DE60308243T2 - Methode zur biologischen Reinigung von Betriebswasser oder Abwasser - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Wasser, beispielsweise Abwasser, wobei ein Trägermaterial benutzt wird.
• Bei der biologischen Reinigung von Wasser oder Abwasser wird das Wasser durch eine Art von Reaktor (ein Gefäß oder ein anderer Raum) geleitet, wobei Mikroorganismen zum Konvertieren von im Wasser existierenden Verunreinigungen zu harmlosen Endprodukten, wie z. B. Kohlendioxid und Wasser, benutzt werden. Die Reinigung kann unter Zufuhr von Luft (aerob) oder ohne Zufuhr von Luft (anaerob) durchgeführt werden. Um die Effizienz des Reinigungsprozesses zu steigern, ist es üblich, einen hohen Gehalt von aktiven Mikroorganismen in dem Prozess anzustreben, indem solche Organismen davon abgehalten werden, zusammen mit dem gereinigten Wasser zu entkommen, entweder, indem es den Mikroorganismen ermöglicht wird, schwebend im Reaktor zu wachsen, und sie vom Wasser in einem Separationsschritt nach dem Reaktor getrennt und in den Reaktor zurückgeführt werden (z. B. der belebte Schlammprozess), oder, indem eine Art Trägermaterial in den Prozess eingeführt wird, auf dessen Oberfläche die Mikroorganismen als Biofilm wachsen können und somit im Prozess gehalten werden (der Biofilmprozess). Es gibt auch Mischungen dieser beiden Prozesstypen, die hybride Prozesse genannt werden, bei denen das Trägermaterial in einen belebten Schlammprozess eingeführt wird, so dass schwebende Mikroorganismen wie auch Biofilm-wachsende Mikroorganismen im Prozess genutzt werden können.
• Der Biofilmprozess hat verglichen mit dem belebten Schlammprozess einige Vorteile. Unter anderem können höhere Belastungen verwendet werden und die Biofilmprozesse sind wesentlich weniger empfindlich gegenüber Variationen und Störungen. Die meisten konventionellen Biofilmprozesse basieren auf dem Packen von Trägermaterial in den Reinigungsreaktor, wobei das Material Füllkörper oder Blöcke umfasst, die fest und unbeweglich im Prozess gehalten werden. Diese Ausführungsformen des Prozesses schließen das Risiko des Verstopfens des Biofilmbetts durch Biomasse oder andere Schwebstoffe und der Formation von Totzonen im Prozess mit ein, wobei der Kontakt zwischen dem Wasser und den aktiven Mikroorganismen unbefriedigend ist.
• Bei einem anderen Typ von Biofilmprozess, der in den letzten Jahren sehr erfolgreich gewesen ist und der MBBR-Prozess genannt wird, „Bewegliches-Bett-Biofilm-Reaktor", wird ein Trägermaterial benutzt, welches im Prozess in der Schwebe und in Bewegung gehalten wird. Das Trägermaterial mit darauf wachsenden Mikroorganismen wird im Prozess gehalten, indem ausgehendes Wasser durch einen Filter (Sieb oder Gitter) geführt wird, welcher einen Öffnungsdurchmesser oder eine Schlitzbreite hat, die so klein ist, dass das Trägermaterial nicht dort durchpassieren kann. Der Vorteil dieser Art von Prozess ist unter anderem, dass das Risiko eines Verstopfens des Bettes und einer Bildung von Totzonen eliminiert ist.
• Die Verwendung eines Trägermaterials, welches im Prozess in der Schwebe und in Bewegung gehalten wird, ist ursprünglich für verschiedene Hybridprozessanwendungen berichtet worden, d. h. schwebende Träger sind zu belebten Schlammprozessen zugeführt worden, um deren Funktion zu verbessern. Träger, die zu diesem Zweck verwendet worden sind, umfassen Stücke aus Schaumgummi ( EP 0 142 123 ), verschiedene Typen von zylindrischen Füllkörpern (Bundesministerium für Forschung und Technologie, „Einsatz von Schwebekörper zur Erhöhung der ...", von Dr. D. Dengeler, H. Lang, A. Baum, Forschungsbericht 02WA8538, Januar 1988, Seiten 12 und 13), Träger, die halbkugelförmige Körper umfassen, die innere Wände besitzen ( DE 30 17 439 ), „igelartige" Träger, perforierte Kugeln und verschränkte Platten ( EP 0 058 974 ).
• Der erste genuine Biofilmprozess mit schwebendem Trägermaterial (MBBR) wurde Anfang der 90er Jahre präsentiert ( EP 0575314 B1 ) und war schnell sehr erfolgreich. Der Prozess basiert auf der Benutzung eines Trägermaterials mit einer Oberfläche, die mindestens 1,5 mal größer ist als die Oberfläche von glatten Elementen, die dieselben Ausmaße besitzen, und einer Dichte, die von 0,9 bis 1,2 reicht, wobei die Oberfläche teilweise gegen Abrieb gegenüber anderen Trägerelementen geschützt ist, und Wänden, die einen ausgiebigen Durchfluss von Wasser durch den Träger erlauben. Die bevorzugte Ausführungsform dieses Trägers umfasst Teile eines Schlauches, der innenseitige Untertei lungen besitzt und außenseitige Lamellen. Diese Träger, die einen Durchmesser besitzen, der von 8 bis 15 mm reicht, sind erfolgreich in mehr als 150 Anlagen des MBBR-Prozesses im Originalmaßstab benutzt worden.
• Ähnliche Träger für den MBBR-Prozess sind in den Patent Abstracts of Japan, Vol. 14, No. 509, offenbart, wobei die Träger als schlauchähnliche Elemente beschrieben werden mit außenseitigem Durchmesser, der von 2 bis 20 mm reicht, einer Dichte, die von 1,0 bis 1,02 reicht, einem Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser, das von 0,3 bis 3,0 reicht, und mehreren Längsöffnungen durch den Träger hindurch, von denen jede einen Durchmesser von mindestens 1 mm besitzt.
• Träger, die Teile eines extrudierten Schlauches von diesem Typ besitzen, die für den MBBR-Prozess entwickelt worden sind, sind dann auch in hybriden Prozessen benutzt worden (Werbematerial der EVU Entwicklung und Umwelttechnik GmbH; Werbematerial von Conner Pacific Environmental Technologies Inc.).
• Da die Träger im MBBR-Prozess wiederholten Kollisionen miteinander ausgesetzt sind, werden die Oberflächen, die anderen Trägern ausgesetzt sind, von Biofilmwachstum freigehalten. Somit ist die Effizienz des Prozesses stark von der Fläche abhängig, die gegen Kollision geschützt ist, beispielsweise in inneren Durchgängen und Räumen (Sacklöchern). Das Streben nach einem großen geschützten Bereich führte anfangs zu nur kleinen im MBBR-Prozess benutzten Trägern, kleiner als 15 mm. Die Fachleute sahen es als unmöglich an, einen ausreichend großen geschützten Bereich für große Träger bereitzustellen, größer als etwa 15 mm, ohne den Transport von Wasser, Verunreinigungen und Sauerstoff zum Biofilm stark zu beeinträchtigen. In einer weiteren Entwicklung sind die kritischen Parameter identifiziert worden, die benötigt werden, um einen befriedigenden Massentransport auch in größeren Trägern zu garantieren, die einen relativ großen geschützten Bereich besitzen ( EP 0 750 591 ). In vielen Anwendungen, insbesondere wenn das Abwasser viele Partikel enthält, ist es ein Vorteil, große Träger zu benutzen, da Gitter oder Filter mit großen Öffnungen zum Rückhalten dieser Träger im Prozess benutzt werden können. In einer auf dem Markt erhältlichen Ausführungsform ist dieser Träger als zylindrisches Trägerelement definiert, das aufgebaut ist durch radiale Wände, die zu einer Struktur ähnlich einem Tur binenrad verbunden sind, die in der Mitte offen ist. Träger von diesem Typ in Größen von 30 bis 60 mm und mit einem geschützten Bereich bis zu 300 m²/m³ Trägermassevolumen sind erfolgreich in ca. 50 MBBR Anlagen benutzt worden. Mit diesen Ausführungsformen nach dem Stand der Technik war es jedoch nicht möglich, in der Praxis große Träger > 15 mm mit einem effektiven geschützten Bereich > 400 m²/m³ Trägermassevolumen zu benutzen, ohne dass Probleme beim Massentransport zum Biofilm auftraten. Dies ist auch in EP 0 750 591 erklärt. „Wenn die Trägerelemente so ausgebildet sind, dass sie eine sehr große Oberfläche > 500 m²/m³ besitzen, kann es jedoch schwierig sein zu vermeiden, dass die Durchgänge durch das Trägermaterial hindurch so eng sind, dass sie durch das Wachstum gestoppt werden." > 500 m²/m³ bezeichnet ein Trägerelementvolumen von ca. 400 m²/m³ Massevolumen.
• Für kleine Träger < 15 mm gemäß Ausführungsformen nach dem Stand der Technik liegt eine praktische Grenze für den effektiv geschützten Bereich, der ohne Massentransportbegrenzung erreicht werden kann, bei ca. 500 m²/m³ Trägermassevolumen.
• Die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kapazität von MBBR- und hybriden Prozessen erheblich zu steigern, und die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Wasser, wobei das Wasser einem Reaktor zugeführt wird, der Träger zum Biofilmwachstum enthält, die im Wasser im Reaktor in Bewegung gehalten werden und so dimensioniert sind, dass sie mittels eines Filters im Reaktor zurückgehalten werden, das ein Auslassen des Wassers aus dem Reaktor durch die Filteröffnungen hindurch erlaubt, und die eindeutig definierte Durchgänge und Räume besitzen, die eine Oberfläche für das Biofilmwachstum liefern, welche gegen Kollisionen mit den Oberflächen anderer Trägerelemente geschützt ist.
• Diese Aufgabe wird durch das Verfahren der Erfindung gelöst, welches die kennzeichnenden Merkmale gemäß Anspruch 1 besitzt, wobei das Trägermaterial als Konsequenz daraus eine große Größe in zwei Dimensionen mit einem effektiv geschützten Bereich kombiniert, welcher erheblich größer ist als der von Ausführungsformen nach dem Stand der Technik, ohne dass ein Problem beim Massentransport zum Biofilm auftritt.
• Der Gebrauch von erfindungsgemäßen Trägern liefert große Vorteile im Vergleich zum Gebrauch von Trägern gemäß Ausführungsformen nach dem Stand der Technik aufgrund der Tatsache, dass erheblich größere effektiv geschützte Oberflächen im Prozess vorgesehen werden können, was die Kapazität des Prozesses erhöht und die Möglichkeit bietet, das Volumen des Reinigungsreaktors wesentlich zu reduzieren.
• Bei Betrachtung des vorstehend diskutierten Standes der Technik war es für den Fachmann nicht offensichtlich, die im erfindungsgemäßen Verfahren benutzten Träger wie in Anspruch 1 definiert auszubilden, um eine substantielle Erhöhung der Effizienz der MBBR-Prozesse oder der Hybridprozesse zu erreichen.
• Vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
• Um die Erfindung genauer zu erklären, werden nachstehend zwei Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen
• 1 und 2 eine Seitenansicht bzw. ein Querschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trägers sind, wobei der Querschnitt entlang der Linie A-A in 1 verläuft, und
• 3 und 4 Ansichten ähnlich denen in 1 und 2 sind und eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform offenbaren.
• Das Trägerelement gemäß der ersten Ausführungsform kann als kreisförmige Platte beschrieben werden, die eine Vielzahl von Durchgängen besitzt, die mittels quadratischer, durch die Platte durchgehender Öffnungen mit Wänden gebildet sind, welche eine gegen Abrieb gegenüber anderen Trägerelementen geschützte Oberfläche bieten. Der Durchmesser des Trägerelements beträgt 30 mm. Die Dicke der Platte beträgt in Richtung des Durchgangs 2 mm, und die Öffnungen haben eine Seitenlänge von 1 mm, was einen geschützten Bereich von ca. 1.950 m²/m³ Trägerelementvolumen bietet und ein Verhältnis zwischen der Länge des Durchgangs und der größten Dimension der Öffnungen (der Diagonale) von 1,4.
• Normalerweise sollte der Durchmesser des Trägerelements oder dessen Breite größer als 20 mm sein, die Länge des Durchgangs sollte kleiner sein als 6 mm, und das Verhältnis zwischen der Länge des Durchgangs und der längsten Dimension der Einlassöffnung sollte kleiner sein als 3 mm, vorzugsweise kleiner als 2,5 mm, insbesondere kleiner als 2 mm. Der geschützte Bereich sollte normalerweise mindestens 1.000 m²/m³ Trägerelementvolumen betragen, vorzugsweise mindestens 1.250 m²/m³ Trägerelementvolumen, insbesondere mindestens 1.500 m²/m³ Trägerelementvolumen.
• Der Träger gemäß der zweiten Ausführungsform kann als Achteckplatte beschrieben werden, welche eine Vielzahl von kreisförmigen Sacklöchern von beiden Seiten in die Platte hinein besitzt, welche Räume bilden und Oberflächen bieten, die gegen Abrieb gegenüber anderen Trägern geschützt ist. Der Durchmesser des Trägers über die Ecken beträgt 52 mm. Die Dicke der Platte beträgt 4,5 mm. Die Tiefe der Räume beträgt 2 mm und der Durchmesser der Einlassöffnungen der Räume beträgt 1,5 mm, was einen geschützten Bereich von 1.330 m²/m³ Trägerelementvolumen bietet und ein Verhältnis zwischen der Tiefe der Abteile und der längsten Dimension (dem Durchmesser) der Öffnungen von 1,33.
• Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Wasser, wie z. B. Abwasser, einem Reaktor genannten Raum zugeführt, wie beispielsweise einem Gefäß, der die erfindungsgemäßen Träger enthält, beispielsweise von der einen oder der anderen vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Die Träger werden im Wasser im Reaktor in Bewegung gehalten, aus welchem das Wasser durch die Öffnungen eines Filters abfließt. Die Träger sollten in Bezug auf die Filteröffnungen unter Berücksichtigung der Parameter der Erfindung so dimensioniert sein, dass sie nicht die Filteröffnungen passieren, sondern im Reaktor zurückgehalten werden.
• Die Kombination von Größe, Bereich, Durchgangslänge bzw. Raumtiefe und der Einlassöffnungsdimension in Relation zu der Durchgangslänge bzw. der Raumtiefe, wie vorstehend dargelegt, bietet einen Träger, der wesentlich verbesserte Eigenschaften in MBBR- oder Hybridprozessen besitzt, als bisher benutzte Träger. Ein sehr wichtiges Merkmal der Erfindung ist, dass die Durchgangslänge bzw. Abteiltiefe an die Dimensionen der Einlassöffnungen gemäß dem vorstehend genannten Verhältnis angepasst ist.
• Bei umfangreichen Vergleichen zwischen der Erfindung und bevorzugten Ausführungsformen von Trägern nach dem Stand der Technik zeigte sich, dass die Erfindung eine erheblich höhere Kapazität von MBBR- oder Hybridprozessen liefert. Bei die Nitrifikation von kommunalem Abwasser betreffenden Vergleichen in drei parallelen MBBR-Prozessen, wobei jeder mit Trägermaterial bis zu 50 % des Volumens des Prozessreaktors gefüllt wurde, sind die Kapazitäten gemäß nachstehender Tabelle 1 erfasst worden. Somit konnte die Prozesskapazität unter Benutzung des erfindungsgemäßen Trägermaterials mindestens um den Faktor 3 erhöht werden.
• Tabelle 1

  

Claims (4)

1. Verfahren zur biologischen Reinigung von Wasser, wobei das Wasser einem Reaktor zugeführt wird, der Träger zum Biofilmwachstum enthält, welche im Wasser im Reaktor in Bewegung gehalten werden und dimensioniert sind, im Reaktor durch einen Filter zurückgehalten zu werden, der ein Abfließen des Wassers aus dem Reaktor durch die Filteröffnungen hindurch erlaubt, und wobei die Träger klar definierte Durchgänge oder Räume besitzen, welche eine Oberfläche für das Biofilmwachstum liefern, die gegen Kollision mit Oberflächen anderer Träger geschützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement eine Breite oder einen Durchmesser besitzt, der größer als 20 mm ist, dass der geschützte Bereich größer ist als 1.000 m²/m³ Trägerelementvolumen, vorzugsweise größer als 1.250 m²/m³ Trägerelementvolumen, insbesondere größer als 1.500 m²/m³ Trägerelementvolumen, dass die Länge der Durchgänge bzw. die Tiefe der Räume im Träger im Mittelwert kleiner ist als 6 mm bzw. kleiner als 3 mm, vorzugsweise kleiner als 4,5 mm bzw. 2,5 mm, insbesondere kleiner als 3 mm bzw. 2 mm, und dass das Verhältnis zwischen der Länge der Durchgänge bzw. der Raumtiefe und der längsten Dimension der Einlassöffnungen der Durchgänge bzw. der Räume kleiner ist als 3, vorzugsweise kleiner als 2,5, insbesondere kleiner als 2.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Trägerelement eine Platte ist, die eine Vielzahl von durchgehenden Öffnungen besitzt, welche die Durchgänge bilden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Trägerelement eine Platte ist, die eine Vielzahl von die Räume bildenden Sacklöchern besitzt, die sich von beiden Seiten der Platte in die Platte hinein erstrecken.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei schwebende Biomasse in abgelassenem Wasser vom Wasser getrennt wird und in den Reaktor zurückgeführt wird, damit der Reaktor Biomasse enthält, die im darin befindlichen Wasser schwebt, und auch Biomasse, die auf den Trägern wächst.