DE69531163T2

DE69531163T2 - Trägermedium zur aufnahme eines biofilms zur reinigung von abwasser und verfahren zur herstellung dieses trägermediums

Info

Publication number: DE69531163T2
Application number: DE1995631163
Authority: DE
Inventors: Bjoern Pedersen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-10-04
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2015-09-30
Also published as: EP0793622A1; EP0793622B1; DE69531163D1; AU3518295A; DK0793622T3; WO1996010542A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Trägermedium zur Aufnahme eines Biofilms in einer Flüssigkeit, beispielsweise einem Abwasser, mit einer Vielzahl von Trägerelementen mit eng benachbarten Poren.
Ein solches Trägermedium ist beispielsweise aus der offen gelegten DE 40 22 552 A1 bekannt, die ein poröses Filtermaterial beschreibt, das aus harten Materialien bestehen kann, etwa Ton, Glas, Schaumglas, Perlit, Steingut, Keramiken, Porzellan und Quarz, es kann auch ein steifes und hartes Kunststoffmaterial verwendet werden. Das erwähnte Filtermaterial hat Poren in der Form von kapillaren Röhrchen, die die Wirkung haben, gleichzeitig eine nicht erwünschte, unkontrollierbare aerobische und anaerobische Reaktion zu erlauben.
Aus der dänischen Offenlegungsschrift DK 152590 B ist ein weiteres Trägermedium bekannt, das aus einem rostfreien Stahl, verschiedenen synthetischen Arten von Kunststoff oder Glas oder anderen korrosiven Materialien in Form von Elementen mit einer hauptsächlich netzartigen inneren Struktur besteht. In keiner der drei räumlichen Dimensionen haben diese Elemente eine relativ kleine Erstreckung, sie können daher eine tiefe kohärente Biomasse im Inneren der Netzstruktur beinhalten, wodurch unkontrollierbare sowohl aerobische als auch anaerobische Reaktionen stattfinden können.
In dem Patent GB 1,034,760 wird ein der Luft ausgesetztes Filter zum biologischen Reinigen von Abwasser beschrieben. Das Filter ist aus gepackten Elementen in der Form beispielsweise von Kugeln, Kuben, Ringen, Röhren, Kegeln, Gittern und Netzen gebildet. Für die Herstellung dieser Elemente werden inaktive expandierte polymere Materialien verwendet, beispielsweise Polyurethan, Polyvinylclorid, Polystryren, Polypropylen oder Polyamid. Das Material kann steif sein, um die gepackten Filter ausreichend selbsttragend zu machen, jedenfalls müssen die Elemente eine solche Form haben, dass sie zu einem Filter gepackt werden können, wobei sie die Passage für Luft und Flüssigkeit durch den Filter erlauben. Dies schließt aus, dass die Elemente die Form von flachen Scheiben haben, die durch ein Packen sich selbst aufeinander in einem Muster aufeinander legen würden, das vollständig oder teilweise die Passage durch das Filter verhindern würde.
Es wird weiter angenommen, dass die Filterelemente, um einander in einem oder mehreren Bereichen abstützen zu können, während gleichzeitig ein ausreichend großer Abstand zwischen den Elementen vorhanden sein muss, um es dem Filter zu erlauben, effektiv zu wirken, eine so große räumliche Erstreckung haben, dass, wie in dem vorangehend genannten Fall, eine tiefe kohärente Biomasse gebildet wird, wo unkontrollierte aerobische und anaerobische Reaktionen stattfinden können.
Dasselbe gilt für das Trägermedium für einen Biofilm, der aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 302 965 A2 bekannt ist. Dieses Trägermedium besteht aus einem extrudierten Strang, der in zylindrische oder kubische Elemente mit etwa derselben Erstrekkung in allen drei Dimensionen geteilt werden kann. Das verwendete Material besteht hauptsächlich aus gebranntem Diatomit mit einem Zusatz eines anorganischen Binders, ausgebrannten organischen Materialien, einer organischen polymeren Binder, einem organischen Lösungsmittel wie Kerosin, Dieselöl, Alkohol oder geschmolzenem Wachs. Das fertige Material hat eine Porosität, die hauptsächlich von dem Diatomit stammt und ist relativ zerbrechlich und verletzlich und daher nicht geeignet, um als lockere Elemente in einem Flüssigkeitsstrom zu dienen, wo die Elemente ständig verkippt werden und so aneinander anstoßen und gegeneinander reiben in einer An und Weise, der sie nicht widerstehen können.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Trägermedium der eingangs genannten An zu schaffen mit Trägerelementen, die einen Biofilm zuverlässig aufnehmen können, die über eine lange Standzeit in einem Flüssigkeitsstrom dauerhaft sind und die im Verhältnis zu dem Volumen eine größere Oberfläche hat als bisher bekannt und entsprechend einen höheren Reinigungseffekt sowie dazu in der Lage sind, eine kontrollierte Aktivität des Biofilms ohne die Gefahr einer gleichzeitigen aerobischen und anaerobischen Reaktion sicherzustellen.
Das heißt, nach der Erfindung werden Trägerelemente als dünne Scheiben oder ringförmige Flocken aus einem relativ harten Material gewonnen. Diese Flocken haben eine sehr große, leicht zugängliche Oberfläche, auf der die Mikroorganismen des Biofilms fixiert werden können. Die Porosität hat die Form leichter Kerben, die maximal eine Dicke entsprechend der Vertiefungen der Poren haben, was, da die Flocken dünn sind, verursacht, dass, wie in dem bekannten Trägermedium, kein verzichtbarer oder unerwünschter Kapillareffekt gegeben sein kann.
Die Mikroorganismen sind in dem Verhältnis zu dem passierenden Wasserstrom durch die geringen Vertiefungen auf beiden Seiten der Flocken abgeschirmt, wodurch der Biofilm auch bei sehr starken Turbulenzen und Pulsationen in dem Wasser in Ruhe bleibt. Dies macht es möglich, eine Kultur von fixierten und leicht zugänglichen Organismen in bisher unbekanntem Maße zu bewirken, der erzeugte Biofilm wird aufgrund der geschützten abgeschirmten Position dazu in der Lage sein, relativ bei einem eventuellen Unglück sich schnell zu regenerieren.
Da der Biofilm in den flachen Kerben liegt, ist der Film so dünn, dass ein direkter Kontakt mit dem Abwasser, dem Inhalt des Abwassers und der Luft sichergestellt ist. Die Entfernung zwischen einem Mikroorganismus und Wasser kann nicht größer sein als die halbe Dicke der Flocke, d. h. beispielsweise 0,3 mm bei 0,6 mm dicken Flocken.
Dieser geringe Abstand erhöht weiter den Vorteil, dass anerobische Zustände nur schwer hinter einem aerobischen Biofilm auftreten können, da der Biofilm so dünn ist, dass Sauerstoff durch den Film diffundieren wird und einen möglicherweise anaerobischen Zustand zerstören wird.
Dadurch wird der Gesamtbereich, auf dem der Biofilm fixiert ist, vollständig für den gewünschten Zweck verwendet, wodurch das Gebiet des Trägermediums für den Reinigungsvorgang optimal verwendet wird. Der Reinigungsvorgang wird weiter biologisch kontrollierbar, was unter anderem bei der industriellen Fermentation sehr vorteilhaft ist.
Der kurze Abstand zwischen den Mikroorganismen und dem Inhalt des Abwassers erleichtert weiter den Reinigungsvorgang, der in großem Umfang von der Aktivität der Mikroorganismen oder der Qualität der stattfindenden Diffusion durch die Zellwandung abhängt. Die Proportionen dieser Diffusion wird erhöht, wenn die Mikroorganismen in den bestmöglichen Kontakt mit dem zu reinigenden Abwasser kommen oder mit anderen Worten, wenn der Mikrofilm in der Porosität der Flocken liegt.
Flocken, die beispielsweise in Abwasser plaziert sind, können in gelegentlicher Abhängigkeit von den Proportionen des Wachstums eine größere oder geringere Dichte als das Abwasser haben. In beiden Fällen werden die flachen Flocken unter dem Einfluss des passierenden Wasserstroms zueinander finden. Das Wasser muss daher einen weit längeren Weg fließen als dies der Fall ist, wenn beispielsweise kugelförmige oder kubische Elemente verwendet werden. Dies erhöht die Reinigungskapazität eines Reinigungsmoduls mit einem gegebenen Volumen.
Ein Biofilm hat eine Tendenz, in unerwünschter Weise zu wachsen. Um dies zu vermeiden, werden die Flocken nach der Erfindung aus einem harten Material hergestellt. Bei einer Beeinflussung durch das Abwasser, das durch die Flocken fließt und durch die injizierte Luft werden die Flocken aneinander anstoßen und gegeneinander reiben, wodurch der Überschuss an Biomasse vorteilhafter Weise aufgrund der Härte der Flocken abgeschabt wird
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Erzeugung der oben erwähnten Trägerelemente aus einem Kunststoffmaterial in der Form eines Granulats oder Pulvers, das mit einem Schaum bildenden Detergens vermischt wird, woraufhin das Gemisch zu einem Extruder geführt wird und derart erwärmt wird, dass das Kunststoffmaterial in einen elastischen Zustand gebracht wird, während das Schaum bildende Detergens durch Aufschäumen das Material mit Zellen unter einem Gasüberdruck füllt und das aufgeschäumte Kunststoffmaterial sodann aus den Düsen des Extruders extrudiert wird in einem Strang, der auf einen teilweisen plastischen Zustand abgekühlt und in Scheiben geschnitten wird, die so dünn sind, dass ein großer Teil der Zellen hinter den Schnitten durch den Überdruck des Gases birst.
Wenn ein Schaum bildendes Detergens zunächst zu dem plastischen Material zugegeben wird, ist dies während der Extrusion mit kleinen geschlossenen Zellen gefüllt. Einige von ihnen bilden in Abhängigkeit von dem Druck und der Temperatur auf dem Weg durch den Extruder Formen, die länglichen Ellipsen, die sich in der Längsrichtung des Strangs erstrecken, angenähert sind. Andere Zellen werden mehr oder weniger kugelförmig sein.
Wenn die geschnittenen Scheiben ausreichend dünn sind, werden die Messer in großem Ausmaße die länglichen Zellen transversal schneiden, wodurch sie diese öffnen, während die zahlreichen annähernd kugelförmigen Zellen zwischen den Schnitten nicht gleichzeitig durchgeschnitten und geöffnet werden.
Wenn das Kunststoffinaterial auf eine Temperatur abgekühlt worden ist, bei der es in diese dünnen Scheiben geschnitten werden kann, aber noch nicht die volle Festigkeit erreicht hat und das aufschäumende Detergens einen ausreichenden Überdruck in den geschlossenen Zellen bewirkt hat, neigen diese zum Bersten und zu einer Öffnung in Richtung auf die Oberfläche oder beispielsweise auf die bereits geöffneten longitudinalen Zellen.
Auf diese Weise wird eine Gesamtoberfläche gewonnen, die sehr viel größer ist als die Oberfläche des üblichen Trägermediums. Diese Fläche besteht weiter aus Poren, die senkrecht in eine freie Fläche münden, wo der Biofilm daher den größtmöglichen Schutzeffekt gewinnen kann.
Die Erfindung wird vollständiger im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
1 eine Ansicht, gesehen von der Seite, einer Anordnung, bei der ein Extruder einen aufgeschäumten Plastikstrang erzeugt, der in dünne Scheiben geschnitten wird, die das Trägermedium nach der Erfindung bilden.
2 ist eine entsprechende Ansicht entlang der Linie II-II in 1.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer geschnittenen Scheibe nach der Erfindung in größerem Maßstab.
4 sind Querschnitte entlang durch eine Anzahl der von 2 gezeigten Scheiben, die frei in einem passierenden, zu reinigendem Abwasser schwimmen.
In 1 ist ein Extruder gezeigt, mit einer Schnecke 2, einer Düse 3 und einem Trichter 4 zum Füllen mit einem Kunststoffmaterial, das mit einem geeigneten Schaum bildenden Detergens vermischt ist.
Wenn der Extruder arbeitet, wird das Gemisch durch ein nicht gezeigtes Heizgerät erwärmt und aus der Düse 3 des Extruders in Form eines Strangs 5 extrudiert. Dieser Strang wird außerhalb des Extruders beispielsweise durch eine Röhre 6 gestützt und an dem Ende dieser Röhre in dünne Scheiben mittels – in diesem Fall – vier rotierender Messer 8 geschnitten, die von einem Motor 9 angetrieben werden. Um einen sauberen Schnitt zu erreichen, werden die Messer von einer Düse beispielsweise mit Alkohol besprüht, der die Messer kühlt und als ein Schmiermittel in dem Schnitt wirkt. Statt dieser Anordnung können die Messer durch einen darunter liegenden Behälter geführt werden, der ein kühlendes Schmiermittel beinhaltet.
Das Kunststoffmaterial wird, wie erwähnt, in dem Extruder derart erwärmt, dass es in einen plastischen Zustand gebracht wird, dass es in dem Extruder bearbeitet werden kann und in einer Düse zu einem Strang geformt werden kann.
Gleichzeitig schäumt das Schaum bildende Detergens das Kunststoffmaterial auf, wodurch in diesem eine sehr große Anzahl von kleinen, geschlossenen, ursprünglich etwa kugelförmigen Zellen gebildet werden, die mit einem Gas gefüllt sind, das einen höheren Druck als der Druck in der Umgebung hat, d. h. mehr als etwa ein Bar.
Einige dieser Zellen werden während der Verarbeitung in dem Extruder zusammengequetscht und verlassen die Düse in Form eines länglichen elliptischen Röhrchens, während andere Zellen in größerem oder geringerem Ausmaß ihre ursprüngliche kugelförmige Form beibehalten.
Auf dem Weg von der Düse zu den Messern wird der Strang in dem Rohr 6 auf eine Temperatur gekühlt, bei der der Strang ausreichend hart ist, um das Schneiden in dünne Scheiben zu ermöglichen.
Die Temperatur ist jedoch nicht zu tief, so dass der Strang noch einen teilweise plastischen Zustand hat und so dass diejenigen Zellen, die nicht durch die Messer geschnitten worden sind, wie es der Fall für die meisten der länglichen Zellen ist, daher durch den Überdruck in den Zellen bersten, wodurch sie sich gegenüber der Umgebungsluft oder zu einer oder mehreren der geschnittenen Zellen öffnen.
3 zeigt eine einzelne geschnittene Scheibe und zeigt, wie die Poren 11 einander gegenüberliegend nahe beieinander über die ganze Oberfläche der Scheibe verteilt sind.
Die Dicke der Scheiben kann vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 2 mm sein, wodurch der Biofilm in den Vertiefungen der Flocken vorteilhafter Weise einen sehr kleinen Abstand zu dem zu reinigenden Abwasser und zu der Luft, die diesen Vorgang unterstützt, haben.
Vorzugsweise können die Flocken rund mit einem Durchmesser von 2 bis 50 mm sein.
4 zeigt, wie das Wasser hinter einer Anzahl der Scheiben strömt, die aufgrund ihrer dünnen, flachen Form geneigt werden, um sich selbst Seite an Seite in dem Wasser anzuordnen, wodurch eine große Anzahl von engen Passagen gebildet wird, die das Wasser zwingen, einen sehr langen Störungsweg einzunehmen. Das Wasser und die Unreinheiten in diesem gewinnen dadurch einen verlängerten und engen Kontakt mit einer großen Anzahl von Mikroorganismen, wodurch ein Reinigungsmodul mit einem gegebenen Volumen eine sehr viel größere Reinigungskapazität hat als bisher bekannt.

Zur genaueren Erläuterung des Effekts des Trägermediums im Verhältnis zu Kantenträgermedien wurden Tests ausgeführt auf der Basis der folgenden Spezifikation.

Rohmaterial:	Polyethylen (PE
Typ/Form	kreisförmig, poröse Scheibe
Durchmesser:	etwa 20 mm
Höhe:	etwa 1 mm
Anzahl der Stücke/m³	etwa 830.000
Gewicht	etwa 280 kg/m³
spezifische Dichte	etwa 0,65 g/cm³
Oberfläche	etwa 120.000–150.000 m²/m³

In zwei Reihen von Experimenten wurde das Trägermedium entsprechend dieser Erfindung teilweise getestet im Vergleich mit einem anderen Trägermedium und teilweise im Vergleich mit einem Reaktor ohne Trägermedium.
Die Experimente wurden ausgeführt in 3 l Glasreaktoren, die von unten mit Druckluft über eine perforierte Platte belüftet wurden. Die Reaktoren wurden kontinuierlich von einem Vorratsbehälter gefüllt, in dem das behandelte Wasser rezirkuliert wurde. Das Ab wasser wurde aus einer kommunalen Abwasseranlage gezapft, jeder der Experimentalreaktoren wurde mit 100 ml Mikroorganismen enthaltenden Schlamm geimpft.
Die Analyse wurde kontinuierlich ausgeführt bezüglich:
Sauerstoffbedarf
Ammonium
Nitrat und Nitrit
pH-Wert
Versuch 1

In diesem Experiment wurde getestet, welchen Einfluss das Trägermedium nach der Erfindung bezüglich des Reinigungseffekts des kommunalen Abwassers hatte, verglichen teilweise mit einem anderen Trägermedium bestehend aus teilweise gebranntem porösem Ton und teilweise ohne jedes Trägermedium.

Reaktor 1.1:	teilweise gebrannter poröser Ton Volumen: etwa 1 Liter
Reaktor 1.2:	Trägermedium aus Kunststoff entsprechend der Erfindung Volumen: etwa 1 Liter
Reaktor 1.3:	ohne Trägermedium Volumen: etwa 1 Liter

Die Ausgangskonzentration des Sauerstoffbedarfs des Abwassers betrug zwischen 1.000 und 1.260 mg O₂/l, die Ausgangskonzentration des Ammoniumgehalts betrug etwa 52 mg/l. Nach 4 Tagen des Experiments wurde der Sauerstoff in allen drei Reaktoren erheblich reduziert. Keine signifikante Änderung des Sauerstoffbedarfs wurde bemerkt zwischen den Reaktoren 1.1 und 1.2, der Reaktor 1.1 hatte einen reduzierten Sauerstoffbedarf mit 77% und der Reaktor 1.2 mit 68%.
Versuch 2
Die Reihe der Versuche diente zur Beantwortung der folgenden Fragen:

a) Verursacht die größere Oberfläche des Trägermediums nach der Erfindung den erwarteten größeren Reinigungseffekt im Verhältnis zu anderen Trägermedien mit geringerer Oberfläche? Für diesen Zweck wurden 330 ml aus Kunststoff gefertigte Trägermedien nach der Erfindung verwendet bzw. 1.000 ml besonders gebrannter poröser Ton.
b) Hat die besondere Form und die Wahl des Materials des Trägermediums nach der Erfindung einen positiven Effekt auf die Möglichkeit von Druckluft, Turbulenz in dem Rektor zu erzeugen?

Reaktor 2.1: besonders gebrannter poröser Ton Volumen: etwa 1 Liter

Reaktor 2.2 Trägermedium aus Kunststoff nach der Erfindung Volumen: etwa 330 ml

Die anfängliche Konzentration des Abwassers:

Bedarf an Sauerstoff 700,00 mgO₂/l

Ammonium 30,00 mg/l

Nitrat 24,00 mg/l

Nitrit 0,86 mg/l

ph-Wert 7,6
Nach 4 Tagen war der Sauerstoffbedarf in allen drei Reaktoren erheblich reduziert, wie es sich aus den folgenden Prozentangaben ergibt:

besonders gebrannter poröser Ton (Reaktor 2.1) 75%

PE – Medium (Reaktor 2.2) 74%
Dieses Ergebnis beweist, dass kein erheblicher Unterschied zwischen den Reaktoren bezüglich der Reduzierung des Sauerstoffbedarfs besteht.
Es ist jedoch wert zu erwähnen, dass eine Reaktion des aus Kunststoff gefertigten Trägermediums auf 1/3 des Volumens des anderen Trägermediums keinen erheblichen Einfluss auf den Reinigungseffekt hat, so dass der Bedarfs des Sauerstoffs infolgedessen gleich ist mit dem, der erhalten wird bei dem anderen Trägermedium aber mit einem erheblich geringeren Verbrauch an Volumen des Trägermediums nach der Erfindung.
Bezüglich der Nitrifikation hatte der Reaktor, der mit dem Kunststoffmaterial nach der Erfindung gefüllt worden war, nach den ersten 6 Tagen eine signifikante bessere Effizienz, wie sich aus den folgenden Ergebnissen ergibt.

besonders gebrannter poröser Ton (Reaktor 2.1): keine Reaktion

aus Kunststoff gefertigtes Trägermedium nach der Erfindung (Reaktor 2.2): 99,5%
Auch bei diesem Experiment hat sich gezeigt, dass die größere spezifische Oberfläche des Trägermediums aus Kunststoff eine geringere Bedeutung bezüglich der Reduktion des Sauerstoffbedarfs hat, während die Dekompositon von Ammonium zu Nitrit und Nitrat einen sehr großen Effekt hat.

Claims

Ein Trägermedium zum Aufnehmen eines Biofilms in einer Flüssigkeit, beispielsweise einem Abwasser, bestehend aus einer Vielzahl von scheiben- oder ringförmigen Kunststoffflocken mit dicht aneinander liegenden Poren, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Poren zuvor geschlossene Zellen sind, die durch die durch den Überdruck eines Gases in den Zellen aufgebrochen sind, und dass die Scheiben oder Ringe ein Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen zwischen 120.000 und 150.000 m²/m³ haben.
Ein Trägermedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flocken ein Dicke zwischen 0,1 und 0,2 mm haben.
Ein Trägermedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flocken rund sind und einen Durchmesser zwischen 2 und 50 mm haben.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Trägermediums nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den folgenden Schritten: – Vermischen eines Kunststoffmaterials, etwa einem Kunststoffgranulat oder einem Kunststoffpuder mit einem schaumbildenden Detergens, – Führen des Gemisches des Kunststoffmaterials und des schaumbildenden Detergens zu einem Extruder, – Erwärmen des Kunststoffmaterials, um das Kunststoffinaterial in einen plastischen Zustand zu bringen, und um das Aufschäumen des Kunststoffmaterials durch das schaumbildende Detergens zu bewirken, wodurch eine große Anzahl geschlossener, im wesentlichen kugelförmiger Zellen mit einem Druck, der höher als der Umgebungsdruck ist, gebildet werden, – Extrudieren des Kunststoffmaterials durch eine Düse des Extruders zur Bildung eines extrudierten Strangs, in dem einige der im wesentlichen kugelförmigen Zellen in eine längliche Form gequetscht werden, während andere Zellen kugelförmig bleiben, – Kühlen des extrudierten Strangs, – Schneiden des abgekühlten Strangs mittels Messern in so dünne Scheiben oder Ringe, dass wenigstens ein großer Teil der Zellen hinter dem Schnitt durch den Überdruck des Gases aufbersten, und – dass die Scheiben oder Ringe ein Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen zwischen 120.000 und 150.000 m²/m³ haben.
Ein Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messer gekühlt werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Zellen in Richtung auf die Umgebungsluft durch das Schneiden mittels der Messer geöffnet werden und andere Zellen gegenüber der Umgebungsluft oder gegenüber eine oder mehrere der geschnittenen Zellen durch Zerbersten aufgrund des Überdrucks in den Zellen geöffnet werden.