DE3729127A1 - Verfahren und vorrichtung zur biologischen reinigung von abwaessern von ihren phosphat-verunreinigungen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, die Abwässer von ihren Phosphat-Verunreinigungen durch chemische Fällung zu befreien, was jedoch einen hohen Verbrauch an Chemi­ kalien erfordert, wobei darüber hinaus ein unlösliches und damit der an­ derweitigen Verwertung nur schwer zugängliches Produkt in einer der gerin­ gen Ausgangskonzentration im Abwasser entsprechenden feinen Verteilung anfällt, so daß zumindest ein aufwendiger Absetz- und Nachklärungsvorgang zur abschließenden Klärung erforderlich ist, dem sich entweder wiederum ein chemischer Aufschluß oder die Endlagerung anschließen muß.

Es sind weiterhin Verfahren zur biologischen Reinigung der Abwässer von ihren Phosphat-Verunreinigungen unter Einsatz beispielsweise von Bakteriengattungen der Stämme Acinetobacter, Moraxella oder Arthrobacter bekannt. So ist beispielsweise aus der DE-OS 32 15 404 ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwässern von ihren Phosphat-Verunreinigungen bekannt geworden, bei dem das zu reinigende Abwasser zunächst in einem Reaktionsgefäß unter aeroben Stoffwechselbedingungen bakteriell behandelt und anschließend in einem nachgeschalteten Reaktionsgefäß nachgeklärt wird. Mit diesem Verfahren kann zwar das in dem Abwasser enthaltene Phos­ phat bakteriell abgebaut werden, die Arbeitsweise führt jedoch zu einem Absterben der Bakterienstämme in der anaeroben Behandlungsstufe zu einem Anfall der Phosphate in dem in dieser Stufe gebildeten Belebtschlamm. Das Verfahren ist somit technisch aufwendig und unwirtschaftlich. Es hat daher keinen Eingang in die Praxis gefunden und kommt allenfalls vereinzelt zum Einsatz, wobei eine konstante quantitative Phosphateleminierung aus dem Abwasser bisher nicht erreicht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung eines Ver­ fahrens zugrunde, mit dem Abwässer auf biologischem Wege gezielt und ohne Schädigung der eingesetzten Bakterienkultur mit dem Ziel der Gewinnung un­ mittelbar verwertbarer Produkte von ihren Phosphatverunreinigungen befreit werden können.

Diese Aufgabe wird durch das in dem Patentanspruch 1 beschriebene Ver­ fahren gelöst. Während die Bespülung der Bakterienstämme mit phosphathal­ tigem Abwasser unter aeroben Bedingungen in der ersten Behandlungsphase erfolgt nehmen die Bakterien das Phosphat unter Umwandlung in Polyphosphat sowie biologischer Vermehrung der Kultur auf, während durch die sich an­ schließende Bespülung mit einer eine Kohlenstoffquelle enthaltenden Lösung in der zweiten Behandlungsphase die Bakterien zur Abgabe der rückgebilde­ ten (löslichen) Phosphate an die Behandlungsflüssigkeit veranlaßt und da­ mit regeneriert werden. Es findet auf diese Weise - etwa bei der Reinigung von Abwässern mit geringer Phosphatbelastung - zunächst eine Akkumulierung des Phosphates in den Bakterienstämmen und entsprechend in der zweiten Stufe die Bildung von Behandlungswasser mit erhöhtem Anteil an löslichem Phosphat statt, wobei durch mehrfache Verwendung des Behandlungswassers höher-konzentrierte Phosphatlösungen gebildet werden können. Eine Schä­ digung der Bakterienstämme tritt nicht ein, sondern im Gegenteil eine all­ mähliche biologische Vermehrung der Bakterien, die sogar von Zeit zu Zeit eine Verminderung der Besatzes - etwa durch Abspülen mittels erhöhtem Fließdruck - erforderlich macht. Es ist somit durch die Erfindung erstmals ein Verfahren geschaffen, mit dem die Befreiung von Abwässern von ihren Phosphatverunreinigungen in einer Reinigungsanlage dauerhaft und ohne immer wiederkehrende Anzucht der Bakterien durchgeführt werden kann, wobei der während der ersten Behandlungsstufe aufgrund der natürlichen Stoff­ wechselvorgänge und durch Abspülen anfallende Belebtschlamm unmittelbar als Phosphatdüngemittel eingesetzt und das in dem Behandlungswasser der zweiten Behandlungsstufe akkumulierte Phosphat auf chemischem Wege, bei­ spielsweise mit Hilfe von Eisenchlorid, als Eisenphosphat ausgefällt und in die Produktion zurückgeführt werden kann. Hierbei kann durch geeignete Verfahrensführung das Gleichgewicht wahlweise mehr in die Richtung der Bildung von Belebtschlamm oder in die Richtung der Bildung löslicher Phosphate verschoben werden kann. Es ist schließlich ein weiterer wesent­ licher Vorteil, daß es zur Durchführung des Verfahrens nicht mehrerer Reaktionsgefäße bedarf, die vollständige Reinigung in einem einzigen Fer­ menter im Durchlauf oder Umlauf erfolgen kann.

Als Kohlenstoffquelle können in Abhängigkeit von dem Bakterienstamm niedermolekulare Fettsäuren, insbesondere Acetatlösung, weiterhin chlo­ rierte Kohlenwasserstoffe, Glukose, Kohlehydrate oder dergl. Verwendung finden. Es ergibt sich somit durch das Verfahren der Erfindung der weitere wesentlich Vorteil, daß es zur Regenerierung der Bakterien­ stämme nicht unbedingt des Einsatzes umweltverträglicher Kohlenstoffquel­ len bedarf sondern auch chlorierte Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden, so daß gleichzeitig auch mit derartigen Substanzen belastete Abwässer gerei­ nigt werden können.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert ist. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschema einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur biologischen Reinigung von Abwässern von ihren Phosphat­ verunreinigungen,

Fig. 2 die Ansicht des Trägerelements für die Bakterienstämme.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein als "Fermenter" bezeichneter Reakti­ onsbehälter 1 wiedergegeben, der über eine Pumpe 2, ein Dosiergerät 3 und ein Rohrsystem 4 wahlweise mit einem Abwassertank 6, einem Zwischenbehäl­ ter 7 oder einem Behälter 8 mit einer eine Kohlenstoffquelle, etwa Essig­ säure, chlorierte Kohlenwasserstoffe oder dergl. enthaltenden Lösung ver­ bunden werden kann. An das Rohrsystem sind weiterhin ein Druckluftbehälter 9 über einem Behälter 19 angeschlossen, in dem dem Abwasser Luft zugemischt wird. Das Rohrsystem ist gebildet von einer grundsätzlich beliebigen Zahl von Trägerelementen für die Bakterienstämme, die im übrigen über eine eine Umwälzpumpe 11 enthaltende Leitung 12 mit einem Schwimmer 13 im oberen Teil des Fermenters 1 verbunden sind. Dem Fermenter 1 sind weiterhin über eine Pumpe 16 ein Schlammbehälter 17 und ein Fermenterauslauf 18 nachgeordnet.

Die Anlage umfaßt weiterhin einen Phosphatspeicher 21, einen ein Fäl­ lungsmittel für Phosphat enthaltenden Behälter 22 sowie einen Ionenaus­ tauscher 23, die über eine Speicherpumpe 24 mit dem Wasserbehälter 7 ver­ bunden sind. Alle Behälter sind mittels der in der Zeichnung als Doppel­ linie symbolisierten Ventile an das Leitungssystem anschließbar bezw. von diesem trennbar.

In dem Fermenter 1 sind - siehe Fig. 2 - Halterungen 26 in einer beliebigen Zahl angeordnet, an die die Bakterienstämme enthaltenden, in der Zeichnung als Ganzes mit 25 bezeichnete Trägerelemente angehängt sind. Im Falle der in Fig. 2 wiedergegebenen Ausführungsform besteht das Trägerelement aus einem gefachten Rohrrahmen 27 mit Durchbohrungen 28, die in den von dem Rohrrahmen umschlossenen Raum gerichtet sind. Der Rohrrahmen 27 ist direkt oder über eine Sammelleitung 29 für mehrere Trä­ gerelemente mit der Rohrleitung 12 - Fig. 1 - verbunden und weiterhin beidflächig mit Matten 30 aus großporig offenzelligem Schaummaterial belegt, auf denen die Bakterienstämme angesiedelt werden.

Zur Einrichtung werden zunächst Bakterien des gewünschten Stammes auf den Matten angesiedelt und bis zur vollständigen Bedeckung der Porenflä­ chen vermehrt. Diese Vermehrung kann - zum Zwecke der Beschleunigung der vollständigen Besiedelung - mittels einer speziell für diesen Zweck herge­ stellten Nährlösung erfolgen, die vollständige Besiedelung erfolgt jedoch selbstverständlich auch unter Betriebsbedingungen im Hinblick darauf, daß sowohl das zweckbestimmt eingesetzte phosphathaltige Abwasser als auch die gegebenenfalls in der Regenerierungsstufe eingesetzte Kohlenstoffquelle in diesem Sinne als "Nährlösung" anzusehen sind.

In der Reinigungsstufe wird phosphathaltiges Abwasser aus dem Abwas­ sertank 6 mittels der Pumpe 2 über Rohrsystem 4 und die Trägerelemente 25 in den Fermenter 1 gepumpt, wobei gleichzeitig zur Erzielung aerober Stoffwechselbedingungen aus dem Druckluftbehälter 9 Luft zudosiert wird. Nach der vollständigen Füllung des Fermenters und Schließen der entsprechenden Ventile erfolgt das Umwälzen des Abwassers im Fermenter mittels der Umwälzpumpe 11 in der Weise, daß das im Fermenter enthaltene Wasser über den Schwimmer 13 angesaugt und über die Leitung 12 in das Trägerelement 25 gepumpt wird. Von dort tritt es über die Durchbohrungen 28 in das Innere des Trägers über und durchströmt von dort die Matten 30. Es ist auf diese Weise durch Zwangsumlauf einerseits eine intensive Berührung des Abwassers mit den Bakterien und weiterhin sichergestellt, daß die gesamte Oberfläche der Matten, d. h. auch die im Matteninneren angesiedel­ ten Bakterien an dem Stoffwechsel und damit der Wasserreinigung teilneh­ men. Das gereinigte Abwasser wird mittels der Pumpe 16 über die Ablauf­ leitung 18 ausgetragen.

Die Reinigung des Abwassers in dieser (aeroben) Phase erfolgt aufgrund des natürlichen Stoffwechsels der Bakterien, durch den unter Abbau von Polyhydroxybuttersäure in den Bakterien das im Abwasser enthaltene Phos­ phat umgesetzt und in Form von Polyphosphat abgelagert wird. Hierbei erfolgt eine erhebliche Vermehrung der Bakterien, die bis zum vollstän­ digen Zuwachsen der Poren in den Matten führen kann. In diesem Stadium wird durch Erhöhung des Drucks der Umwälzpumpe und damit der Strömungsge­ schwindigkeit im Fermenter der überschüssige Teil der Bakterienkultur un­ ter Erhaltung der ursprünglichen Basisbesiedelung vom Träger abgesprengt, der sich als polyphoshatreicher Schlamm im Fermenter absetzt und mittels der Pumpe 16 in den Phosphatschlammbehälter 17 abgezogen werden kann. Die­ ser Schlamm ist in dieser Form oder nach Durchführung eines Trocknungspro­ zesses unmittelbar als Phosphatdüngemittel einsetzbar.

Im Falle des Arbeitens auf eine anderweitige Verwendung des rückgewon­ nenen Phosphates oder zur Regenerierung der (auf dem Träger verbliebenen) Basisbesiedelung wird nach Ablassen des gereinigten Abwasser mittels der Pumpe 2 aus dem Wasserbehälter 7 Wasser in den Fermenter 1 geführt, dem mittels der Dosiereinrichtung 3 aus dem Behälter 8 eine Kohlenstoffquelle in einer auf die Phosphatmenge in den Bakterien abgestimmten Menge zu­ dosiert wird. Hierbei wird auf geeignete Weise die Einstellung und Auf­ rechterhaltung anaerober Stoffwechselbedingungen herbeigeführt. In dieser Phase erfolgt im Gegensatz zur Reaktion in der aeroben Phase eine Abgabe des in den Bakterien akkumulierten Phosphats an das Wasser und Aufnahme der Kohlenstoffquelle sowie deren biologische Umsetzung und Speicherung in Form von Polyhydroxybuttersäure. Dieser Vorgang bewirkt somit nicht nur eine Regenerierung der Bakterienstämme sondern eine - gegenüber dem Abwas­ ser - erhebliche Konzentration des Phosphates in der gebildeten Lösung, durch die die weitere Entsorgung bezw. Rückführung in den Produktions­ kreislauf wesentlich vereinfacht wird.

Zu diesem Zweck wird zunächst - am Ende der anaeroben Phase - even­ tuell gebildeter Schlamm in den Sammelbehälter 17 und anschließend die das gelöste Phosphat enthaltende Flüssigkeit aus dem Fermenter 1 in den Zwi­ schenbehälter 7 gepumpt, worauf aus dem Behälter 22 mittels der Pumpe 24 ein Fällungsmittel, beispielsweise Eisen-(III)-chlorid, hinzugefügt und das auf diese Weise ausgefällte Eisenphosphat in den Phosphatspeicher 21 abgezogen wird. Die Flüssigkeit ist danach wieder für einen weiteren Um­ lauf in der anaeroben Phase verfügbar. Es kann allerdings in dem Behand­ lungswasser nach mehrmaliger Verwendung zu einer Ionen-Akkumulierung, z. B. Chlorionen kommen, in welchem Falle eine Regenerierung der Flüssigkeit in dem Ionenaustauscher 23 erforderlich wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwässern von ihren Phos­ phat-Verunreinigungen und chlorierten Kohlenwasserstoffen, bei dem Bakte­ riengattungen der Stämme Acinetobacter, Moraxella oder Arthrobacter ein­ zeln oder in Kombination miteinander auf einem Träger angesiedelt und ab­ wechselnd unter aeroben und anaeroben Stoffwechselbedingungen zum Einsatz gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bakterien zunächst unter aeroben Stoffwechselbedingungen auf das die Phosphate enthaltende Abwasser zur Wirkung gebracht und nach ihrer Sättigung mit einer eine (von dem ein­ gesetzten Bakterienstamm) abbaubare Kohlenstoffquelle enthaltenden Lösung gespült werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlen­ stoffquelle in Abhängigkeit von dem Bakterienstamm niedermolekulare Fett­ säuren, insbesondere Essigsäure bezw. Acetatlösung, weiterhin chlorierte Kohlenwasserstoffe, Glukose, Kohlehydrate oder dergl. Verwendung finden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aerobe Phase bis zum vollständigen Abbau der Polyhydroxybuttersäure und entsprechend Sättigung der Bakterien mit Polyphosphat und die anaerobe Phase bis zur vollständigen Sättigung der Bakterien mit Polyhydroxybut­ tersäure und entsprechend Ausscheidung des aus dem Polyphosphat gebildeten Phosphats durchgeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nach der anaeroben Phase in der Behandlungsflüssigkeit enthaltende Phosphat chemisch, beispielsweise mittels Eisen-(III)chlorid, ausgefällt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bakterien vor dem Einsatz zur Abwasserreinigung mittels einer speziellen Nährstofflösung bis zum vollständigen Bewuchs des Trägers vermehrt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung der Bakterien während der aeroben und anaeroben Phase in einem Reaktionsgefäß (Fermenter) erfolgt, in den das Abwasser und die Regenerierungslösung abwechselnd zum Durchfluß eingebracht werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen dem Abwasserdurchfluß bezw. Ab­ wasserumlauf dienenden Fermenter (1), in dem die mit den Bakterienkulturen besiedelten Träger (27, 28, 30) gehalten sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger aus einem Rohrrahmen oder einem von Rohren gebildeten Gefachrahmen (27) mit nach innen, d. h. in die Gefache gerichteten Öffnungen (28) bestehen, wobei der Rohr- bezw. Gefachrahmen (27) beidflächig mit Matten (30) aus großporigem offenzelligem Schaummaterial belegt ist, auf denen die Bakte­ rienstämme angesiedelt sind.