DE60304456T2

DE60304456T2 - Membran-hybridbioreaktor zur behandlung von städtischem und industriellem abwasser

Info

Publication number: DE60304456T2
Application number: DE2003604456
Authority: DE
Inventors: Juan Manuel Garrido Fernandez; Pampen Ramon Mendez; Vinka Oyandell Baseez
Original assignee: Universidade de Santiago de Compostela
Current assignee: Universidade de Santiago de Compostela
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2023-02-01
Also published as: ATE322467T1; EP1484287B1; DE60304456D1; EP1484287A1; ES2190895B2; ES2190895A1; WO2003064335A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Bio-Membran-Reaktor zum Behandeln von industriellem und städtischem Abwasser mit organischer und stickstoffhaltiger Substanz. Er besteht aus drei Kammern: einer anoxischen Kammer, einer aeroben Kammer und einer Membran-Filtrations-Kammer. Der vorgeschlagene Reaktor ist ein kompaktes System, mit dem sehr geringe oder vernachlässigbare Feststoffniveaus in Suspension in dem gereinigten Abwasser erreicht werden.
Beschreibung des wichtigsten Stands der Technik: A) Technologien der biologischen Behandlungs- und Beseitigungs-Prozesse organischer und stickstoffhaltiger Schadstoffe und B) Membran-Bioreaktor- und Hybrid-Reaktor-Systeme für die Abwasserbehandlung.
A) Biologische Abwasserbehandlungstechnologien.
Biologische Behandlungssysteme sind für die Beseitigung von organischen Schadstoffen, welche aus Stickstoff und Phosphor bestehen, weit verbreitet und basieren auf biologischen Prozessen, welche Kulturen unterschiedlicher Arten von Mikroorganismen, hauptsächlich Bakterien, Pilze, Algen, Einzeller und Vielzeller, verwenden.
Die Beseitigung von organischer und stickstoffhaltiger Substanz in biologischen Behandlungssystemen wird mittels zweier Arten von Mikroorganismen durchgeführt: heterotrophe Mikroorganismen und nitrifizierende Bakterien. Die heterotrophen Mikroorganismen sind dadurch charakterisiert, dass sie bei ihrem Wachstum sowohl unter aeroben (unter Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel) als auch unter anoxischen (Reduzierung von Nitrit oder Nitrat zu gasförmigem Stickstoff) Bedingungen organische Verbindungen verwenden. Die nitrifizierenden Bakterien oxidieren unter aeroben Bedingungen Ammonium zu Nitrit oder Nitrat und sind gekennzeichnet durch das Aufweisen einer geringeren Wachstumsrate und einer geringeren Zellproduktionsrate als die heterotrophen Bakterien.
Die traditionellen Prozesse sind unterteilt in: (A.1) Behandlungssysteme mit suspendierter Biomasse und (A.2) Biofilmsysteme. Die ersten Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen unter Ausbildung von Flocken wachsen, welche in Kontakt mit dem Abwasser angeordnet sind, und die zweiten Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen unter Ausbildung von mikrobiellen Aggregaten, welche Biofilme genannt werden, auf Festkörperträgern wachsen (Metcalf & Eddy Inc. Ingenieria de Aguas Residuales, Ed. McGraw Hill, (1995); Henze et al. Wastewater treatment, Ed. Springer, (1997)).
Die Hybrid-Behandlungsprozesse wären eine dritte Art von Systemen, welche die Gegenwart von Biomasse in Suspension und biofilmformender Biomasse kombinieren.
A.1) Das Belebtschlammverfahren, welches 1914 in dem Vereinigten Königreich entwickelt wurde (Andern E. and Lockett W.T.J. Soc. Chem. Ind. 33, 523 (1914)), zeichnet sich durch die Biomasse-in-Suspension-Systeme aus. Es ist ausgestattet mit einem Reaktor, in dem eine mikrobielle Kultur in Suspension unter aeroben Bedingungen gehalten wird, und einer Sedimentiervorrichtung zum Abtrennen des behandelten Abwassers von dem mikrobiellen Schlamm, wobei derselbe zu dem biologischen System rückgeführt wird. Das Belebtschlammverfahren wurde anfänglich für das Beseitigen von umweltverschmutzender organischer Substanz konstruiert, jedoch wurden später unterschiedliche Prozessanordnungen zum Beseitigen von Stickstoff- und Phosphor-Verbindungen von dem Abwasser entwickelt. Normalerweise werden Anordnungen verwendet, die mit einem oder mehreren Reaktoren vorgesehen sind, welche für den Zweck des Förderns der zusätzlichen Beseitigung dieser Nährstoffe kontinuierlich oder diskontinuierlich unter anoxischen oder anaeroben Bedingungen gehalten werden. Einer der entscheidenden Nachteile des Systems ist, dass es mit niedrigen Biomasse-Konzentrationen betrieben wird, wodurch die Schadstoffumwandlungsrate in der Einheit begrenzt wird, so dass daher relativ große Einheiten gebaut werden sollten. Trotzdem ist es das meist verwendete biologische Behandlungsverfahren, da es leistungsstark und betriebssicher ist.
A.2) Von den Biofilmsystemen mit immobilisierten Mikroorganismen heben sich die Folgenden ab: 1) Tropfkörper, 2) rotierende Bio-Kontaktoren und 3) untergetauchte Biofilter.
A.2.1) Tropfkörper, welche seit dem 19. Jahrhundert verwendet werden, bestehen aus einer Kolonne, welche mit einem Füllkörperpackungsmaterial (aus Kieselsteinen, Steinen, Holzleisten, Kunststoff-Trägern, etc.) ausgestattet ist, welches an seinem Platz gehalten wird und auf welchem ein Biofilm wächst, welcher von Mikroorganismen geformt wird. In der Kolonne, welche an ihrem oberen und unteren Ende offen ist, wird das Abwasser überall in dem gesamten System verteilt, wobei das Abwasser, die Biofilme und die Luft in Kontakt gebracht werden. Die Hauptanwendungen der Tropfkörper sind die Beseitigung von organischer Substanz und die biologische Nitrifikations-Behandlung. Ihre Verwendung wird nicht empfohlen, wenn es notwendig ist, Stickstoff aus dem Abwasser zu entfernen.
A.2.2) Rotierende Bio-Kontaktoren, welche als Bioscheiben bekannt sind, werden durch Kunststoffscheibenträger mit hoher spezifischer Oberfläche geformt, auf welchen ein Biofilm wächst. Die Scheiben, welche mit einer rotierenden Welle verbunden sind, sind teilweise in das Abwasser eingetaucht. Die Rotation der Scheiben ermöglicht den korrekten Sauerstoffübergang von der Luft zu dem Biofilm und erleichtert den Kontakt des Biofilms mit den in dem Abwasser vorhandenen Schadstoffen. Der Bioscheiben-Prozess entstand 1955 an der Technischen Universität von Stuttgart (Deutschland), und die erste Anlage im industriellen Maßstab wurde 1969 in den Vereinigten Staaten in Betrieb genommen. Die Bioscheiben haben denselben Nachteil wie die Tropfkörper, so dass sie daher selten verwendet werden, wenn Stickstoff beseitigt werden soll.
A.2.3) Das Betriebsprinzip der untergetauchten Biofilter ist ähnlich dem der Tropfkörper, obgleich die Kolonne, welche den Träger enthält, in diesen Systemen vollständig mit Abwasser überflutet ist. Falls erforderlich, wird die Luftzufuhr mittels Einblasens von Luft sichergestellt, wobei es auch Einheiten gibt, welche für die Denitrifikation unter anoxischen Bedingungen betrieben werden. Die Träger für das Wachstum der Biofilme sind organische Materialien, wie zum Beispiel Polyethylen, Polystyrol, Polyurethan, Blähton-Granulatpartikel, Puzzolan-Partikel, Sand oder andere Materialien mit Größen, die im Allgemeinen zwischen 1 und 5 mm sind. Die ersten Biofilter im industriellen Maßstab wurden in den 1970er Jahren in Frankreich entwickelt unter Verwendung von Blähton als Träger (Lazarova and Manen, Biofilms II: Process Analysis and Applications, Editor James E. Bryers, (2000)). Einige dieser Systeme verwendeten granulatförmige Kunststoff-Träger, welche eine Dichte haben, welche etwas geringer ist als die von Wasser (die Patente FR2707183 und WO9713727), und auf welchen ein Biofilm wächst, wodurch eine Fluidisierung der Träger auf eine einfache Art ermöglicht wird durch Einführen eines Gasstroms in das System. Die untergetauchten Biofilter sind sehr kompakte Einheiten, welche für unterschiedliche Zwecke verwendet werden: anaerobe Beseitigung, Denitrifikation und/oder aerobe Oxidation von organischer Substanz sowie Nitrifikation von Ammonium in Abwässern, und sie haben relativ hohe Schadstoffbeseitigungsraten. Einer der wesentlichen Nachteile bei ihrer Anwendung ist auf ihre große technische Komplexität zurückzuführen.
B) Membran-Bioreaktor- und Hybrid-Reaktor-Systeme zur Abwasserbehandlung.
Die Hybrid-Systeme sind gekennzeichnet durch das Kombinieren der Gegenwart von Biomasse in Suspension mit Biomasse, welche in einem Träger in demselben System immobilisiert ist, wodurch ermöglicht wird, Biokatalysator-Konzentrationen aufrechtzuerhalten, welche höher sind als diejenigen, die bei Biomasse-in-Suspension-Reaktoren verwendet werden, wobei diese Besonderheit einen Vorteil darstellt, da das Abwasser in Hybrid-Einrichtungen gereinigt werden kann, welche kompakter sind als die klassischen Belebtschlammsysteme. Außerdem besteht die Möglichkeit, die bereits gebauten Belebtschlammanlagen mittels Durchführens geringer Modifikationen in dem Bauwerk und Hinzufügens eines geeigneten Trägers, um die Behandlungskapazität der Anlage zu erhöhen, in Hybrid-System-Anlagen umzuwandeln.
Die Hybrid-Reaktoren werden bei der Reinigung von Abwässern mit organischer und stickstoffhaltiger Substanz immer wichtiger, da sie die Leistungsstärke der Belebtschlammsysteme mit der größeren Reinigungskapazität der Biofilmsysteme kombinieren.
Beispiele von Hybrid-Systemen sind das US-Patent 5,061,368 und die Literatur (Andreottola et al.; Münch et al.; Odegaard et al.; Wat. Sci. Technol. v41, number 4–5 (1999)), welche Kunststoff-Träger wie die, die in den US-Patenten US 5,458,779 , US 5,543,039 und US 6,126,829 offenbart sind, verwenden, um die Ausbeute von unterschiedlichen Bio-Reaktoren, in welchen Biomasse sowohl in Suspension als auch in Biofilmen wächst, zu verbessern.
Das US-Patent 5,061,368 verwendet ein Hybrid-System, in welchem anaerobe und anoxische Kammern alternieren, wobei in dem gesamten System Biomasse in Suspension gehalten ist und Biomasse, welche in Gel-Würfeln immobilisiert ist, in aeroben Nitrifikations-Kammern zurückgehalten ist. Ein Nachteil dieses Systems ist, dass es nitrifizierende Mikroorganismen künstlich in Polyethylen-Glykol-Gel-Würfeln immobilisiert, welche periodisch ausgetauscht werden müssen, um diejenigen Gel-Partikel, welche brechen oder abgenutzt sind, zu ersetzen, weshalb es notwendig ist, nicht nur während der Anfahrphase neue Gel-Würfel herzustellen, sondern auch während des kontinuierlichen Betriebs des Systems. Außerdem können keine hohen Lastraten angewandt werden, da sie ein Brechen der Gel-Würfel auf Grund der erhöhten Wachstumsrate der immobilisierten Mikroorganismen verursachen können.
Ein anderer Nachteil der Systeme, welche in den oben genannten Publikationen offenbart sind, ist derjenige, der sich aus der Anwendung von hohen organischen Lastraten sowie aus den physikochemischen Merkmalen des Abwasser ergeben kann, welche die Sedimentierfähigkeitseigenschaften des Schlamms, welcher in den biologischen Systemen erzeugt wird, negativ beeinflussen können und daher die Abtrennung von Feststoffen von dem behandelten Abwasser mit Hilfe von Sedimentiervorrichtungen negativ beeinflussen können. Die Hybrid-Systeme verwenden Sedimentiervorrichtungen, auf Grund derer ihre Effizienz für bestimmte Anwendungen und unter bestimmten Bedingungen durch eine nicht korrekte Abtrennung der Feststoffe von dem behandelten Wasser beeinträchtigt werden kann.
Der erste Hinweis auf die Verwendung von Membransystemen ist auf 1969 datiert. Eine Ultrafiltrations-Membran wurde zum Abtrennen des behandelten Abwassers von der Biomasse in einem Belebtschlammsystem verwendet. Die Kombination der zwei Technologien führte zu der Entwicklung von drei Gruppen von biologischen Membranprozessen: i) Flüssig-Feststoff-Trennung mittels Membranen zum Zurückhalten der Biomasse in Bioreaktoren, ii) Verwendung von Membranen, welche für eine gasförmige Verbindung durchlässig sind, für einen Sauerstofftransfer ohne Blasenbildung in den Reaktoren, iii) ein Extraktiv-Membran-Prozess, welcher angewandt wird zum Beseitigen von abbaubaren organischen Verbindungen in problematischen industriellen Abwässern (Brindle K. and Stephenson T., Biotechnol. Bioeng. 49, 601–610 (1996)). Es ist erwähnenswert, dass das in unserer Erfindung vorgeschlagene Hybrid-Membran-System eine zusätzliche neue Anwendung der ersten Gruppe (i) ist, in der Membran- Filtrations-Systeme zum Abtrennen des Abwassers von den Mikroorganismen verwendet werden.
Die Mehrheit der derzeitigen biologischen Behandlungssysteme, welche Membranen verwenden, sind Modifikationen des Belebtschlammverfahrens, bei denen die sekundäre Sedimentiervorrichtung, welche in traditionellen Prozessen verwendet wird, durch Membran-Filtrations-Einheiten zum Abtrennen der Mikroorganismen in Suspension von dem Wasser, welches in Biomasse-in-Suspension-Reaktoren behandelt wurde, ersetzt wurde. Die Membranen, welche für diesen Zweck verwendet werden, sind Mikrofiltrations- oder Ultrafiltrations-Membranen, welche aus organischen oder anorganischen Materialien hergestellt sind, welche auf Hohlfasern angeordnet sind, welche plattenförmig oder rohrförmig sind, wobei die Module innerhalb oder außerhalb des Bioreaktors angeordnet sein können (Günder B. and Krauth K., Wat. Sci. Technol., vol 38, pp 382–393 (1998); Buisson H. et al. Wat. Sci. Technol. 37(9), pp 89–95 (1998); Günder B. and Krauth K., Wat. Sci. Technol., vol 40, pp 311–320 (1999), Ghyoot W, and Verstraete W., Wat. Res., 34, pp 205–215, (2000)). Ferner gibt es unterschiedliche Patente, welche auf der Verwendung von unterschiedlichen Membran-Filtrations-Modulen basieren, welche bei der Abtrennung des Abwassers, welches in Biomasse-in-Suspension-Bioreaktoren behandelt wurde, verwendet werden können oder könnten (US-Patente 5,558,774 und 6,303,035).
Die Erfindung beinhaltet im Allgemeinen Verbesserungen bei biologischen Abwasserbehandlungssystemen und insbesondere bei Hybrid-Reaktoren. Eines der Hauptmerkmale des vorgeschlagenen Hybrid-Reaktors ist das des Einschließens von Partikeln aus einem granulatförmigen Kunststoff-Träger in der aeroben Kammer, welcher eine Dichte aufweist, welche etwas geringer ist als die von Wasser. Dieser Träger wird durch die Verwendung in dem System weder gebrochen noch verschlechtert. Außerdem wird er nicht auf Grund des Wachstums der Biomasse darin brechen (wie es bei Systemen auftreten kann, welche Mikroorganismen verwenden, die in den Polymer-Gelen immobilisiert sind), da das Wachstum auf die Oberfläche des Kunststoff-Trägers begrenzt ist. Folglich ist der Bedarf, einen verfügbaren Vorrat von Gel-Partikeln mit Mikroorganismen zu haben, auch eingespart.
Ein weiterer Vorteil ist die Verwendung eines Hohlfaser-Membran-Filtrations-Systems. Wie erwähnt, ist bei Hybrid-Systemen, welche Sedimentiervorrichtungen zum Trennen des gereinigten Wassers von dem Bioschlamm verwenden, der Wirkungsgrad der Trennung abhängig von den Sedimentierfähigkeitseigenschaften des Schlamms, und er kann sich verschlechtern, wenn dem System hoch umweltverschmutzende Lasten zugeführt werden. Das vorgeschlagene Membran-Filtrations-System macht den Prozess des Trennens des behandelten Abwassers und des Schlamms mit Sedimentierfähigkeitseigenschaften unabhängig, weshalb höhere Lastraten ohne das Risiko, Betriebsprobleme in dem System zu erfahren, angewandt werden können. Außerdem wird das mögliche Waschen des Schlamms von dem Bioreaktor vermieden.
Die Anordnung von Membran-Filtrations-Einheiten in dem Hybrid-Reaktor macht es möglich, ein gereinigtes Abwasser mit geringen Niveaus von Feststoffen in Suspension zu erhalten, welches die strengstens Abgabeanforderungen dieses Schadstoffes erfüllen würde, und reduziert die Abgabe von Mikroorganismen mit dem gereinigten Abwasser (einschließlich Krankheitserregern und anderen die Gesundheit betreffenden Bakterienüberträgern). Außerdem ist es zur Abgabe nahe von Meereskulturbereichen oder Fischbrutplätzen und Sammelbereichen zum Sammeln von Wasser, welches zur Bewässerung oder zum Herstellen von Trinkwasser verwendet wird, geeignet.
In dem vorgeschlagenen Bioreaktor sind die granulatförmigen Kunststoff-Träger mit den Biofilmen in der aeroben Kammer eingeschlossen, wobei Trennvorrichtungen verwendet werden, welche den freien Durchtritt der Mischflüssigkeit erlauben, und wobei die Mikroorganismen in Suspension zwischen den drei Kammern, aus denen die Einheit besteht, sind.
Mit diesem Vorschlag ist es möglich, das System mit einem Schlamm in Suspension zu betreiben, welcher eine hohe Fraktion von heterotrophen Mikroorganismen enthält, welche für die Denitrifikation in der anoxischen Kammer und zur Beseitigung des löslichen organischen Substandsrückstands, welcher die aerobe Kammer erreichen könnte, benötigt werden. Folglich ist das Wachstum von heterotrophen Bakterien in dem Biofilm begrenzt, das Wachstum von nitrifizierenden Bakterien in dem Biofilm ist begünstigt, und in Folge dessen wird vermieden, dass die Nitrifikationskapazität des Biofilms, welcher auf dem Kunststoff-Träger wächst, gehemmt oder reduziert wird. All dies erlaubt ein Verwenden von und ein Betreiben mit relativ hohen organischen (kg CSB/m³d) und stickstoffhaltigen (kg N-NH₄+/m³d) Lasten, welche höher sind als diejenigen der oben erwähnten Systeme, ohne dass das System als ein Resultat davon einer Erniedrigung der Reinigungseffizienz oder Problemen aufgrund des Brechens oder des Verstopfens des Trägers aufgrund des Wachstums der Biomasse ausgesetzt ist.
Die 1 bis 5 zeigen den Hybrid-Bio-Membran-Reaktor:
1 zeigt eine schematische Darstellung des Reaktors, welcher aus drei Kammern besteht: einer anoxischen Kammer (1), einer aeroben Kammer (2) und einer Filtrations-Kammer (3).
2 zeigt eine dreidimensionale perspektivische Ansicht des Reaktors, wobei die drei Kammern, die zwei Ablenkplatten (7) der aeroben Kammer, eine Abwasserrezirkulations-Rinne (18) und ein Überlauf (17) gezeigt sind. Bei der Darstellung des Bauwerks wurde die Hilfsausrüstung weggelassen.
3 zeigt die Form und die Anordnung des Mischflüssigkeits-Durchtritts-Leitungsrohrs (6) von der anoxischen Kammer (1) zu der aeroben Kammer (2).
4 zeigt die Sammelschächte (10 und 10') der Mischflüssigkeit von der aeroben Kammer (2) zu der Filtrations-Kammer (3). Das Rohr (11) wird zum Fördern des Abwassers zwischen den Kammern verwendet.
5 zeigt die AA'-Schnittansicht (in 1), wobei eine Laufrad-Vorrichtung zum Treiben der Mischflüssigkeit von der Filtrations-Kammer zu der anoxischen Kammer gezeigt ist, wobei der Zentrifugal-Rührer (15), das Leitungsrohr (16) und die Rezirkulations-Rinne (18) gezeigt sind.
Die 1 und 2 zeigen die wesentlichen Merkmale des Systems. Es besteht aus drei Kammern: einer anoxischen Kammer (1), einer airlift-artigen aeroben Kammer (2) und einer Filtrations-Kammer (3). Der mikrobielle Schlamm in Suspension wird in den drei Kammern gehalten. Ferner ist in der aeroben Kammer (2) ein granulatförmiger und grobkörniger Kunststoff-Träger eingeschlossen, welcher eine Dichte hat, welche geringer ist als die von Wasser, wobei auf dem Träger ein Biofilm mit einer hohen Fraktion von nitrifizierenden Mikroorganismen wächst. Das System nimmt in seiner Filtrations-Kammer (3) Hohlfaser-Ultrafiltrations-Membran-Module (12) auf, welche für das Abtrennen des behandelten Wassers von dem biologischen Schlamm verwendet wird, wobei der Schlamm von dieser Kammer zu der anoxischen Kammer (1) rückgeführt wird.
1 zeigt wie das Abwasser durch das Leitungsrohr, welches in dem oberen Teil (4) der anoxischen Kammer angeordnet ist, in die anoxische Kammer (1) eingebracht wird, wobei der Zufluss mit der in der Kammer vorhandenen Mischflüssigkeit vermischt wird. Die Homogenität der Mischung, welche durch die Mikroorganismen in Suspension und das Abwasser geformt ist, wird durch Verwenden einer geeigneten mechanischen Rühr-Vorrichtung (5), wie z. B. einem Rührpropeller oder einem mechanischen Rührer, sichergestellt.
Die biologische Denitrifikation erfolgt in Kammer (1), in Folge derer ein Teil der Stickstoffanionen, welche in dem Wasser vorhanden sind, mittels der vorhandenen Biokatalysatoren zu gasförmigem Stickstoff reduziert sind, wobei in dem Denitrifikations-Prozess außerdem die Beseitigung einer hohen Fraktion der organischen Schadstoffe und die Absorption von löslichen organischen Verbindungen durchgeführt wird, so dass derjenige Teil der organischen Substanz von dem Wasser entfernt wird, der ansonsten durch die Biofilme, welche in der aeroben Kammer (2) vorhanden sind, aufgenommen werden könnte.
Das Leitungsrohr aus 3 ermöglicht den Durchtritt der Mischflüssigkeit von der anoxischen Kammer (1) zu der aeroben Kammer (2). Dieser Durchtrittsweg ist durch ein oder mehrere Leitungsrohre (6) mit kreisförmigem Querschnitt geformt, durch welche die Mischflüssigkeit, welche von (1) nach (2) kommt, zirkuliert. Der winkelige Aufbau des Leitungsrohres ist derart vorgeschlagen, dass die Rückvermischung des Fluids zwischen den Kammern begrenzt ist und der Eintritt des Trägers von der aeroben Kammer (2) in die anoxische Kammer (1) sowie die Schlammablagerung darin minimiert oder unterbunden ist. Die Neigung des geneigten Abschnitts von dem Rohr bezüglich des horizontalen Abschnitts davon wird zwischen 20° und 90° liegen.
Die aerobe Kammer ist eine airlift-artige Vorrichtung, in welcher zwei Ablenkplatten oder Ablenkscheiben, welche diese Kammer in drei rechteckförmige Abschnitte (1 und 2) unterteilen, montiert sind: ein zentraler Abschnitt, welcher Steigabschnitt genannt wird und welcher an seinem unteren Teil mit Verteilern ausgestattet ist, durch welche Luft verteilt wird, und zwei Abschnitten auf den Seiten, welche Fallbereiche genannt werden. In dieser aeroben Kammer (2) ist ein grober granulatförmiger Kunststoff-Träger eingeschlossen, welcher eine Dichte hat, welche um 5% bis 15% geringer ist. als die von Wasser, wobei die Größe der Träger-Partikel zwischen 1,5 und 5 mm liegt, und auf welchen Partikel der Biofilm wächst. Es wird empfohlen, einen groben Polyethylen-Träger von hoher Dichte mit den vorher offenbarten Merkmalen oder wie jene, die in den Patenten FR2707183 und WO9713727 offenbart sind, die einen granulatförmigen Kunststoff-Träger zur Abwasserbehandlung in Biofilm-Bio-Systemen verwenden, ungleich dem Hybrid-Bio-Membran-Reaktor, welcher in unserer Erfindung vorgeschlagen ist, zu verwenden. Die Träger-Volumenfraktion in dieser Kammer wird je nach Anwendung zwischen 15 und 25 Vol% liegen.
In der aeroben Kammer wird die Einleitung des nötigen Luftstroms von der Lufteinspeise-Rohrleitung (8) in Richtung einer Anhäufung von gitterförmig montierten Verteilern (9) durchgeführt, welche in dem unteren Teil des Steigabschnitts angeordnet sind. Der Luftstrom wird geeignet sein, um den Sauerstofftransfer sicherzustellen, der notwendig ist zum Erzeugen der stattfindenden biochemischen Reaktionen und um die Zirkulation des Kunststoff-Trägers und der Mischflüssigkeit in der aeroben Kammer aufrechtzuerhalten.
Der korrekte Betrieb des Hybrid-Reaktors erfordert, dass der verwendete granulatförmige Kunststoff-Träger in der aeroben Kammer (2) eingeschlossen ist. Eine Vorrichtung ist angeordnet, um den Abfluss des granulatförmigen Kunststoff-Trägers in Richtung der Filtrations-Kammer (3) zu vermeiden, wobei die Mischflüssigkeit mittels der Vorrichtung in dem unteren Ende des Steigbereichs (10) neben der Filtrations-Kammer (3) von dem Kunststoff-Träger (1 und 4) abgetrennt wird. Die Abtrennvorrichtung ist von einem Schacht (10) mit rechteckförmigem Querschnitt geformt, welcher mit einem Rohr (11) mit kreisförmigem Querschnitt ausgestattet ist, welches die aerobe Kammer mit einem zweiten Schacht (10') verbindet, welcher in der Membran-Filtrations-Kammer angeordnet ist. Das verwendete Rohr ist dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Schacht 10 angeordnete Ende geschlossen ist und das andere Ende in Richtung des Schachts 10' offen ist, sowie durch eine nach unten gerichtete längliche Aussparung von rechteckförmigem Querschnitt, durch welche die Mischflüssigkeit von 10 nach 10' durchtritt. Folglich wird die Mischflüssigkeit, welche von der aeroben Kammer (2) zu der Filtrations-Kammer (3) fließt, gesammelt. Folglich wird das Ansaugen und der Transport von Kunststoff-Träger-Partikeln in Richtung (3) verhindert. Der Boden der Schächte (10 und 10) von den Kammern (2) und (3) ist mit einer Neigung gebaut, welche zwischen 20° und 45° liegt, zu dem Zweck des Minimierens der Schlammablagerungen in diesen Gebieten (BB'-Schnitt, 4).
Das behandelte Abwasser wird in der Kammer (3) unter Verwendung von Kassetten, welche mit den Hohlfaser-Membran-Filtrations-Systemen ausgestattet sind, von der Mischflüssigkeit abgetrennt (als Permeat). Die Kassetten sind in die Mischflüssigkeit eingetaucht, derart, dass der äußere Teil der Filtrations-Membranen in Kontakt ist mit dem Schlamm, wohingegen der innere Teil der Fasern in Kontakt ist mit dem gefilterten, gereinigten Abwasser, welches durch ein Leitungsrohr abtransportiert wird, welches an eine Zentrifugalpumpe (13) angeschlossen ist (1). Es wird empfohlen, Hohlfaser-Membran-Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrations-Module zu verwenden, welche aus Polysulfonen, Polypropylen oder irgendeinem anderen geeigneten organischen Polymer hergestellt sind. Die Module werden in Kassetten oder rechteckförmigen Strukturen und mit geeigneten Membran-Reinigungs-Systemen mittels Luftstrominjektion, Rückwaschens mit dem Permeat oder irgendeinem anderen für die Anwendung empfohlenen System montiert. Es wird empfohlen, ZeeWeed^® Membran-Filtrations-Systeme der Firma Zenon Environmental Inc. oder entsprechende Systeme zu verwenden.
In der Filtrations-Kammer (3) wird der erzeugte Schlammüberschuss in einer gesteuerten Art durch ein Leitungsrohr abgeführt, welches von der Filtrations-Kammer (3) abzweigt und mit der Pumpe (14) verbunden ist (1).
Zum Rückführen des Schlamms, welcher in der Filtrations-Kammer (3) zurückgehalten wird, in Richtung der anoxischen Kammer (1) wird es angemessen sein, eine Schlammrezirkulations-Vorrichtung (1 und 5) zu verwenden, welche durch ein Horizontalfluss-Zentrifugallaufrad (15) geformt ist, welches einen Mischflüssigkeitsstrom von der Filtrations-Kammer (3) zu einer Rezirkulations-Rinne (18), die auf einer Seite des Systems (2 und 5) angeordnet ist, durch das Leitungsrohr (16) führt. Der Schlamm wird durch diese Rinne rückgeführt, wobei die Mischflüssigkeit durch einen rechteckförmigen Überlauf (17) in die anoxische Kammer (1) ausgeladen wird.
Gemäß der Erfindung ist die Größe des Reaktors von der Strömungsrate des zu behandelnden Abwassers sowie von den eigentlichen Merkmalen des Abwassers selbst (Konzentration der Schadstoffe, Temperatur, Vorhandensein von hemmenden oder toxischen Substanzen für die biologischen Prozesse) abhängig, welche die Schadstofflastrate beeinflussen werden, die für die Auslegung des Reaktors empfohlen wird.
In dem Fall von städtischem oder industriellem Abwässern mit biologisch leicht abbaubaren organischen Verbindungen liegt die organische Lastrate zwischen 2,5 und 7 kg/m³d CSB, die auf die aerobe Kammer bezogene Nitrifikations-Rate liegt zwischen 0,5 und 1,5 kg/m³d N-NH₄ ⁺, und die auf das Volumen der anoxischen Kammer (1) bezogene Denitrifikations-Rate liegt zwischen 0, 5 und 1, 2 kg/m³d N-NO_x ^–.
Der Aufbau des Reaktors wird durch drei Kammern geformt werden, welche vorzugsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen oder andere unterschiedlich kombinierte geometrische Formen (oval, kreisförmig, etc.) haben. Das Verhältnis zwischen den Volumina der drei Kammern bezogen auf das Gesamtvolumen des Reaktors wird 45% für die anoxische Kammer (1), 45%–50% für die aerobe Kammer (2) und 5%–10% für die Membran-Filtrations-Kammer (3) sein.
Die Hohlfaser-Membran-Filtrations-Module werden die vorher empfohlenen Merkmale und Spezifikationen aufweisen.
Um die benötigte Oberfläche des Membran-Moduls zu berechnen, ist es notwendig, den Anbieter oder Hersteller des Moduls zu kontaktieren. Als eine Richtlinie ist es erwähnenswert, dass die empfohlenen Module eine Kapazität haben, um unter stationären Betriebsbedingungen zwischen 20 und 30 L gereinigtes Abwasserpermeat je Quadratmeter der Membran und je Betriebszeit zu filtern.
AUSFÜHRUNGSFORM
Ein Hybrid-Bio-Membran-Reaktor zum Behandeln von Abwässern von Fischkonservenindustrien.
Strömungsrate des ausströmenden Abwassers: 21 m³/h, Gesamt-CSB-Konzentration gemessen am Systemeinlass: 1900 mg/L, Ammonium-Konzentration: 300 mg N-NH₄ ⁺/L.
Das verwendete Rezirkulationsverhältnis wäre 3. Die Konzentration von gelöstem Sauerstoff in der aeroben Kammer wäre höher als 3 mg/L, wohingegen die Konzentration von Sauerstoff in der anoxischen Kammer unterhalb von 0,3 mg/L gehalten werden würde. Die Ammoniumlastrate in dem mit Luft durchsetzten Abschnitt begrenzt das Volumen des Systems und ist festgelegt auf 1,0 kg N-NH₄ ⁺/m³d. Die organische Substanzlast in dem System wäre 2,9 kg CSB/m³d. Das Gesamtvolumen des Reaktors wäre 14 m³ und berücksichtigend, dass die Prozentanteile von dem Gesamtvolumen der anoxischen Kammer, der aeroben Kammer und des Membran-Fachs 45%, 45% und 10% vom Gesamtvolumen sind, würden 6,3 m³ dem aeroben Tank entsprechen, 6,3 m³ dem anoxischen Tank und das Fach der Membraneinheit würde ein Volumen von 1,4 m³ haben. Von dem granulatförmigen Kunststoff-Träger mit den vorher angegebenen Merkmalen wird ein Volumen von 1,26 m³ (20 Vol%) benötigt, um das Wachstum von nitrifizierenden Biofilmen in der aeroben Kammer zu fördern.
Das System ist dazu geeignet, 98% zu nitrifizieren, wenn die auf das System angewandte Ammoniumlast (0,98 kg N-NH₄ ⁺/m³d) ist, die Beseitigung von Stickstoff erreicht 86%, wohingegen die Beseitigung des Gesamt-CSB in dem System (Gesamtvolumen) 92% ist (2,7 kg CSB/m³d).

Claims

Hybrid-Bio-Membran-Reaktor zum Behandeln von industriellem und städtischem Abwasser, aufweisend die folgenden Elemente: (a) eine Kammer (1), welche unter anoxischen Bedingungen gehalten ist, wobei die Kammer mit zumindest einer mechanischen Rühr-Vorrichtung ausgerüstet ist, (b) eine airlift-artige Kammer (2), welche unter aeroben Bedingungen gehalten ist, (c) zumindest ein Leitungsrohr (6), welches die anoxische Kammer (1) mit der aeroben Kammer (2) verbindet, aufweisend einen nach oben geneigter Abschnitt, welcher von einem anderen, horizontalen Abschnitt gefolgt ist, (d) eine Membran-Filtrations-Kammer (3), (e) eine Trenn-Vorrichtung zwischen der aeroben Kammer (2) und der Membran-Filtrations-Kammer (3), um die Flüssigkeit von Träger-Partikeln abzutrennen, und (f) eine Rezirkulations-Vorrichtung, welche die Membran-Filtrations-Kammer (3) und die anoxische Kammer (1) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass (i) die aerobe Kammer (2) Partikel aus granulatförmigem Kunststoff-Träger, welche für das Wachstum von Mikroorganismen auf ihren Oberflächen geeignet sind, wobei der Träger eine geringere Dichte hat als Wasser, und zwei Ablenkplatten (7) enthält, welche die aerobe Kammer (2) in drei miteinander verbundene Abschnitte unterteilen, wobei der zentrale Abschnitt einen Luftverteiler in seinem unteren Teil aufweist, (ii) die Neigung von dem geneigten Abschnitt von dem Leitungsrohr (6) bezüglich des horizontalen Abschnitts zwischen 20° und 90° liegt und (iii) die Membran-Filtrations-Kammer (3) untergetauchte Hohlfaser-Ultrafiltrations-Membran-Module (12), ein an eine Zentrifugalpumpe (13) angeschlossenes Leitungsrohr und ein von der Filtrations-Kammer (3) abzweigendes und mit einer Pumpe (14) verbundenes Leitungsrohr aufweist.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der granulatförmige Träger eine um zwischen 5% und 15% geringere Dichte als Wasser hat.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der granulatförmige Träger grobkörniger Polyethylen-Kunststoff hoher Dichte ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der granulatförmige Träger eine Größe von zwischen 1,5 und 5 mm hat.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen von dem granulatförmigen Träger zwischen 15 und 25 Vol% liegt, bezogen auf das Volumen von der aeroben Kammer (2), und die Dichte von dem granulatförmigen Träger um 5 bis 15% geringer ist als die von Wasser.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Ultrafiltrations-Module (12) Polysulfon, Polypropylen oder ein anderes geeignetes Polymer aufweisen.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Ultrafiltrations-Module (12) mit geeigneten Membran-Reinigungs-Systemen vorgesehen sind, mittels Luftströmung, Rück-Waschens mit Permeat oder einem anderen System, welches mit der Anwendung kompatibel ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Ultrafiltrations-Module (12) ZeeWeed^® Membran-Filtrations-Module der Firma Zenon Environmental Inc. sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulations-Vorrichtung ein Leitungsrohr (16) aufweist, welches an einem Ende an ein Zentrifugal-Laufrad (15) und an dem gegenüberliegenden Ende an eine Rezirkulations-Rinne (18) angeschlossen ist, derart, dass der durch die Rinne (18) rezirkulierte Schlamm in der anoxischen Kammer (1) mittels eines rechteckförmigen Überlaufs (17) abgeladen wird.
Hybrid-Bio-Membran-Reaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenn-Vorrichtung einen Schacht (10) aufweist, welcher mit einem Rohr (11) vorgesehen ist, welches die aerobe Kammer (2) mit einem zweiten Schacht (10') verbindet, welcher in der Membran-Filtrations-Kammer (3) angeordnet ist, derart, dass ein Ende von dem Rohr (11) in Richtung zu der aeroben Kammer (2) geschlossen ist und das andere Ende in Richtung zu dem Schacht (10') offen ist, und welches eine nach unten gerichtete längliche Aussparung von rechteckförmigem Querschnitt aufweist.
Hybrid-Bio-Membran-Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden von dem Schacht (10) und der Boden von dem Schacht (10') mit einer Neigung, welche zwischen 20 und 45° liegt, gebaut sind.
Abwasser-Behandlungs-Verfahren, aufweisend die folgenden Schritte: (a) Vorsehen einer anoxischen Kammer (1), welche mit einer aeroben Kammer (2) verbunden ist, welche mit einer Membran-Filtrations-Kammer (3) verbunden ist, und einer Rezirkulations-Vorrichtung, welche ein Rezirkulieren von einem Teil der Mischflüssigkeit zwischen der Membran-Filtrations-Kammer (3) und der anoxischen Kammer (1) zulässt, in all denen ein mikrobieller Schlamm in Suspension gehalten wird, (b) Einbringen von Abwasser in die anoxische Kammer (1), in welcher ein Homogenisieren durchgeführt wird mittels einer mechanischen Rühr-Vorrichtung (5), so dass ein Teil von den Stickstoff-Anionen, welche in dem Abwasser präsent sind, mittels eines Biokatalysators zu gasförmigem Stickstoff reduziert wird, und Ermöglichen des Durchtritts von einem Teil der Mischflüssigkeit in Richtung zu der aeroben Kammer (2) mittels eines Leitungsrohrs (6), (c) Vorsehen von Mikroorganismen in der aeroben Kammer (2), welche geeignet sind, organische Substanz zu oxidieren und nitrifizieren, und Ermöglichen des Durchtritts der Mischflüssigkeit in Richtung zu der Filtrations-Kammer (3) mittels einer Trenn-Vorrichtung, (d) wobei die Mischflüssigkeit in der Membran-Filtrations-Kammer (3) gefiltert wird und es einem Teil der Mischflüssigkeit ermöglicht wird, in Richtung zu der anoxischen Kammer (1) zu rezirkulieren mittels der Rezirkulations-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass (i) die Mikroorganismen in der aeroben Kammer (2) sowohl in der Suspension als auch auf den Oberflächen der Partikel aus granulatförmigem Kunststoff-Träger wachsen, wobei der Träger eine geringere Dichte als Wasser hat und mittels Luftverteilern fluidisiert wird, (ii) behandeltes Abwasser von der Mischflüssigkeit in der Membran-Filtrations-Kammer (3) abgetrennt wird unter Verwendung von Kassetten, welche mit Hohlfaser-Membran-Filtrations-Systemen vorgesehen sind, wobei die Kassetten in der Mischflüssigkeit untergetaucht sind, derart, dass der äußere Teil der Filtrations-Membranen in Kontakt mit dem Schlamm ist, wohingegen der innere Teil der Fasern in Kontakt mit dem gefilterten, gereinigten Wasser ist, welches durch ein Leitungsrohr abtransportiert wird, welches an eine Zentrifugalpumpe (13) angeschlossen ist, wobei der erzeugte Schlammüberschuss in einer gesteuerten Art durch ein Leitungsrohr, welches mit einer Pumpe (14) verbunden ist, abgeführt wird.
Abwasser-Behandlungs-Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der granulatförmige Träger eine um zwischen 5% und 15% geringere Dichte als Wasser hat.
Abwasser-Behandlungs-Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der granulatförmige Träger grobkörniger Polyethylen-Kunststoff hoher Dichte oder ein anderes ähnliches Kunststoff-Erzeugnis ist.
Abwasser-Behandlungs-Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der grobkörnige Träger eine Größe von zwischen 1,5 und 5 mm hat.
Abwasser-Behandlungs-Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen von dem granulatförmigen Träger zwischen 15 und 25 Vol% liegt, bezogen auf das Volumen von der aeroben Kammer (2), und die Dichte von dem granulatförmigen Träger um 5 bis 15% geringer ist als die von Wasser.