DE4331434C1 - Filtereinrichtung zur Endreinigung von Abwasser - Google Patents

Filtereinrichtung zur Endreinigung von Abwasser

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Description

Die Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung zur Endreinigung von Abwasser hinter den biologischen Abbaustufen einer Abwasserbehandlungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Feinreinigung organisch belasteter Abwässer werden vielfach Biofilter als Endreinigungsstufe eingesetzt. Solche Biofilter weisen spezielle Einbauten oder Schüttungen aus Füllmaterial auf, um durch eine vergrößerte Oberfläche das Aufwachsen sessiler Mikroorganismen zu begünstigen. Durch die biologische Abbauleistung der Mikroorganismen kann eine wesentliche Verminderung der organischen Restbelastung erreicht werden. Die weitere Funktion derartiger Biofilter besteht darin, sowohl aus vorhergehenden Behandlungsstufen stammende Feststoffteilchen als auch Belebtschlammflocken aus dem Prozeß des Abbaus der organischen Restbelastung wirksam zurückzuhalten.
Für diesen Einsatzzweck sind zahlreiche unterschiedlich konzipierte Filtereinrichtungen bekanntgeworden wie beispielsweise:
  • - Kombinierte Systeme mit getrenntem Reaktor-, Biofilter- und Absetzbehälterteil, wobei vor dem Filterteil auch die Zugabe von sauerstoffhaltigem Gas vorgesehen sein kann,
  • - kombinierte Systeme mit getrenntem Tropfkörperteil für den Zutritt von sauerstoffhaltigem Gas zum Abwasser mit nachgeschaltetem ein- oder mehrstufigem Filterteil,
  • - Festbettfilter, bei denen nur im Abwasserzulauf ein sauerstoffhaltiges Gas zugesetzt wird, ohne daß eine Rezirkulation einer Abwasserteilmenge erfolgt,
  • - Festbettfilter mit Rezirkulation einer Abwasserteilmenge und mit separater Zugabe eines sauerstoffhaltigen Gases zum Abwasser sowie
  • - Systeme mit Wirbel- und Festbett im Aufstromverfahren mit schwimmfähigen Festkörpern, wobei die Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases in das Abwasser und eine Rezirkulation eines Teilstroms erfolgen.
Diese Filtereinrichtungen zeichnen sich entweder durch mehrstufige oder getrennte Behälter als bauaufwendig aus und/oder lassen im biologisch aktiven Teil des Filters, in dem der Abbau der organischen Restbelastung weitgehend erfolgen soll, nur einen relativ kleinen Sauerstoffeintrag zu. Durch diesen begrenzten Sauerstoffeintrag ist jedoch auch die mögliche Abbauleistung an organischen Kohlenstoffverbindungen stark begrenzt. Der Sauerstoffbedarf für den aeroben Abbau errechnet sich wie folgt:
1 g/L BSB₅ benötigt ca. 2,5 g/l O₂.
Da jedoch bei atmosphärischem Druck und z. B. 15°C nur ca. 10 mg/l O₂ im Wasser gelöst werden können, kann bei höheren erforderlichen Abbauraten nur durch Zirkulation des Abwassers bei ständigem Luft-/Sauerstoffangebot der erforderliche Sauerstoffeintrag in das Abwasser gewährleistet werden.
Aus der gattungsbildenden EP 0 347 296 B1 ist eine Filtriereinrichtung bekannt, bei der in einem Behälter ein aus schwimmfähigem Schüttmaterial gebildetes Wirbelbett im unteren Teil des Behälters gebildet wird. Unmittelbar darüber ist ein Festbett aus ebenfalls schwimmfähigem, aber vergleichsweise feinkörnigerem und noch leichterem Schüttmaterial angeordnet. Das Festbett wird nach oben durch einen Lochboden gehalten, dem eine Stützschicht aus wiederum noch leichterem körnigem Material vorgelagert ist. Diese Vorrichtung arbeitet nach dem Aufstromprinzip, d. h. das zu behandelnde Abwasser wird von unten in den Behälter eingeführt und im oberen Teil hinter dem Festbett wieder abgezogen. Um die biologischen Abbauvorgänge zu fördern, wird über eine Begasungseinrichtung im unteren Teil des Wirbelbetts ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Damit bei höherer organischer Restbelastung eine ausreichende Abbaurate erzielbar ist, kann eine Teilmenge des aus dem Behälter abgezogenen Abwassers im Sinne einer Rezirkulation in den unteren Teil des Behälters zurückgeführt werden.
Bei derartigen Systemen mit Aufströmdurchfluß und mit schwimmfähigen Füllkörpern ist die Ausbildung eines Wirbel- oder Schwebebettes nicht oder nur sehr begrenzt möglich. Weiterhin treten Probleme durch Verschlammung und durch den sich zwangsläufig daraus ergebenden höheren Druckverlust bei der Durchströmung eines 2-Phasen-Mediums (Gasblasen und Wasser) durch das Festbett, die Trennschicht und den Lochboden auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Filtereinrichtung dahingehend zu verbessern, daß die vorgenannten Mängel weitgehend vermieden werden.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 16 angegeben.
Die Erfindung gewährleistet bei äußerst einfacher Bauweise in Form eines einstufigen Behälters
  • - einen größtmöglichen Luft/Sauerstoffeintrag,
  • - einen effektiven Abbau der organischen Restbelastung in einer biologisch aktiven Belebungszone mit einer wirksamen Feststoffabtrennung in der anschließenden Feinfiltration und
  • - eine einfache Reinigung und problemloses Austragen des gebildeten Überschußschlamms aus dem Gesamtsystem durch Anwendung der herkömmlichen Rückspültechnik.
Die erfindungsgemäße Filtereinrichtung zeichnet sich durch einen Schwebebettanteil und einen Festbettanteil für den biologischen Abbau und die erforderliche Filtration des zufließenden Abwassers aus. In der über dem Filtermaterial des Festbettes befindlichen Schicht, die durch das Einströmen vorzugsweise eines Luft-Wasser-Gemisches über einen Verteiler gut durchwirbelt und mit Luft (oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas) gesättigt ist, bildet sich eine Belebungszone in Form eines Wirbelbetts aus, in dem der biologische Abbau organischer Substanzen aus dem zulaufenden Abwasser erfolgt. Um den zum biologischen Abbau erforderlichen Sauerstoffeintrag mit Luft zu erreichen, wird ein Teil des ablaufenden Abwassers mittels einer Umwälzpumpe zirkuliert und dabei zusätzlich mit Luft angereichert und wieder in die Filtereinrichtung oberhalb des Festbettes und unterhalb des Schwebebettes über ein Verteilersystem zurückgeführt. Diese Rezirkulation und die Luftzufuhr ermöglichen neben dem Sauerstoffeintrag die erforderliche Auftriebsgeschwindigkeit für den Aufbau des Schwebebettes durch die aufsteigenden Luftblasen.
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch eine erfindungsgemäße Filtereinrichtung in Form eines Schnittbildes, wobei Fig. 1 die Phase des Stillstandes und Fig. 2 den Betriebsfall mit ausgebildetem Wirbelbett wiedergeben.
Die Filtereinrichtung weist einen zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen vorzugsweise geschlossenen Behälter 1 mit einer (nicht dargestellten) Entlüftungseinrichtung im oberen Behälterteil auf. Selbstverständlich kann der Behälter 1 auch oben offen sein. Im unteren Teil des Behälters 1 ist ein Lochboden 18 mit Abstand vom Behälterboden angeordnet. Für den Durchtritt von Wasser ist der Lochboden 18 in an sich bekannter Weise mit Filterdüsen 7 bestückt. Unmittelbar auf dem Lochboden 18 liegt eine Stützschicht 6, die beispielsweise aus einer Kiesschüttung von vorzugsweise maximal 0,5 m Dicke besteht und die Aufgabe hat, die Filterdüsen 7 vor Verstopfung durch Feststoffteilchen (Filtermaterial) zu schützen. Auf der Stützschicht 6 ruht eine als Festbett 5 ausgebildete Schicht eines Fittermaterials 18, das gegebenenfalls auch direkt auf den Lochboden 7 aufgebracht sein könnte. Als Filtermaterial kommen insbesondere Schüttungen von körnigen porösen Stoffen wie Aktivkohle, Hydroanthrazit, Blähton oder Bims oder auch Mischungen derartiger Stoffe untereinander oder mit anderen Stoffen in Frage. Bevorzugt werden überwiegend oder ganz aus porösen Stoffen gebildete Feststoffschüttungen. Das Festbett 5 geht nach oben, ohne daß eine Trennwand dazwischen vorgesehen ist, über in den Raum für das Wirbelbett 11, der eine Schüttung aus einem körnigen Material 4 enthält, das vorzugsweise artgleich wie das Filtermaterial 18 ist, also zweckmäßigerweise eine poröse Struktur aufweist und somit eine große Oberfläche für den Aufwuchs von sessilen Mikroorganismen bietet. Auf den Lochboden 18 bzw. auf die Stützschicht 6 kann also eine einzige Schüttung aus Filtermaterial 4, 18 für das Festbett 5 und das Wirbelbett 11 aufgebracht sein. Diese Schüttung sollte vorzugsweise das Volumen des Behälters 1 im Ruhezustand etwa zur Hälfte ausfüllen. Dabei sollte die Schütthöhe des Filtermaterials 18 für das Festbett 5 im Bereich 0,5- 3,5 m und die des Filtermaterials 4 für das Wirbelbett 11 im Bereich 1,0 -6,5 m betragen.
Im oberen Teil des Behälters 1 ist eine Abwasserzuleitung 2 angeordnet, die in einem in der Nähe der oberen Abdeckung des Behälters 1 angebrachten Zulaufverteiler 10 mündet. Unterhalb des Lochbodens 18 kann behandeltes Abwasser durch eine Ableitung 8 aus dem Behälter 1 herausgeführt werden. Von dieser Ableitung 8 zweigt eine Zirkulationsleitung 16 ab, die in dem Behälter 1 im Bereich des unteren Teils des Wirbelbetts 11 mündet. In die Zirkulationsleitung 16 sind eine Umwälzpumpe 15 und eine Mischeinrichtung 13 eingeschaltet. Der Mischeinrichtung 13 kann über eine Luftzuführung 14 Druckluft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas zugeführt werden, welches dann intensiv mit dem durch die Zirkulationsleitung 16 geförderten Abwasserteilstrom gemischt wird, um diesen mit Sauerstoff anzureichern. Die Zirkulationsleitung 16 endet in einem Verteiler 12, der sicherstellt, daß das umgewälzte Abwasser großflächig über den Querschnitt des Behälters 1 verteilt in diesen eintritt. Die durch das einströmende Abwasser verursachten Verwirbelungen und insbesondere die mit dem Abwasser mitgeführten und im Behälter 1 aufsteigenden Gasbläschen sorgen für eine intensive Durchmischung des Abwassers und eine Aufwirbelung des Filtermaterials 4 im oberen Teil des Behälters 1 und bewirken somit die Ausbildung des Wirbelbetts 11 (Fig. 2). Wenn die Zirkulationsleitung 16 nicht betrieben wird, also der Ruhezustand vorliegt, findet keine Bewegung des Filtermaterials 4 statt (Fig. 1).
Anstelle der bevorzugt eingesetzten Mischvorrichtung 13 könnte auch vorgesehen sein, die Einleitung eines sauerstoffhaltigen Gases unmittelbar im Behälter 1 vorzunehmen. Hierzu wäre aber ein großflächiges zweites Verteilersystem erforderlich, was mit entsprechendem Bauaufwand verbunden wäre und zusätzliche Probleme wegen der Verstopfungsgefahr für die Gasaustrittsöffnungen mit sich bringen würde.
Um bei Betriebsstillständen einer Verstopfung der Austrittsöffnungen des Verteilers 12 der Zirkulationsleitung 16 z. B. durch das Filtermaterial 4 vorzubeugen, empfiehlt es sich, bei Einsatz eines rohrförmigen Verteilers 12 die Austrittsöffnungen jeweils an der Rohrunterseite anzubringen, wie dies im dargestellten Beispiel der Fall ist.
Bei ordnungsgemäßem Betrieb ist der Behälter 1 mindestens bis zur Oberkante des Zulaufverteilers 10 mit Abwasser gefüllt. Der Zulauf an zu behandelndem Abwasser und der Querschnitt des Behälters 1 sind derart aufeinander abgestimmt, daß die Durchströmung des Wirbelbetts 11 von oben nach unten mit einer mittleren Durchsatzgeschwindigkeit von nicht mehr als 10 m/h erfolgt. Mit der mittleren Durchsatzgeschwindigkeit ist nicht die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit (abhängig von der Rezirkulation) des Abwassers innerhalb des Wirbelbetts 11 gemeint, die in der Regel ein Mehrfaches dieser Durchsatzgeschwindigkeit beträgt. Vielmehr handelt es sich hierbei um den Quotienten aus der Abwasserzulaufmenge je Zeiteinheit und dem Behälterquerschnitt im Bereich des Wirbelbetts 11. Die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Festbetts 5 liegt vorzugsweise im Bereich 10 bis 100 m/h. Der Behälterquerschnitt, der Leitungsquerschnitt der Zirkulationsleitung 16 und die Förderleistung der Umwälzpumpe 15 sind dementsprechend aufeinander abgestimmt bzw. entsprechend regelbar. Es empfiehlt sich die Rezirkulation so zu betreiben, daß je Zeiteinheit etwa das 1- bis 3-Fache der zulaufenden Abwassermenge (Rezirkulationsrate) umgewälzt wird. Wenn, wie dies bevorzugt wird, als sauerstoffhaltiges Gas Druckluft eingesetzt wird, liegt die einzuspeisende Luftmenge im Bereich 0,5-10 Nm³/h je m³ neu zulaufenden Abwassers. Entsprechend ist die Luftzuführung 14 auszulegen. Je höher die organische Restbelastung des zugeführten Abwassers ist, um so höher muß dieser Wert sein. Entsprechendes gilt für die Rezirkulationsrate.
Insbesondere der sich auf dem Filtermaterial 4 des Wirbelbetts 11 bildende Aufwuchs von sessilen Mikroorganismen sorgt für einen Abbau an organischen Abwasserinhaltsstoffen und führt somit zu einer weitestgehenden Eliminierung der organischen Belastung. Der Raum des Wirbelbetts 11 wirkt also als Belebungszone. Das Festbett 5, in dem sich zwar ebenfalls ein Aufwuchs an Mikroorganismen bildet und das insoweit auch einen Beitrag zur Abbauleistung der Filtereinrichtung insbesondere bezüglich der schwer utilisierbaren Abwasserinhaltsstoffe leistet, hat in erster Linie aber die Aufgabe, eine Feinfiltrierung des Abwassers zu bewirken. Teilchenförmige Inhaltsstoffe, vor allem ausgeschwemmte Biomasse und eventueller Abrieb des Filtermaterials 4 werden wirksam zurückgehalten. Von Zeit zu Zeit muß dieses festgehaltene Material ausgetragen werden. Hierzu ist die Anwendung der herkömmlichen Rückspültechnik vorgesehen. Unterhalb des Lochbodens 18 ist daher eine Zuführung für Spülwasser 17 und vorzugsweise für zusätzliche Spülluft S vorgesehen. Die Zuführungen 9, 17 können, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, auch mit dem Ausgang der Zirkulationsleitung 16 kombiniert sein, die während des Rückspülvorgangs ansonsten ebenso wie die Abwasserzuleitung 2 und die Abwasserableitung 8 gesperrt ist. Die dazu erforderlichen Ventile sind nicht dargestellt worden. Durch Einleitung von Rückspülwasser/Luft mit ausreichend hohem Druck werden die im Festbett 5 festgehaltene Teilchen ausgeschwemmt. Durch die grobe Kiesschüttung der Stützschicht 6 wird die Rückspülflüssigkeit gleichmäßig über den Querschnitt des Behälters 1 verteilt. Der aufgelockerte Schmutz verläßt mit dem Spülwasser über den Zulaufverteiler 10, der jetzt all Überlaufrinne wirkt, den Behälter 1 und wird über eine geöffnete Schmutzwasserableitung 3 in vorgelagerte Behandlungsstufen der Abwasserreinigungsanlage (nicht dargestellt) zurückgeführt.

Claims (17)

1. Filtereinrichtung zur Endreinigung von Abwasser hinter den biologischen Abbaustufen einer Abwasserbehandlungsanlage,
  • - mit einem Behälter (1), in dem übereinander ein Festbett (5) zur Filtration und Feststoffabtrennung und ein Wirbelbett (11) zum biologischen Abbau der organischen Restbelastung angeordnet sind,
  • - mit einer Zirkulationsleitung (16) zur Rückführung einer Teilmenge des aus dem Behälter (1) ausströmenden behandelten Abwassers in das Wirbelbett (11),
  • - mit einer Zuleitung (2) für zu behandelndes Abwasser in das Wirbelbett (11),
  • - mit einer Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases in den unteren Teil des Wirbelbetts (11) und
  • - mit einer in Strömungsrichtung hinter dem Festbett (5) angeordneten Ableitung (8) für behandeltes Abwasser,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Festbett (5) unterhalb des Wirbelbetts (11) auf einem Lochboden (18) angeordnet ist,
  • - daß die Zuleitung (2) für das zu behandelnde Abwasser im oberen Teil des Wirbelbetts (11) in den Behälter (1) mündet, und
  • - daß die Zirkulationsleitung (16) unterhalb des Lochbodens (18) aus dem Behälter (1) herausführt und im unteren Teil des Wirbelbetts (11) wieder in den Behälter (1) mündet.
2. Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zirkulationsleitung (16) vor dem Eintritt in den Behälter (1) eine Mischeinrichtung (13) für die Einleitung des sauerstoffhaltigen Gases in das Abwasser angeordnet ist und daß ein Verteiler (12) vorgesehen ist, aus dem das zurückgeführte Abwasser aus der Zirkulationsleitung (16) über den Querschnitt des Behälters (1) großflächig verteilt austreten kann.
3. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelbett (11) überwiegend oder ganz aus einem die Ansiedlung sessiler Mikroorganismen begünstigenden porösen Filtermaterial (4) gebildet ist.
4. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Festbett (5) überwiegend oder ganz aus einem porösen Filtermaterial (19) gebildet ist.
5. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial (4, 19) aus Aktivkohle, Hydroanthrazit, Blähton oder Bims besteht.
6. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lochboden (18) mit Filterdüsen (7) bestückt ist.
7. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lochboden (18) und dem Filtermaterial (19) des Festbetts (5) eine Stützschicht (6), insbesondere eine als grobe Kiesschüttung ausgebildete Stützschicht angeordnet ist.
8. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil des Behälters (1) mindestens ein Leitungsanschluß für die Einleitung von Rückspülwasser (17) mit oder ohne zusätzlicher Spülluft (9) unterhalb des Lochbodens (18) vorgesehen ist.
9. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schütthöhe des Filtermaterials (19) für das Festbett (5) 0,5-3,5 m beträgt.
10. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Stützschicht (6) maximal 0,5 m beträgt.
11. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schütthöhe des Filtermaterials (4) für das Wirbelbett (11) 1,0-6,5 m beträgt.
12. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung des Filtermaterials (4, 19) von Fest- (5) und Wirbelbett (11) etwa die Hälfte des Volumens des Behälters (1) ausfüllen.
13. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zirkulationsleitung (16) eine Umwälzpumpe (15) eingeschaltet ist, deren Förderleistung derart regelbar ist, daß je Zeiteinheit das 1- bis 9-Fache der zulaufenden zu behandelnden Abwassermenge umgewälzt wird.
14. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des sauerstoffhaltigen Gases als Luftzuführung, insbesondere als in die Mischvorrichtung (13) mündende Luftzuführung (14) ausgebildet ist, deren Luftförderleistung in Abhängigkeit von der zulaufenden Abwassermenge im Bereich von 0,5-10 Nm³/h je m³ Abwasser einstellbar ist.
15. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Behälters (1) abhängig von der vorgesehenen Zulaufmenge an zu behandelndem Abwasser derart ausgelegt ist, daß die Durchströmung des Wirbelbetts (11) mit einer mittleren Durchsatzgeschwindigkeit von maximal 10 m/h erfolgt.
16. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Behälters (1) abhängig von der Förderleistung in der Zirkulationsleitung (16) derart ausgelegt ist, daß die Durchströmung des Festbettes (5) mit einer mittleren Geschwindigkeit von 10-100 m/h erfolgt.
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