DE60010741T2

DE60010741T2 - Verfahren zur entfernung von nicht biologisch abbaubaren stoffen

Info

Publication number: DE60010741T2
Application number: DE60010741T
Authority: DE
Inventors: Michel Cordier; Xavier Le Bosse
Original assignee: Ondeo Degremont
Current assignee: Suez International SAS
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: FR2798924B1; ATE266604T1; ES2220535T3; DE60010741D1; WO2001021535A1; EP1226095A1; AU7428900A; EP1226095B1; FR2798924A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Behandlung insbesondere von Abwässern, wobei sie auf die Entfernung von organischer, gegen biologischen Abbau widerstandsfähiger Materie und der sich daraus ergebenden Nebenprodukte abzielt.
Es ist bekannt, dass die Reduzierung der gelösten, gegen eine biologische Behandlung widerstandsfähigen organischen Materie, auch „harte DCO" genannt, in Ergänzung zu einer biologischen Behandlung gemäß den bekannten, hiernach aufgeführten Verfahren ausgeführt werden kann:

a) ein abschließender Schritt der Oxidation durch klassische Belebtschlämme oder durch einen Membran-Bioreaktor, angewendet stromab der biologischen Behandlung. Dieser Oxidations-Schritt wird in einem speziellen Reaktor ausgeführt, der den Kontakt zwischen dem Oxidans (Ozon, Wasserstoff-Peroxyd, ...) und dem Wasser sicherstellt, das die organische Materie enthält, in Anwesenheit eines Katalysators oder ohne Katalysator. Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens sind seine Kosten, da man zwischen 2 und 3 kg Ozon pro kg abgeführter DCO einspeisen muss, um die organische Materie in CO₂ und in H₂O umzuwandeln.
b) ein Schritt der Oxidation in einer Schleife in einem Kontakt-Reaktor, der in eine Rückführschleife eingebaut ist, die zwischen dem Ausfluss und dem Zulauf einer biologischen Behandlung angeordnet ist.

Man kann so den Ozon-Verbrauch auf rund 0,7 kg Ozon pro kg abgeführter DCO verringern, da es genügt, die nicht biologisch abbaubaren Moleküle in kleinere Moleküle zu zerlegen, die biologisch abbaubar sind. Jedoch hat dieses Verfahren den Nachteil, dass es sehr durch den Rücklaufanteil zu dem Becken belastet ist, in dem die biologische Behandlung erfolgt, und der etwa 200 bis 400 % des zufließenden Massenstroms ist (je nach Anwendung), was wiederum, abgesehen von dem einhergehenden Energieverbrauch, eine hydraulische Überlast erzeugt, und es erfordert, das Abscheide-Mittel in der biologischen Behandlung um einen Faktor 2 bis 4 überzudimensionieren.
Beispielsweise beschreibt das Dokument EP-A-0 881 195 ein Verfahren zum Behandeln von mit nicht biologisch abbaubarer organischer Materie belasteten Abwässern, angewendet in einem belüfteten biologischen Becken und in einem Reaktor für die chemische Oxidation durch Einspritzen eines ozonisierten Gases. Die Belebtschlämme werden mit dem ozonisierten Gas in dem Reaktor gemischt: die nicht biologisch abbaubare organische Materie wird so biologisch abbaubar gemacht und wird zum biologischen Becken rückgeführt.
Auch das Dokument JP 10005762 beschreibt ein Verfahren zum Behandeln von Abwässern, angewendet in einem belüfteten biologischen Becken und in einem Reaktor für die chemische Oxidation durch Einspritzen eines ozonisierten Gases. Die gemischte Flüssigkeit aus Belebtschlämmen wird aus dem biologischen Becken abgezogen und wird in dem Reaktor mit dem ozonisierten Gas gemischt. Das behandelte Wasser wird sodann aus dem biologischen Becken abgezogen und von den Schlämmen in einem Membranfilter abgeschieden.
Schließlich ist es bekannt, aus dem Gesetz von Henry, dass eine Erhöhung des Gasdrucks (zum Beispiel Ozon) seinen Transferkoeffizienten in der flüssigen Phase erhöht, wobei so der Wirkungsgrad der Oxidations-Reaktion erhöht wird. Jedoch erfordert die Kompression eines ozonisierten Gases die Verwendung von Materialien, die widerstandsfähig gegen die Korrosion durch das Ozon sind, sie bringt einen hohen Energieverbrauch mit sich, und sie erweist sich deshalb als sehr aufwändig.
Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, die gelöste organische Materie zu reduzieren, die insbesondere in Abwässern vorhanden und widerstandsfähig gegen eine biologische Behandlung ist, das nicht die hiervor präzisierten Nachteile des Standes der Technik hat.
Folglich hat diese Erfindung als Gegenstand ein Verfahren zum Entfernen von organischer Materie, die insbesondere in Abwässern enthalten und die widerstandsfähig gegen eine biologische Behandlung ist, angewendet in einem Bioreaktor mit anorganischen oder organischen und ozonbeständigen Membranen für Mikrofiltration oder Ultrafiltration, dadurch gekennzeichnet, dass man besagte organische Materie gleichzeitig mit der biologischen Behandlung auf Membranen einer chemischen Oxidation unterzieht durch Einspritzen eines ozonisierten Gases in die aus Belebtschlämmen gemischte Flüssigkeit am Eingang des oder der Module des Membran-Bioreaktors, wobei als Druck-Reaktor die Rückführschleife des Bioreaktors verwendet wird, wobei die Dosis an Ozon in besagtem ozonisiertem Gas zwischen 0,3 bis 0,9 kg Ozon pro kg eliminierter DCO beträgt, und wobei besagtes Einspritzen des ozonisierten Gases zwischen dem biologischen Becken und dem Membran-Bioreaktor durchgeführt wird.
So wird gemäß der vorliegenden Erfindung die chemische Oxidation durch Einspritzen eines ozonisierten Gases in die gemischte Flüssigkeit aus Belebtschlämmen am Eingang des oder der Module des Membran-Bioreaktors durchgeführt, wobei als Druck-Reaktor die Rückführschleife des Membran-Bioreaktors verwendet wird, die einen hohen Massenstrom führt, um das ozonisierte Gas anzusaugen und es bei dem konstanten Druck stromauf der Membranen (mehrere 100.000 Pa) zu lösen, und indem man die dissipierte Energie im Bereich der Membranen und die sich daraus ergebenden Turbulenzen ausnutzt.
Die Erfindung zielt außerdem auf eine Vorrichtung zum Durchführen des hiervor spezifizierten Verfahrens ab.
Andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden sich aus der Beschreibung ergeben, die hiernach unter Bezug auf die einzige Figur der beigefügten Zeichnung gegeben wird, die in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung darstellt, welche diese Erfindung anwendet.
So wie hiervor ausgeführt wurde, besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, am Einlass des oder der Module eines Bioreaktors 6 mit Membranen Ozon mit schwacher Konzentration in die gemischte Flüssigkeit aus Belebtschlämmen einzuspritzen. Überraschend hat man festgestellt, dass durch Einspritzen einer Dosis von 0,3 bis 0,9 kg Ozon pro kg eliminierter DCO dieselbe Reduzierung erreicht wird wie diejenige, die durch Anwendung der Verfahren nach dem früheren Stand der Technik erreicht wird, wobei jedoch die Produktion von Schlämmen um mehr als 50 % verringert wird, die durch die Behandlung ohne die Ozon-Einspritzung anfällt.
In dem Schema der 1 sieht man bei 2 das biologische Becken mit Belebtschlämmen, in das das zu behandelnde Wasser 1 eingelassen wird und in dem eine Konzentration der Biomasse (Belebtschlämme) zwischen 4 g/l und 30 g/l aufrechterhalten wird.
Die Vorrichtung umfasst einen Ozonisierer 9 und einen Bioreaktor 6 mit Membranen. Die gemischte Flüssigkeit aus Belebtschlämmen wird aus dem biologischen Becken 2 durch eine Aufladepumpe 3 abgezogen, die eine Umlaufpumpe speist, welche die Tangentialgeschwindigkeit sicherstellt, die entlang den Membranen des Bioreaktors 6 erforderlich ist.
Das vom Ozonisierer 9 produzierte ozonisierte Gas wird mithilfe eines Ejektors 5 in die Leitung eingeführt, in der die gemischte Flüssigkeit durch die Pumpe 4 in Umlauf gesetzt wird, wodurch das ozonisierte Gas emulgiert und in der gemischten Flüssigkeit gelöst wird, die sodann in den Membranen des Bioreaktors 6 umläuft, die gegen das Ozon widerstandsfähig sind. Das Permeat (behandeltes Wasser) wird bei 7 abgezogen und das Konzentrat kehrt in geschlossener Schleife wieder zu der Rückführpumpe 4 zurück. Der Bruchteil des Massenstromes, der dem Durchsatz der Aufladepumpe 3 abzüglich des Permeat- Anteils entspricht, wird dem biologischen Becken 2 zugeführt.
Hiernach wird ein Beispiel der Anwendung der Erfindung gegeben. In diesem nicht einschränkenden Beispiel wurden zwei identische Linien von Membran-Bioreaktoren verwendet: die eine der Linien ist mit einer Ozon-Einspritzung am Zulauf der Membranen (gemäß dem Kennzeichen der Erfindung) versehen, und die andere umfasst keine Ozon-Einspritzung. Jede Linie wird mit einem Massenstrom von 0,1 m³/h eines Abwassers mit einem DCO-Anteil von 4 g/l gespeist, das aus der chemischen Industrie stammt. Die biologischen Becken hatten ein Volumen von 2,5 m³, und eine Verweildauer in der Größenord nung von 24 Stunden. Die Konzentration der Schlämme in diesen Becken wurde in beiden Fällen bei 12 g/l ± 1 g/l gehalten.
Die Geschwindigkeit der Rückführung in den Membranen wurde bei 4 m/sec gehalten, und der Speisedruck wurde bei 5 × 10⁵ Pa stabilisiert.
Nach einem zweimonatigen Betrieb und kontinuierlicher Arbeit während eines Monats genügten die Ergebnisse der Bioreaktor-Linie ohne Ozoneinspritzung nicht der Norm für die Rückleitung, weil die DCO des Permeats bei 500 mg/l anstelle der verlangten 150 mg/l lag. Ein Ozonisierungsschritt musste folglich stromab installiert werden.
Die nachfolgenden Tabellen zeigen jeweils die mit der Behandlungsanlage nach dem Stand der Technik erzielten Ergebnisse und einen Vergleich dieser Ergebnisse mit denjenigen, die man bei der erfindungsgemäßen Anlage beobachtet hat.

Unter Annahme in erster Näherung:

1 kg O₂ =	2 äquiv. kWh
1 kg O3 =	10 äquiv. kWh
1 kg abzubauender Schlämme =	4 äquiv. kWh

erlaubt eine Anlage, die 100 m³/j bei 4 g/l an DCO gemäß der Erfindung behandelt, eine Ersparnis von

an Sauerstoff	4745000 äquiv. kWh
an Ozon	2372500 äquiv. kWh
bei der Ozonverteilung	–294920 kWh
an Schlammabbau	5256000 äquiv. kWh
insgesamt	12078580 äquiv. kWh
das sind ungefähr	640.000 Euro/Jahr

bei einer um ungefähr 20 % reduzierten Investition (Größe des Ozonisierers und Wegfall des Ozonisierturmes).

Unter den von der Erfindung beigetragenen Vorteilen kann man insbesondere die folgenden aufführen:

– Ozonverbrauch 2 bis 8 Mal weniger hoch als bei den Systemen nach der früheren Technik für eine identische Effizienz.
– gleichzeitige Reduzierung der Schlammproduktion von mehr als 50 % und ohne Kosten, wenn man bedenkt, dass die ursprüngliche Zielsetzung die Reduzierung der widerstandsfähigen organischen Materie ist.
– Stromverbrauch zum Komprimieren des ozonisierten Gases um den Faktor 5 verringert beim Ladungsverlust des Ejektors, wobei der Druck außerdem für die Funktion der Membranen notwendig ist.
– Gesamtverbrauch an Trägergas (Sauerstoff), komprimiert bei der Injektion des Ozons, für den Bedarf der Atmung der Biomasse (was einer Anreicherung mit Luft in Höhe des Belüftungsbeckens gleichkommt).
– Zuwachs um 5 bis 30 % (je nach Anwendung) bei dem Fluss, der die Membran durchquert, durch die Wirkung des Ozons, das die organische Oberflächenverschmutzung und Verstopfung der besagten Membran reduziert.
– Reduzierung der organischen Oberflächenverschmutzung an Tiefe und der Verstopfung der Membranen, was größere Abstände zwischen den chemischen Waschvorgängen erlaubt.
– Reduzierung der Zähigkeit des Belebtschlamms um etwa 50 %, was eine Verringerung der Umlaufenergie an den Membranen und das Arbeiten mit einem höheren Grad der Konzentration in der Rücklaufschleife erlaubt (Verringerung der Größe der Aufladepumpe).
– Wegfall des Ozonisierungs-Reaktors, da die Reaktion an der Membran abläuft.

Es bleibt wohlverstanden, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen und/oder dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass sie alle Varianten davon einbezieht.

Claims

Verfahren zum Eliminieren von organischer Materie, die insbesondere in Abwässern enthalten und die widerstandsfähig gegen eine biologische Behandlung ist, angewendet in einem Bioreaktor mit anorganischen oder organischen und ozonbeständigen Membranen für Mikrofiltration oder Ultrafiltration, bei welchem Verfahren man besagte organische Materie einer chemischen Oxidation unterzieht durch Einspritzen eines ozonisierten Gases in die aus Belebtschlämmen gemischte Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass besagte chemische Oxidation gleichzeitig mit der biologischen Behandlung auf Membranen am Eingang des oder der Module des Membran-Bioreaktors durchgeführt wird, wobei als Druck-Reaktor die Rückführschleife des Bioreaktors verwendet wird, wobei die Dosis an Ozon in besagtem ozonisiertem Gas zwischen 0,3 bis 0,9kg Ozon pro kg eliminierter DCO beträgt, und wobei besagtes Einspritzen des ozonisierten Gases zwischen dem biologischen Becken (2) und dem Membran-Bioreaktor (6) erfolgt.
Anlage zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem biologischen Becken (2), dem das zu behandelnde Wasser zugeführt wird und in dem die gewünschte Konzentration an Biomasse eingehalten wird, und einen Membran-Bioreaktor (6) außerhalb des biologischen Beckens (2), der einen Ausgang (7) für Permeat hat, wobei die aus besagtem Becken abgezogene gemischte Flüssigkeit aus Belebtschlämmen dem Bioreaktor (6) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem einen Ozonisierer (9), einen Ejektor (5) zum Einbringen des vom Ozonisierer ozonsierten Gases in die gemischte Flüssigkeit aus Belebtschlämmen, die anschließend dem Bioreaktor zugeführt wird, und eine geschlossene Schleife (11) umfasst, welche eine Rückführung des aus dem Bioreaktor stammenden Konzentrats sicherstellt.
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Biomasse in dem biologischen Becken (2) zwischen 4 g/l und 30 g/l beträgt.