DE3733081A1 - Verfahren zur biologischen reinigung von abwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Reinigung von organische Verunreinigungen enthaltendem Abwasser, bei dem das Abwasser in einem Reaktor in Gegenwart von auf Trägermaterial fixierter Biomasse unter Begasen mit Luft und/oder reinem Sauerstoff behandelt wird.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der EP-PS 0 0 75 298 bekannt. Die Biomasse ist dabei auf in einem Reaktor frei beweglichen Trägerteilchen aus makroporösem Stoff angesiedelt. Dadurch kann die Biomassekonzentration gegenüber herkömmlichen Belebungsverfahren erhöht werden. Durch die Verwendung von Trägermaterial aus makroporösem Stoff wird den Mikroorganismen eine große aktive Oberfläche zur Ansiedlung geboten, auf der sie sich gleichmäßig verteilen können. Durch Makroporen werden dabei die Mikroorganismen zu einem dezentralisierten Wachstum gezwungen, wodurch sich eine große Stoffaustauschfläche für Reaktionen zwischen den Mikroorganismen und den Abwasserinhaltsstoffen ergibt.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß derartige Verfahren mit trägergebundener Biomasse bei der Behandlung organisch besonders hochbelasteter Abwässer, die gegebenenfalls auch noch schwer abbaubare Problemstoffe enthalten, an ihre Leistungsgrenzen geraten können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auf einfache und wirtschaftliche Weise hohe Reinigungswerte von hochbelasteten und gegebenenfalls schwer abbaubare Inhaltsstoffe enthaltenden Abwässern erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Abwasser vor der Behandlung mit auf Trägermaterial fixierter Biomasse in einer vorgeschalteten Belebungsstufe bei einer Schlammbelastung von mehr als 1 kg/kg und Tag mit Belebtschlamm behandelt wird und anschließend einer Zwischenklärung unterzogen wird.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die auf dem Trägermaterial fixierte Biomasse die organischen Abwasserinhaltsstoffe vorwiegend oxidativ abbaut. Eine Elimination durch Assimilation und nachfolgender Abscheidung der Biomasse in einer Nachklärstufe kommt aufgrund relativ langsamen Biomasseaustauschs im Trägermaterial kaum zum Tragen. Das wirkt sich bei hochbelasteten Abwasserreinigungsanlagen, die mit trägergebundener Biomasse arbeiten, negativ aus, da bei hoher Schlammbelastung ein Hauptanteil der Verunreinigungen über Assimilation, d.h. in Form von Überschußschlamm entfernt wird.

Es lassen sich in Abwasserreinigungsanlagen zwei Grundtypen von Mikroorganismen charakterisieren. Die sogenannten µ- max-Strategen zeichnen sich durch hohe Wachstums- und Stoffumsatzraten aus. Weiterhin sind sie in der Lage, die leicht abbaubaren Abwasserinhaltsstoffe mit großer Geschwindigkeit zu oxidieren. Mit der Aufnahme der organischen Schmutzstoffe in Körpersubstanz ist eine starke Zunahme von Biomasse verbunden, die in Form von Überschußschlamm aus der Anlage abgezogen werden muß. Ist aber die Biomasse auf Trägermaterial fixiert, so kann das Trägermaterial meist nicht schnell genug von überschüssiger Biomasse befreit werden, um Platz für nachwachsende Biomasse zu schaffen. Die hohen O₂-Zehrungsraten, wie sie bei der Oxidation von leicht abbaubaren Substanzen auftreten, können durch limitierten Stofftransport nicht voll ausgeschöpft werden. Die Reinigungsleistung der Anlage stößt an ihre Grenzen.

Die zweite Gruppe von Mikroorganismen wird als K-Strategen bezeichnet. Diese weisen eine niedrige Wachstumsrate, aber eine hohe Substrataffinität auf. Es handelt sich gewissermaßen um Experten, die in der Lage sind, bestimmte Schmutzstoffe gezielt abzubauen. Dabei erfolgt meist nur in begrenztem Umfang eine Aufnahme der Schmutzstoffe in Körpersubstanz, vielmehr werden die Abwasserinhaltsstoffe durch Oxidation in andere, größtenteils unschädliche Stoffe umgewandelt. Dabei spielen die Mikroorganismen die Rolle eines Katalysators. Beispielhaft seien hier die Nitrifikanten erwähnt, die Ammoniak in Nitrat und Nitrat umwandeln.

Das wesentliche der Erfindung besteht darin, die beiden Grundtypen von Mikroorganismen gezielt verschiedenen Verfahrensschritten zuzuordnen und voneinander zu trennen.

Durch das Vorschalten einer hochbelasteten Belebtschlammstufe vor die eigentliche trägergebundene Biologie werden in der ersten Behandlungsstufe die schnellwachsenden sogenannten µ-max.-Strategen selektiert, die den Hauptanteil der organischen Schmutzfracht in Körpersubstanz überführen bzw. adsorbieren sowie die leicht abbaubaren Inhaltsstoffe oxidieren. In der anschließenden Zwischenklärung werden die an Biomasse fixierten Schmutzstoffe vom Abwasser abgetrennt.

In der nachfolgenden mit trägergebundener Biomasse arbeitenden Behandlungsstufe, die nun viel niedriger belastet werden kann, werden dagegen Organismen selektiert, die lange Verdoppelungszeiten haben, somit zum Überleben ein hohes Schlammalter benötigen und bei relativ niedriger Wachstumsrate eine hohe Substrataffinität besitzen. Diese K-Strategen sorgen für die Elimination schwerer abbaubarer Schmutzstoffe vorwiegend durch Oxidation.

Mit der Erfindung wird somit erreicht, daß die mit Trägermaterial arbeitende Behandlungsstufe immer in einem optimalen Belastungsbereich betrieben wird, in dem der Abbau stark oxidativ erfolgt. Dadurch kommt das dissimilatorische Leistungspotential der auf Trägermaterial fixierten Biomasse voll zum Tragen.

Zur Erzielung der geschilderten Selektion der Mikroorganismen muß die hochbelastete vorgeschaltete Belebtschlammstufe bei einer hohen Schlammbelastung von mehr als 1 kg/kg und Tag betrieben werden. Außerdem soll kein Schlamm aus der Belebtschlammstufe in den nachfolgenden mit trägergebundener Biologie arbeitenden Reaktor abfließen. Deshalb ist eine Zwischenklärung nach der Belebtschlammstufe vorgesehen.

Durch die erfindungsgemäße Kombination einer hochbelasteten Belebtschlammstufe mit einer nachgeschalteten niedrig belasteten mit trägergebundener Biomasse arbeitenden Behandlungsstufe wird eine optimale Trennung der geschilderten Mikroorganismengruppen erreicht. Die langsam wachsenden, auf bestimmte Schmutzstoffe spezialisierten K-Strategen sind meist sessiler Natur und finden auf dem Trägermaterial bei niedriger Schlammbelastung optimale Umweltbedingungen vor.

Die Erfindung ermöglicht daher einerseits Abwasser mit hoher organischer Pracht auf niedrige Rest-BSB₅-Werte durch die vorgeschaltete hochbelastete Belebtschlammstufe zu reinigen, andererseits werden aber auch Problemstoffe, wie z.B. organische Stickstoffverbindungen, Phenole, Aldehyde usw. durch die mit trägergebundener Biologie arbeitende Behandlungsstufe weitgehend entfernt. Die Erfindung bietet also die Möglichkeit, besonders komplex zusammengesetzte Abwässer, wie sie z.B. bei Großstädten mit hohem Industrieanteil auftreten, auf wirtschaftliche Weise zu reinigen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß meist kleine Nachklärbecken ausreichen, da die mit trägergebundener Biomasse arbeitende Behandlungsstufe auch mit geringen freien Trockensubstanzkonzentrationen, von weniger als 3 g/l auskommen kann und demzufolge nur eine geringe Schlammenge abgeschieden werden muß. Bei freien Trockensubstanzkonzentrationen von weniger als ca. 0,5 g/l kann die Abscheidung kostengünstig über Filter oder Separatoren erfolgen. Im Extremfall, wenn bei Raumbelastungen von weniger als 0,5 kg/m³.Tag gearbeitet wird, kann die Feststoffabscheidung weitgehend entfallen, da aufgrund der geringen Belastung die Biomasse fast ausschließlich im Trägermaterial fixiert ist. Hier sind Schönungsteiche für die Abscheidung von Feststoffspuren ausreichend.

Zweckmäßigerweise wird die Behandlung des Abwassers mit auf Trägermaterial fixierter Biomasse bei einer möglichst niedrigen Schlammbelastung durchgeführt. Vorteilhaft sind hier Schlammbelastungen von weniger als 0,5 kg/kg und Tag. Somit finden die langsam wachsenden K-Strategen optimale Bedingungen vor.

Es hat sich ferner als günstig erwiesen, in der vorgeschalteten hochbelasteten Belebtschlammstufe eine Raumbelastung von 1,5 bis 1 kg/m³ und Tag aufrecht zu erhalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als Trägermaterial für die Biomasse makroporöse Stoffe, z.B. aus Polyurethanweichschaum, Harnstoff/Formaldehyd-Harzen, Polyolefinen und Silikonpolymer verwendet. Die langsam wachsenden, sessilen K-Strategen finden hier optimale Bedingungen zur Ansiedlung und zum Stoffaustausch mit den Abwasserinhaltsstoffen vor.

Besonders vorteilhaft sind als Trägermaterial einzelne Stoffteilchen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 50 mm. Eine weitere Verbesserung des Stoffaustauschs ist dadurch möglich, daß die Stoffteilchen frei beweglich im in dem Reaktor befindlichen Abwasser schweben.

Es ist aber auch möglich, als Trägermaterial fest im Reaktor installierte Platten oder Bahnen zu verwenden. Dabei können die Platten oder Bahnen in Strömungsrichtung oder senkrecht zur Strömungsrichtung des Abwassers angeordnet sein. Diese Variante der Erfindung weist den Vorteil auf, daß keine Rückhaltemechanismen zum Zurückhalten des Trägermaterials vom Abfluß des Reaktors vorgesehen werden müssen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, das Trägermaterial ständig oder von Zeit zu Zeit von überschüssiger Biomasse zu befreien. Dies kann durch übliche bekannte Regeneriereinrichtungen erfolgen. Dadurch wird immer wieder neue Aufwuchsfläche für nachwachsende Biomasse geschaffen. Aufgrund der niedrigen Schlammbelastung in der mit trägergebundener Biomasse arbeitenden Behandlungsstufe sind jedoch die Wachstumsraten der fixierten Mikroorganismen gering, so daß keine oder nur kleindimensionierte Regeneriereinrichtungen genügen.

Im folgenden sei die Erfindung anhand eines in einer Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

Die Figur zeigt ein Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Stark mit organischen Schmutzstoffen und mit schwer abbaubaren Problemstoffen belastetes Abwasser einer Großstadt wird bei der in der Figur schematisch dargestellten, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Anlage über Zulauf 1, dem Belebtschlammbecken 2, das als volldurchmischtes Belebungsbecken ausgebildet ist, zugeführt. Das Belebungsbecken 2 wird bei einer hohen Schlammbelastung von 2 kg/kg und Tag und einer Raumbelastung von 4 kg/m³ betrieben. Dadurch werden schnellwachsende Mikroorganismen, die sogenannten µ-max.-Strategen selektiert, die für einen weitgehenden Abbau der organischen Schmutzfracht durch Aufnahme der Schmutzstoffe in die Körpersubstanz, durch Adsorption und durch schnelle Veratmung der leicht abbaubaren Schmutzstoffe sorgen. Das so behandelte Abwasser wird anschließend über Leitung 3 einer Zwischenklärstufe zugeführt, wo die mit Schmutzstoffen beladene Biomasse vom überstehenden Abwasser abgetrennt wird. Ein Teil der beladenen Biomasse wird über Leitung 5 als Rücklaufschlamm wieder in das Belebungsbecken 2 zurückgeleitet, der Rest wird als Überschußschlamm über Leitung 6 aus der Anlage abgezogen.

Das überstehende, geklärte Abwasser wird über Leitung 7 dem mit auf Trägermaterial fixierter Biomasse arbeitenden Reaktor 8 zugeführt. Im Reaktor 8 sind als Trägermaterial einzelne Stoffteilchen mit einem Durchmesser von ca. 10 mm, einem spezifischen Gewicht von ca. 100 kg/m³ und mit offenen Makroporen von ca. 0,5 mm im Abwasser freischwebend angeordnet. Die Stoffteilchen bestehen aus Polyurethanweichschaum und werden in einer Menge in den Reaktor 8 eingebracht, die einem Volumenanteil von ca. 30% des Volumens des Reaktors 8 entspricht. Die Stoffteilchen bieten den langsam wachsenden, meist sessilen Mikroorganismenarten, die als K-Strategen bezeichnet werden und eine hohe Substrataffinität aufweisen, ideale Umweltbedingungen. Dadurch, daß die Stoffteilchen frei beweglich im Abwasser schweben, ist ein guter Stoffaustausch zwischen den Mikroorganismen und den Abwasserinhaltsstoffen gegeben. In dem Reaktor 8 findet im wesentlichen der Abbau der schwer abbaubaren Problemstoffe durch Oxidation unter Einwirkung der auf den Stoffteilchen fixierten Biomasse statt. Auf diese Weise wird z.B. Ammoniak zu Nitrit und Nitrat oxidiert, oder Phenol, Aldehyd usw. zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut. Der für die Oxidation der Schmutzstoffe und die Lebenstätigkeit der Mikroorganismen nötige Sauerstoff wird in Form von Luft über herkömmliche in der Figur nicht dargestellte Tiefenbelüftungseinrichtungen in den Reaktor eingebracht. Das behandelte Abwasser wird über Leitung 10 einem Nachklärbecken 11 zugeführt, wo das gereinigte Abwasser von Schlamm getrennt wird. Der Schlamm wird teilweise über Leitung 12 in den Reaktor 8 zurückgeführt, teilweise als Überschußschlamm über Leitung 13 abgezogen. Das gereinigte Abwasser verläßt über Leitung 14 die Anlage. Das Nachklärbecken 11 kann klein bemessen sein, da im Reaktor 8 nur eine geringe freie Trockensubstanzkonzentration von ca. 0 bis ca. 3 g/l vorliegt.

Claims (11)

1. Verfahren zur biologischen Reinigung von organische Verunreinigungen enthaltendem Abwasser, bei dem das Abwasser in einem Reaktor in Gegenwart von auf Trägermaterial fixierter Biomasse unter Begasen mit Luft und/oder reinem Sauerstoff behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser vor der Behandlung mit auf Trägermaterial fixierter Biomasse in einer vorgeschalteten Belebungsstufe (2) bei einer Schlammbelastung von mehr als 1 kg/kg und Tag mit Belebtschlamm behandelt wird und anschließend einer Zwischenklärung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit auf Trägermaterial fixierter Biomasse bei einer Schlammbelastung von weniger als 0,5 kg/kg und Tag durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der vorgeschalteten Belebungsstufe (2) eine Raumbelastung von 1,5 bis 10 kg/m³ und Tag aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial makroporöse Stoffe verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial einzelne Stoffteilchen (9) mit einem Durchmesser von 0,5 bis 50 mm verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffteilchen frei im Abwasser schwebend im Reaktor (8) angeordnet sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial Platten oder Bahnen verwendet werden, die im Reaktor fest angeordnet sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial von überschüssiger Biomasse befreit wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Behandlung mit auf Trägermaterial fixierter Biomasse eine Konzentration an freier Trockensubstanz von mehr als ca. 0,5 g/l aufrechterhalten wird und anschließend das Abwasser in einer nachgeschalteten Nachklärstufe einer Feststoffabtrennung unterzogen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Behandlung mit auf Trägermaterial fixierter Biomasse eine Konzentration an freier Trockensubstanz von weniger als ca. 0,5 g/l aufrechterhalten wird und anschließend das Abwasser in einem nachgeschalteten Filter oder Separator einer Feststoffabtrennung unterzogen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Behandlung mit auf Trägermaterial fixierter Biomasse eine Raumbelastung von weniger als 0,5 kg/m³.Tag aufrechterhalten wird und keine anschließende Feststoffabtrennung durchgeführt wird.