Methoden bewerkstelligt,
die weitgehend mit denen
der kommunalen Abwasseraufbereitung zu
vergleichen sind.
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Dabei wird jedoch nur ein relativ geringer Teil der biologisch schwer
abbaubaren organischen Substanzen aus dem Abwasser entCerrlt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden,
und ein Verfahren sowie eine Einrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, wobei
Abwasser von den biologisch schwer abbaubaren organischen Stoffen und den biologisch
leicht abbaubaren organischen Stoffen in voneinander im wesentlichen unabhängigen
Vorgängen befreit wird.
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Ein Verfahren zur Lösung der genannten Aufgabe zeichnet sich durch
einen Spaltungsvorgang aus, in welchem die schwer abbaubaren organischen Stoffe
enzymatisch gespalten werden und einen von diesem im wesentlichen unabhängigen Befreiungsvorgang,
in welchem das Abwasser von den leicht abbaubaren Stoffen befreit wird, wobei mindestens
einer der Vorgänge ein mit Mikroorganismen abbauender biologischer Abbauvorgang
ist.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich aus
durch eine Vorrichtung zur enzymatischen Spaltung der schwer abbaubaren organischen
Stoffe und eine Vorrichtung zur Befreiung des Abwassers von leicht abbau-
baren
organischen Stoffen, wobei mindestens eine der beidetl Vorriclitutigeri eine dem
biologischerl Abbau dienende Vorrichtung ist, und einen Bioreaktor mit einer Suspension
von Mikroorganismen und eine Vorrichtung zum Abtrennen der Suspension aufweist.
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Im Verfahren nach der Erfindung wird das Abwasser von den biologisch
schwer und leicht abbaubaren organischen Stoffen in separaten, voneinander unabhängigen
Vorgängen befreit, die ohne gegenseitige negative Beeinflussung vor sich gehen.
Der im Verfahren eliminierte DOC-Gehalt kann ohne besondere Zusatzmassnahmen um
etwa 50 % gesteigert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Biomasse,
die langkettige Kohlehydrate abbauende Mikroorganismen reichlich enthält, aus gut
durchlüftetem feuchtem Waldboden, mittels einer speziellen Methode gezüchtet. Die
Biomasse kann für den biologischen Abbau der schwer abbaubaren organischen Stoffe
in einer Suspension verwendet werden, oder es können daraus durch Zerstörung der
Mikroorganismen-Zellen Enzyme extrahiert werden, welche in einem nicht-biologischen
Spaltungsvorgang, oder als Zusatzenzyme zur Beschleunigung eines biologischen Spaltungsvorganges
Verwendung finden können.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an-
hand
der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Eine Einrichtung zur Reinigung von Abwasser,
in welcher zunächst biologisch schwer abbaubare organische Stoffe enzymatisch gespalten
und anschliessend vorhandene und entstandene biologisch leicht abbaubare organische
Stoffe biologisch abgebaut werden; Fig. 2 eine Einrichtung zur Reinigung von Abwasser,
in welcher zunächst biologisch leicht abbaubare Stoffe und anschliessend biologisch
schwer abbaubare Stoffe abgebaut werden.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der Fig. 1 besteht eine Enzym-Zuführvorrichtung 15 aus einem Ventil
3, das als Enzym-Dosiervorrichtung dient, und einem Vorratsbehälter 2, welcher ein
Enzymkonzentrat mit den freien Enzymen Cellulase und Amylase enthält. Die Enzym-Zuführvorrichtung
15 ist einem das zu reinigende Abwasser aufnehmenden, mit einem Rührer versehenen
Behälter 1 zugeschaltet.
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Dem Behälter 1 ist eine aerobe biologische Abbauvorrichtung nachgeschaltet,
bestehend aus einem Bioreaktor 4
mit einer Suspension von zum Abbau
biologisch leicht abbaubarer organischer Stoffe befähigten Mikroorganismen 13 und
einer dem Bioreaktor 4 nachgeschaltenen Suspensions-AbtrennvorricEltutlg 'j. I)icsc
Ist über eine cler ltfickrfihrung der abgctrennten Suspension dienenden Rückführvorrichtung
7, 8> bestehend aus einer Pumpe 8 und einer Rückführleitung 7Smit dem Eingang
des Bioreaktors 4 verbunden. Der Kompressor 6 führt dem Bioreaktor 4 Luft zu und
versorgt die Mikroorganismen 13 mit Sauerstoff. Die Klarwasserleitung 10 dient der
Abführung des gereinigten Abwassers, wogegen die Abführleitung 9 zur Abführung des
Ueberschussschlammes vorgesehen ist.
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Der Behälter 1 bildet zusammen mit der Enzym-Zuführvorrichtung 15
eine Spaltungsvorrichtung 11, in welcher die biologisch schwer abbaubaren organischen
Stoffe enzymatisch gespalten werden können, und der Bioreaktor 4 mit den Mikroorganismen
13, zusammen mit der Suspensions-Abtrennvorrichtung 5, eine Befreiungsvorrichtung
12, in welcher das Abwasser von den in diesem enthaltenen biologisch leicht abbaubaren
organischen Stoffen, die auch die im Spaltungsvorgang entstandenen umfassen, befreit
werden kann.
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In der Einrichtung nach der Fig. 1 wurde ein erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemässen Verfahrens ausge-
führt. In diesem wurde
aus einer Papierfabrik stammendes Abwasser, welches ca. 65 /# biologisch leicht
abbaubare gelöste organische Substanzen, ermittelt anhand des biologiscghen sauerstoffbedarfes
in 5 tagen (BSb)5, und 25 % gelöste oder kolloidal gelöste Cellulose und 10 % Stärke
als biologisch schwer abbaubare Stoffe enthielt, gereinigt. Der gesamte Anfangsgehalt
des Abwassers an gelöstem Kohlenstoff (DOC) betrug etwa 300 mg- D0C/l.
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Das Abwasser wurde dem 3 Liter fassenden Behälter 1 in einer Menge
von etwa 1 Liter/Stunde kontinuierlich zugeführt.
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Gleichzeitig wurde dem Abwasser 0,001 Gewichtsprozent Cellulase und
0,0005 Gewichtsprozent Amylase, bezogen auf den Zufluss, über die Enzym-Zuführvorrichtung
15 kontinuierlich zugegeben. Ferner wurde durch Zugabe einer konzentrierten Lösung
von Ammoniumchlorid und Natriumhydrogenphosphat der Gehalt an Stickstoff im Zufluss
auf 0,005 Gewichtsprozent und an Phosphor auf 0,001 Gewichtsprozent gebracht. Im
Behälter 1 wurden die biologisch schwer abbaubaren organischen Stoffe bei Raumtemperatur
und Atmosphärendruck durch die zugegebenen Enzyme in biologisch leicht abbaubare
Spaltprodukte umgewandelt.
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Vom Behälter 1 wurde das Abwasser in den Bioreaktor 4 überführt, in
welchem sich eine im Abwasser angesiedelte Mischkultur von Mikroorganismen 13 in
einer Konzentration von
ca. 10 g Trockensubstanz/l befand. Diese
bewerkstelligten den Abbau der vorgenannten Spaltprodukte und der im Abwasser bereits
ursprünglich vorhandenen biologisch leicht abbaubaren organischen Substanzen. Dabei
wurde d er 13ioreaktor 4 mittels einer Frittenbelüftung bei einer Luftzufuhr durch
den Kompressor 6 von 250 Liter mit dem für den Abbau notwendigen Sauerstoff versorgt
und gleichzeitig in durchmischtem Zustand gehalten. Während des Abbauvorganges vermehrten
sich die Mikroorganismen 13, was einen täglichen Schlammanfall von 0,5 Liter bei
einer Konzentraktion von 40 g Trockensubstanz pro Liter brachte. Ein Teil der abgebauten
Substanzen wurde zu Kohlendioxid und Wasser veratmet.
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Eine aus Mikroorganismen 13 und im Abwasser bereits ursprünglich vorhandenen
Schwebestoffen bestehende Suspension wurde vom Bioreaktor 4 in einen 3 Liter fassenden
Absetzbehälter 5 kontinuierlich überführt und in einer Verweilzeit von 3 Stunden
getrennt. Das gereinigte Wasser wurde über die Klarwasserleitung 10 abgeführt und
der eingedickte Schlamm in 5-Minuten-Zeitintervallen in Mengen von 50 ml über die
Rückführvorrichtung 7, 8 in den Bioreaktor4 zurückgeführt. Es wurden alle 24 Stunden
zudem 0,5 Liter Schlamm über die Abführleitung 9 abgeführt, um damit die im System
umgewälzte Schlammenge konstant zu halten.
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Während einer mittleren Verweilzeit des Abwassers von 3 Stunden in
der beschriebenen Einrichtung wurden insgesamt 75 % des DOC-Gehalts des Abwassers
abgebaut. Ohne Zugabe freier Enzyme konnten, im biologischen Abbauvorgang allein,
51- % des DOC-Gehalts eliminiert werden. Dies bedeutet einen durch Zugabe von Enzymen
erzielten zusätzlichen Abbau von 45 % bezüglich des DOC-Gehalts.
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In einer Variante des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels wurden
die der Spaltung der biologisch schwer abbaubaren organischen Stoffe dienenden Enzyme
nicht dem Behälter 1 zugegeben, sondern das Abwasser wurde durch
eine
Chromatographiesäule mit an Phenolharzen fixierten Cellulase und Amylase, bei einer
Retentionszeit von einer Stunde durchgeführt. Anschliessend wurden die biologisch
leicht abbaubaren organischen Stoffe im Bioreaktor 11 auf die vorangehend beschriebene
Weise abgebaut. Bezüglich des DOC-Gehalts wurden Resultate erzielt, die im wesentlichen
den Resultaten der erstbeschriebenen Variante entsprachen.
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In einer anderen Variante des ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens
kann der Behälter 1 zugleich als Bioreaktor dienen, so dass die enzymatische Spaltung
der schwer abbaubaren organischen Stoffe gleichzeitig mit dem biologischen Abbau
der leicht abbaubaren organischen Stoffe im Behälter 1 stattfindet.
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Im allgemeinen können die im Spaltungsvorgang verwendeten Enzyme,
die Cellulase, Amylase und/oder Protease umfassen können, als freie Enzyme dem Abwasser
zugegeben werden oder an einen starren oder beweglichen Träger adsorbiert und/oder
chemisch gebunden sein. Das Trägermaterial kann dabei ein anorganisches Material,
wie Sand, oder ein organisches Material, wie Kohle oder organische Polymeren, sein.
Wenn das Trägermaterial beweglich ist, kann es von-Vorteil sein, dieses in schwebenden
Zustand zu versetzen.
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Ferner kann ein beweglicher Träger nach dem Spaltungsvor-
gang
oder dem Befreiungsvorgang abgetrennt und zur Wiederverwendung zurtickgeffthrt werden.
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Die im Spaltungsvorgang verwendeten Enzyme können aus Mikroorganismen,
durch Zerstörung ihrer Zellen, beispielsweise durch Ultraschall, extrahiert werden.
Zu diesem Zweck können im biologischen Abbauvorgang der leicht abbaubaren Stoffe
entstandene Mikroorganismen, beispielsweise aus dem Ueberschussschlamm stammend,
verwendet werden.
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In der Fig. 2 weist eine zweite Ausführungsform der Reinigungseinrichtung
zwei aerobe biologische Abbauvorrichtungen mit je einem Bioreaktor 4, 4' und je
einer dem Bioreaktor nachgeschalteten Suspensions-Abtrennvorrichtung 5, 5' auf.
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Beide Abbauvorrichtungen sind mit je einem Kompressor 6, einer Rückführvorrichtung
7, 8, einer Abführleitung 9 und einer Klarwasserleitung 10 ausgestattet. Der Bioreaktor
4 der ersten Abbauvorrichtung enthält eine Suspension von zum Abbau biologisch leicht
abbaubarer organischer Stoffe befähigten Mikroorganismen 13, und der Bioreaktor
4' der zweiten Abbauvorrichtung eine Suspension von zum Abbau biologisch schwer
abbaubarer Stoffe befähigten Mikroorganismen 14. Somit bildet die erste Abbauvorrichtung
eine Befreiungsvorrichtung 12, in welcher das Abwasser von in diesem vorhandenen
biologisch leicht abbaubaren organischen Stoffen befreit werden kann, und die zweite
Abbauvorrichtung
eine Spaltungsvorrichtung 11', in welcher die
biologisch schwer abbaubaren organischen Stoffe biologisch abgebaut werden können.
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In der Einrichtung nach der Fig. 2 wurde ein zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemässen Verfahrens ausgeführt. In diesem wurde Abwasser aus der gleichen
Quelle und mit gleichem Gehalt an biologisch schwer und leicht abbaubaren organischen
Substanzen und an DOC gereinigt. Das Abwasser wurde dem 3 Liter fassenden Bioreaktor
4 in einer Menge von ca. 1 Liter kontinuierlich zugeführt. Im Bioreaktor 4 befanden
sich die Mikroorganismen 13 in einer in diesem Abwasser angesiedelten Mischkultur
in einer Konzentration von ca. 10 g Trockensubstanz/l. Durch Zugabe einer konzentrierten
Lösung von Ammoniumchlorid und Natriumhydrogenphosphat wurde der Gehalt an Stickstoff
im Zufluss auf 0,005 Gewichtsprozent und an Phosphor auf 0,001 Gewichtsprozent gebracht.
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Die biologisch leicht abbaubaren organischen Substanzen wurden im
Bioreaktor 4 bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck durch die Mikroorganismen 13
abgebaut. Dabei wurde der Bioreaktor 4 mittels einer Frittenbelüftung bei einer
Luftzufuhr von 250 l/h mit dem für den Abbau notwendigen Sauerstoff versorgt und
gleichzeitig in durchmischtem Zustand gehalten. Während des Abbauvorganges vermehrten
sich
die Mikroorganismen 13, was einen täglichen Schlammanfall vol Liter be 1 einer Konzerltration
voti 0 g Trockensubstanz pro Liter brachte. Ein Teil der abgebauten Substanzen wurde
zu Kohlendioxyd und Wasser veratmet.
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Eine aus Mikroorganismen 13 und im Abwasser bereits ursprünglichvorhandenen
Schwebestoffen bestehende Suspension wurde vom Bioreaktor 4 in einen 3 Liter fassenden
Absetzbehälter 5 kontinuierlich überführt und in einer Verweilzeit von 3 Stunden
getrennt. Das behandelte Abwasser wurde über die Leitung 10 abgeführt und der eingedickte
Schlamm in 5-Minuten-Zeitintervallen in Mengen von je 50 ml über die Rückführvorrichtung
7, 8 in den Bioreaktor 4 zurückgeführt. Es wurde alle 24 Stunden zudem 0,5 Liter
Schlamm über die Abführleitung 9 abgeführt, um damit die im System umgewälzte Schlammenge
konstant zu halten. Der im Bioreaktor 4 eliminierte DOC-Gehalt betrug 49 %.
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Das in der Befreiungsvorrichtung 12 behandelte Abwasser wurde vom
Absetzbehälter 5 in den Bioreaktor 4t geleitet, in welchem sich aus gut durchlüftetem
Waldboden stammende, zum Abbau der biologisch schwer abbaubaren organischen Substanzen
fähige Mikroorganismen 14> in einer Konzentration von 8 g Trockensubstanz/Liter
Abwasser, befanden. Die biologisch schwer abbaubaren Stoffe wurden hier zu Kohlendioxyd
und Wasser abgebaut, wobei sich die
Mikroorganismen 14 vermehrten.
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Aus dem Bioreaktor 4' wurde eine Mikroorganismen 14 enthaltende suspension
in den 3 liter fassenden absetzbchälter 5' kontinuierlich überführt und während
einer Verweilzeit von 3 Stunden getrennt. Das gereinigte Wasser wurde über die Klarwasserleitung
10 abgeführt und der eingedickte Schlamm in 5-Minuten-Zeitintervallen in Mengen
von je 50 ml über die Rückführvorrichtung 7, 8 in den Bioreaktor 4' zurückgeführt.
Es wurden zudem alle 24 Stunden 0,2 Liter Schlamm in einer Konzentration von 50
g Trockensubstanz pro Liter über die Abführleitung 9 abgeführt, um damit die im
System umgewälzte Schlammenge konstant zu halten. Der im Bioreaktor 4' eliminierte
DOC-Gehalt betrug 52 %, was eine auf den Anfangsgehalt bezogene totale Elimination
von 75 % DOC ergab.
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In einer Variante des vorangehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiels
des Verfahrens können die biologisch leicht abbaubaren organischen Stoffe in einem
nicht biologischen Befreiungsvorgang, welcher ein Fällungsvorgang, ein Adsorptionsvorgang,
ein Elektrolysenvorgang, ein Umkehrosmosenvorgang oder ein Ultrafiltrationsvorgang
sein kann, möglichst quantitativ entfernt werden. Entsprechend wäre die Befreiungsvorrichtung
12' eine Fällungsvorrichtung, eine Adsorptionsvorrichtung, eine Elektrolysenvorrichtung,
eine
Umkehrosmosenvorrichtung oder eine Ultrafiltrationsvorrichtung. Ferner können im
Spaltungsvorgang und/oder im Befreiungsvorgang, wenn dieser ein biologischer Abbauvorgang
ist, über eine zu diesem Zweck vorgesehene Vorrichtung (nicht dargestellt) zusätzliche
Enzyme zugegeben werden, wenn die betreffenden Abbauvorgänge beschleunigt werden
sollen. Auch diese Enzyme können aus Mikroorganismen, durch Zerstörung ihrer Zellen,
beispielsweise durch Ultraschall, extrahiert werden, wobei zu diesem Zweck Mikroorganismen,
die im biologischen Abbauvorgang entstanden sind, beispielsweise aus dem Ueberschusschlamm
stammend, verwendet werden können.
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Bei einer bevorzugten Variante der zweiten Ausführungsform des Verfahrens
werden die im Bioreaktor 4' wirksamen Mikroorganismen 14 mittels einer speziellen
Methode gezüchtet. Dabei wird gut durchlüfteter, feuchter Waldboden von Kies und
Sand getrennt, während ca. einer Woche unter guter Belüftung und Zugabe von stickstoff-
und phosphorhaltigen Nährsalzen stufenweise mit dem Auslauf der Befreiungsvorrichtung
12' versetzt. Durch dieses Vorgehen werden die im Waldboden reichlich vorhandenen,
langkettige Kohlehydrate abbauenden Mikroorganismen 14 an die neuen Bedingungen
adaptiert. Dies ist darum notwendig, weil es äusserst schwierig ist, wenn nicht
gar~unmöglich, die im Abwasser selbst vorhandenen Mikroorganismen 14 für den Poly-
saccharid-Abbau
heranzuzüchten. Die Abwasser stammen oft aus Produkt#ionsst#tten, wo biozid Redingungen
herrschen; eine Ansiedlung durch Mikroorganismen erfolgt deshalb erst kurz vor der
Ableitungskanalisation. Anderseits kann eine Adaptation für den Spaltungsvorgang
Monate dauern, wobei besonders heutzutage vermehrt auftretende Betriebsunterbrüche
diese Anpassungszeit zusätzlich verlängern.