DE69219870T2

DE69219870T2 - Verfahren zur biologischen Reinigung von mit Verunreinigungen belasteten Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE69219870T2
Application number: DE69219870T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Audic; Joelle Blanc; Laure Galvez
Original assignee: Lyonnaise des Eaux et de lEclairage SA
Current assignee: Lyonnaise des Eaux et de lEclairage SA
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1992-12-21
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2012-12-22
Also published as: CA2085454A1; DE69219870D1; FR2685691B1; ATE153315T1; DE549443T1; EP0549443A1; US5395528A; CA2085454C; DK0549443T3; FR2685691A1; ES2041604T1; EP0549443B1

Description

Die Erfindung betrifft ein biologisches Reinigungsverfahren für vor allem mit organischen oder mineralischen Verunreinigungen belastete Flüssigkeiten, hier insbesondere Abwässer, und Anlagen für die Durchführung eines solchen Verfahrens.
Schon seit langer Zeit kann man kommunale Abwässer auf biologischem Wege reinigen, und ist im Verlauf der letzten Jahre von Verfahren mit Belebtschlamm aus freibeweglichen Bakterienkulturen auf solche übergegangen, bei denen, um die Größe der Anlagen zu verringern, fest anhaftende Bakterienkulturen verwendet werden.
Bei auf Festbetten haftenden Kulturen sitzen die Bakterien auf natürlichen Mineralstoffen (Ton, Sand...), die in einem bestimmten Reaktorvolumen von dem zu behandelnden Wasser durchströmt werden, wobei, falls erforderlich, noch Luft für das Wachstum der Bakterien eingeblasen wird. Wegen seines hohen Gehaltes an Feststoffen muß das zu behandelnde Wasser zunächst einer Filtration und Vorbehandlung unterzogen werden, um die Möglichkeit einer Verstopfung des Verteilersystems und der Filtriermasse zu verringern. Darüber hinaus muß die überschüssige Biomasse, die auf dem Festbett entsteht, periodisch abgezogen werden, was einen diskontinuierlichen Betrieb des biologischen Reaktors zur Folge hat.
Um einen Betrieb von in Serie geschalteten Festbetten zu vermeiden, wurden bestimmte Reaktoren entwickelt, in denen man das Festbett-Trägermaterial durch das zu behandelnde Wasser fließfähig macht. Eine solche Anlage setzt die Wahl eines Trägermaterials von sehr geringer Korngröße voraus. Die zwingende Notwendigkeit, eine gleichmäßige Verteilung des im unteren Teil des Reaktors verteilten Wassers zu erreichen, schließt wiederum die Durchführung einer eingehenden Vorbehandlung ein, um jedes Risiko einer Verstopfung des Verteilersystems auszuschließen, durch die das Partikelbett destabilisiert würde.
Außerdem kann im Reaktor eine Schichtung der Biomasse erfolgen, die zu einer beträchtlichen Konzentration an Trägermaterial im unteren Teil führt; dabei treten ganz erhebliche Reibungskräfte auf, wodurch die Menge des biologischen Rasens, der sich auf den Trägerpartikeln bildet, begrenzt wird, und die reinigende Wirkung darunter zu leiden hat. Umgekehrt bewirkt die weniger hohe Konzentration im oberen Teil des Bettes eine vermehrte Ansammlung des biologischen Rasens auf den Partikeln.
Diese Akkumulation führt in zunehmender Weise zu einem Verlust an Partikeln, deren Eigenschaften bezüglich Größe und Dichte durch das Wachstum des biologischen Rasens hinreichend verändert wurden, so daß sie vom durch den Reaktor strömenden Wasser mitgeführt werden. Es wurden bestimmte Anlagen entwikkelt (FR-A 2 626 868), um die Partikel, die ausgeschleust wurden, zu regenerieren und zurückzuführen; durch sie wird jedoch die Struktur des Reaktors kompliziert.
EP-A -0 250 998 beschreibt einen Reaktor, in dem Trägerpartikel durch ein Gas in einer zu reinigenden Flüssigkeit in Bewegung gehalten werden; dabei werden die Biokatalysatoren oder Mikroorganismen auf den Trägerpartikeln immobilisiert.
Ein zusätzliches Problem stellt sich, wenn man gleichzeitig die Reinigung von Kohlenstoff und Ammoniakstickstoff enthaltenden Substanzen durchführen will; ein Problem, das durch die unterschiedlichen Reproduktionszeiten der dafür in Frage kommenden Bakterien bedingt ist.
Kohlenstoffbakterien, bei denen es sich um heterotrophe Bakterien handelt, weisen ein sehr viel rascheres Wachstum auf als Stickstoffbakterien, die autotrophe Bakterien sind. Kohlenstoffbakterien besetzen daher sehr schnell die Trägerpartikel und hindern somit die autotrophen Bakterien daran, sich dort festzusetzen. Letztere werden dann nach und nach mit dem behandelten Wasser ausgeschwemmt, und die Nitrifikation (Umwandlung von Ammoniak- in Nitrat-Stickstoff) kommt zum Stillstand. Dabei geht der Vorteil festhaftender Bakterienkulturen verloren, durch die es möglich ist, eine Trennung herbeizuführen zwischen dem kinetischen Druck (Reaktionszeit für die Transformation der Verunreinigungen) und dem physiologischen Druck (Alter der Biomasse oder ihre Verweilzeit im Reaktor, die größer sein muß als die Reproduktionszeit der Biomasse, um deren Weiterbestehen sicherzustellen).
Die Erfindung löst diese Probleme mit Hilfe eines Verfahrens gemäß Anspruch 1.
Durch den Einsatz eines Materials, das bezüglich Korngröße und Dichte Eigenschaften aufweist, wie sie vorstehend erwähnt werden, ist es möglich, dieses Material mit Hilfe eines Gases in ein Wirbelbett zu verwandeln. Dabei berücksichtigt man, daß dann Verwirbelung erreicht wird, wenn alle Partikel des Trägermaterials in Bewegung sind und den Reaktorraum vollständig ausfüllen. Die zu behandelnde Flüssigkeit, die nicht dazu eingesetzt wird, das Trägermaterial in Bewegung zu halten, kann auf irgendeine Weise (zum Beispiel mit Hilfe einer einfachen Zuleitung) und an einer beliebigen Stelle in den Reaktor eingeleitet werden und erfordert daher keine Vorbehandlung, um das Risiko einer Verstopfung des Verteilersystems für die Flüssigkeit auszuschließen. Man trifft deshalb im Reaktor auf Flocken, die in der mit Verunreinigungen belasteten Flüssigkeit vorhanden sind und/oder getrennt eingeleitet wurden und zum Beispiel aus einem nachgeschalteten Klärbecken für die behandelte Flüssigkeit stammen.
Wegen der im gesamten biologischen Reaktor aufrecht erhaltenen Turbulenz stellt man in ihm einen permanent wirksamen Schereffekt fest, der das Wachstum des biologischen Rasens fortwährend begrenzt, indem er eine Änderung der Größe und Dichte der suspendierten Partikel verhindert. Es erfolgt daher keine Schichtung der Partikel, und die Verwirbelung bleibt im gesamten Reaktor stabil bei gleichmäßiger Verteilung der aktiven Biomasse. Dies ist ein wichtiger Vorteil gegenüber Fließbetten, in denen der biologische Rasen nicht immer gleichmäßig verteilt ist, und dadurch die Abbaureaktion unvollständig bleibt.
Durch ein solches Verfahren ist sowohl eine aerobe als auch anaerobe Reinigung realisierbar. In Gegenwart aerober Bakterien ist das die Verwirbelung bewirkende Gas entweder Luft oder ein Inertgas, dem die erforderliche Menge Sauerstoff beigemischt wird. Dagegen ist in Gegenwart anaerober Bakten en das die Verwirbelung bewirkende Gas sauerstofffrei und vorteilhafterweise bei der Reinigung entstandenes Stoffwechselgas (zum Beispiel ein im wesentlichen Methan enthaltendes Gemisch, das durch den Einsatz von Methan erzeugenden Bakterien erhalten wird).
Im Falle einer in aerobem Milieu gleichzeitig erfolgenden Reinigung von Kohlenstoff und Ammoniakstickstoff enthaltenden Substanzen stellt man überraschend fest, daß sich die heterotrophen Bakterien im wesentlichen in der Flüssigkeit unter Bildung von Flocken vermehren, während die autotrophen Bakterien sich auf dem dann zur Verfügung stehenden Trägermaterial festsetzen. Selbstverständlich wird, wenn das die Verwirbelung hervorrufende Gas keinen Sauerstoff enthält, die für das Wachstum der Kohlenstoffbakterien notwendige Menge Sauerstoff dem Reaktor zugeführt.
Es ist bekannt, daß die Beibehaltung eines dünnen biologischen Rasens auf den Trägerpartikeln darüber hinaus unerläßlich ist für das gute Funktionieren eines solchen aeroben Systems. Die im Kontakt mit den durch Verunreinigungen belasteten Flüssigkeiten stehenden Feststoffe sind mit einem biologischen Rasen überzogen, dessen Dicke vom Wasserhaushalt abhängt. Der in der Flüssigkeit gelöste Sauerstoff sowie das Substrat (durch die Bakterien abzubauende Verunreinigungen) diffundieren an der Grenzfläche Flüssigkeit/Feststoff in den biologischen Rasen hinein. Der vorhandene Sauerstoff wird beim Durchqueren der peripheren Schicht des biologischen Rasens, der sog. Aktivzone, rasch verbraucht. In diesem Bereich wird die Biomasse kontinuierlich erneuert und spielt aufgrund eines aeroben Mechanismus eine reinigende Rolle. Der unterste, mit dem Trägermaterial in Berührung kommende Bereich befindet sich im Zustand einer Anaerobiose, wenn der biologische Rasen zu dick ist und dadurch inaktiv wird. Dieser anaerobe Bereich kann darüber hinaus auch noch schädlich sein, denn aufgrund der Inaktivierung und Auflösung der Zellen können lösliche und unlösliche Produkte entstehen, welche die Qualität des behandelten Wassers herabsetzen.
Das gegenseitige Aneinanderreiben der Partikel aufgrund der Verwirbelung im Reaktor, in dem die Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt, ermöglicht somit die Beibehaltung einer dünnen aktiven Schicht und erzeugt zusätzlich einen permanenten Wascheffekt gegenüber den Partikeln, auf denen die autotrophen Bakterien haften. Die freie Biomasse besteht im wesentlichen aus heterotrophe Bakterien enthaltenden Flocken und aus überschüssigem biologischem Rasen, der durch das Aneinanderreiben der Partikel fortlaufend abgelöst wird. Man erreicht damit eine ständige Wäsche des Wirbelbettes aus Trägerpartikeln, und die überschüssige Biomasse wird gleichzeitig mit der behandelten Flüssigkeit abgezogen. Es ist daher nicht erforderlich, den Betrieb des Reaktors zu unterbrechen, um das Bett aus Trägerpartikeln zu regenerieren.
Da wegen des Aneinanderreibens die physikalischen Eigenschaften der Partikel im Verlauf der Behandlung nicht verändert werden, kann außerdem eine leichte Trennung von Flüssigkeit und Partikeln erreicht werden, entweder aufgrund der Schwerkraft (zum Beispiel in der Beruhigungszone ohne Gaseinleitung), oder physikalisch (zum Beispiel durch Gitter, Sieb, Filter usw.).
Die Erfindung wird jetzt anhand der Zeichnungen im Anhang beschrieben, bei denen
Abbildung 1 die schematische Darstellung einer Anlage ist für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, und
Abbildung 2 die schematische Darstellung einer anderen Form der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
In einen Reaktor 1, in den man ein Granulat 2 eingefüllt hat, das mit Kohlenstoff- und Stickstoffbakterien geimpft wurde, bläst man Luft ein, um das Material in ein Wirbelbett zu verwandeln. Wie vorstehend schon erwähnt, verfügen die Trägerpartikel über eine Korngröße von 1 - 5 mm und eine Dichte von 1,01 - 1,3 g/cm³ und können irgendeine chemische Zusammensetzung aufweisen, sofern das Trägermaterial inert ist. Es können vor allem Kunststoffpartikel entsprechender Dichte verwendet werden, zum Beispiel solche aus geschäumtem Kunststoff. Ein Standardbeispiel für ein geeignetes Material ist das in der FR-A 2 612 085 beschriebene Granulat; die Erfindung ist jedoch keineswegs auf die Verwendung dieses Materials angewiesen; jedes Material mit den oben angeführten physikalischen Eigenschaften ist dafür geeignet.
Am Boden des Reaktors wird Luft eingeblasen in einer Menge, die ausreicht, um das Material 2 zu verwirbeln. Man hat festgestellt, daß bei einem Füllstand von bis zu 25 % (Verhältnis des tatsächlichen Materialvolumens zum Reaktorvolumen) die zur Verwirbelung des Materials erforderliche Geschwindigkeit in der Größenordnung von 20 m pro Stunde liegt. Aufgrund der niedrigen Dichte des verwendeten Materials ist die zu seiner Verwirbelung notwendige Energie kleiner als die für die Verwirbelung mineralischer Stoffe (Sand, Ton...) erforderliche, die herkömmlicherweise bei der Behandlung von Wasser eingesetzt werden. Die zu behandelnde Flüssigkeit, zum Beispiel das aus einer Sammelleitung stammende kommunale Abwasser, wird ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen (zum Beispiel Vorbehandlung oder Feinfiltration) durch die Leitung 3 an jeder dafür geeigneten Stelle in den Reaktor eingespeist. Nach ausreichender Verweilzeit, die von der Qualität des zu behandelnden Rohwassers abhängt, wird die behandelte Flüssigkeit durch eine Leitung 6 in ein Becken 4 für die Rückgewinnung des Trägermaterials geleitet, von wo letzteres durch die Leitung 5 von unten wieder in den Reaktor 1 zurückgeführt wird; die behandelte Flüssigkeit wird dann in ein Klärbecken 7 eingeleitet, in dem sie durch Dekantieren von der in ihr enthaltenen Biomasse abgetrennt wird. Die behandelte und geklärte Flüssigkeit wird durch eine Leitung 10 abgepumpt. Der die Biomasse bildende Schlamm wird durch eine Leitung 8 aus dem Klärbecken 7 abgezogen und teilweise wieder durch die Leitung 9 über die Einspeisleitung für die Flüssigkeit in den Reaktor 1 zurückgeführt.
Wenn die Flüssigkeit eventuell zusammen mit aus dem Klärbekken 7 stammendem Schlamm in den Reaktor eingeleitet wird, fangen die zugegebenen Bakterien, sofern es sich um heterotrophe Kohlenstoffbakterien handelt, an, sich auf der Flocke freibeweglich zu vermehren, wobei sie aufgrund ihres raschen Wachstums den gesamten verfügbaren Kohlenstoff schnell verbrauchen, während die autotrophen Stickstoffbakterien, die eine deutlich niedrigere Wachstumsrate aufweisen und in freiem Zustand nicht lebensfähig sind, sich auf dem Trägermaterial festsetzen, das ihnen praktisch in vollem Umfang zur Verfügung steht.
Abbildung 2 zeigt eine ähnliche Anlage wie die in Abbildung 1; in ihr ist jedoch zusätzlich eine Denitrifikationsstufe (Umwandlung des Nitratstickstoffs in molekularen Stickstoff) in einem Becken 12 vorgesehen, das dem Reaktor 1 vorgeschaltet ist, und in das man einen Teil des im Klärbecken 7 zurückgewonnenen Schlamms oder der Biomasse, sowie einen Teil der behandelten jedoch nicht geklärten Flüssigkeit zurückführt; die Rückführungen erfolgen über die Leitungen 9 und 11. Eine solche Anlage ermöglicht die Reduzierung des Nitratgehalts der behandelten Flüssigkeit, wenn dieser Gehalt vom Gesetzgeber festgelegte Grenzwerte einhalten muß.
Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Durchführung des besonderen Falles einer gleichzeitigen Entfernung von Kohlenstoff und Ammoniakstickstoff enthaltenden Verunreinigungen; sie haben jedoch nur beispielhaften Charakter und schränken die Bedeutung der Erfindung in keiner Weise ein.

BEISPIEL 1

In einer Pilotanlage wird mit dem Abwasser einer mittleren Stadt ein Versuch durchgeführt, wobei die Anlage entsprechend dem Schema von Abbildung 1 hergestellt wurde mit einem Reaktor von 1 m³ Inhalt, einer Höhe von 4 m und einem Durchmesser von 0,6 m. Das verwendete Trägermaterial ist ein Granulat gemäß FR-A 2 612 085 in Form kleiner Kugeln mit einem Durchmesser von 3,60 mm und einer Dichte von 1,04 g/cm³. Der Füllgrad beträgt 15 %. Die Betriebsparameter und Resultate sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt.

BEISPIEL 2

Gemäß dem Schema von Abbildung 2 (Rückgewinnung in einem Denitrifikationsbecken 12 erstellt man eine Pilotanlage unter Verwendung des gleichen Reaktors und des gleichen Abwassers wie in Beispiel 1. Die Betriebsparameter und Resultate sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben. TABELLE
Für die Behandlung von Abwasser durch Methangas erzeugende Bakterien können vom Fachmann ohne Schwierigkeiten auch gleichartige Anlagen eingesetzt werden, wobei als Verwirbelung verursachendes Gas das durch die Tätigkeit der Bakterien gebildete Gas eingesetzt wird.
Die Erfindung wurde detailliert beschrieben in ihrer Verwendung für die bakterielle Behandlung von Abwasser; es wird jedoch ausdrücklich festgehalten, daß sie für jede Flüssigkeit verwendet werden kann, die mit Verunreinigungen belastet ist, welche durch Bakterien abgebaut werden können.

Claims

1. Verfahren zur biologischen Reinigung von stark mit organischen oder mineralischen Verunreinigungen belasteten Flüssigkeiten mit Hilfe von Bakterien in Gegenwart eines festen Trägers, an dem die Bakterien anhaften können, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte aufweist:

(A) kontinuierliches Einleiten der zu reinigenden, Flokken enthaltenden Flüssigkeit, die keiner vorherigen Filtration unterzogen wurde, in einen Reaktor in aerobem Milieu, in dem ein fester Träger mit einer Korngröße zwischen 1 und 5 mm und einer Dichte zwischen 1,01 und 1,3 g/cm³ durch Einblasen von Gas in Gegenwart von Bakterien in einen aufgewirbelten Zustand versetzt wurde, wobei die für den Stoffwechsel der Bakterien notwendigen Bedingungen beachtet werden, und in dem Reaktor gleichzeitig Stickstoffbakterien, die autotroph sind und auf dem Träger anhaften, und Kohlenstoffbakterien, die heterotroph sind und sich im wesentlichen auf den Flocken in der Flüssig keit fortpflanzen, verwendet werden; und

(B) kontinuierliches Abziehen der behandelten Flüssigkeit aus dem Behälter nach einer ausreichenden Aufenthaltszeit für eine wirkungsvolle Reinigung der in der zu reinigenden Flüssigkeit enthaltenen Verunreinigungen.

2. Biologisches Reinigungsverfahren nach Anspruch 1, welches aerobe Bakterien verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß man als Aufwirbelungsgas Luft verwendet, welche auch die für die Bakterien notwendigen aeroben Bedingungen liefert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die behandelte Flüssigkeit ein Becken zur Rückgewinnung des festen Trägers durchläuft, der in den Reaktor zurückgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die behandelte Flüssigkeit in ein Klärbecken geleitet wird, in dem man die Biomasse abtrennt, die teilweise in den Reaktor zurückgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Denitrifikationsstufe in einem Denitrifikationsbecken vorgesehen ist, das dem Reinigungsreaktor vorgeschaltet ist, und in das man zumindest teilweise die von dem biologischen Reaktor abgezogene Flüssigkeit und mindestens einen Teil der in dem Klärbekken anfallenden Schlämme zurückführt.