DE69602010T2 - Verfahren zur aeroben abwasserreinigung - Google Patents
Verfahren zur aeroben abwasserreinigungInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die aerobe Abwasserbehandlung in einem belüfteten Reaktor, in den das zu behandelnde Abwasser am Boden eingeführt wird.
- Die biologische Abwasserbehandlung kann im wesentlichen auf zwei Arten durchgeführt werden, zum einen aerob unter Verwendung von Mikroorganismen, die Sauerstoff verwenden, und anaerob durch Wachstum von Mikroorganismen in Abwesenheit von Sauerstoff. Beide Verfahren haben ihren Platz in der Abwasserbehandlungstechnik gefunden. Das erste Verfahren wird hauptsächlich verwendet, wenn ein geringer Kontaminationsgrad vorliegt, bei einer geringen Wassertemperatur und als Klärfiltrationsbehandlung. Das zweite Verfahren bietet insbesondere als eine Vorbehandlung für schwerere organische Kontaminierungen und bei einer höheren Wassertemperatur Vorteile. Beide Verfahren sind ausreichend bekannt.
- Heutzutage werden anaerobe Reaktoren häufig in Serie mit aeroben Reaktoren angeordnet, wie z. B.:
- 1. kompakte anaerobe Vorbehandlung mit anschliessender aerober Nachbehandlung ("Schönung") zur umfassenden Entfernung des BSB/CSB;
- 2. Nitrifikation mit anschliessende Denitrifikation zum umfassenden Entfernen von Stickstoff;
- 3. Sulfatreduktion mit anschliessender Oxidation von Sulfid zu elementarem Schwefel zur Entfernung von Schwefel.
- In einem erhöhten Mass wird auch von dem Bestehen von aeroben und anaeroben Reaktionen, die gleichzeitig in dem gleichen Reaktor stattfinden, berichtet. Beispiele für diese sind Nitrifikation/Denitrifikationsreaktionen und Denitrifikation unter dem Einfluss der Sulfidoxidation.
- Anaerobe Verfahren können auch der Grund für die geringen Schlammwachstumszahlen in stark beladenen aeroben Systemen sein. Die Verwendung eines relativ geringen Sauerstoffdrucks in einem agglomerierte (ausgeflockte) Biomasse enthaltenden Reaktor kann zu einer schnellen Umwandlung von sauerstoffbindenden Substanzen durch aerobe Bakterien führen, die in der äusseren Schicht der Flocken vorliegen. Diese Bakterien lagern vorzugsweise die Nahrung als Reserven in Form von Polysacchariden ausserhalb ihrer Zellen an.
- Anschliessend bekommen die Bakterien keine Möglichkeit, diese Reserven wegen des Sauerstoffmangels zu verwenden, und diese Reserven beginnen daher, als Substrat für den anaeroben Mineralisationsprozess im Inneren der Flocke zu dienen, wohin kein Sauerstoff durchdringen kann. Als ein Ergebnis wird ein gleichzeitiger Aufbau und Abbau der Polysaccharide erzeugt, wobei die Polysaccharide auch als ein Haftmittel für die kohäsive Bakterienkultur dient. Protozoen können auch eine wichtige Rolle als bakterienkonsumierende Räuber mit einer geringen Nettoschlammausbeute spielen.
- In diesem Zusammenhang wird der Ausdruck mikro-aerophil verwendet, um anzuzeigen, dass weniger Sauerstoff in das System eingebracht wird, als für eine komplette aerobe Reaktion notwendig wäre. Dies führt dazu, dass eine Bakterienpopulation sich entwickelt, die sich unter einem sehr geringen Sauerstoffdruck vermehren kann. Ein Nachteil dieser Bedingungen können die Herstellung faul riechender Substanzen, wie z. B. H&sub2;S, NH&sub3; oder flüchtigen organischen Säuren sein. Diese können durch Luftblasen abgelöst werden und an die Aussenluft kommen. Es kann daher wichtig sein, diese Luft zur Behandlung aufzusammeln, falls notwendig.
- Andererseits ist es wichtig, dass ausreichend Impfmaterial in dem Reaktor verbleibt und dass die gebildeten Flocken nicht vor dem Stattfinden des anaeroben Mineralisationsprozesses ausgespült werden.
- Jüngere Forschung hat ergeben, dass anaerobe Bakterien eine hohe Sauerstofftoleranz haben (M. T. Kato, Biotech. Bioeng. 42: 1360-1366 (1993)). Die Zugabe von Sauerstoff kann manchmal auch für ein anaerobes Verfahren vorteilhaft sein, beispielsweise zum Vermeiden der Sulfatreduktion in den Fermentationsbehältern, wie in EP-A-143 149 beschrieben. In diesem späteren Verfahren wird ein organischer Feststoffabfall, der in einer Aufschlämmung vorliegt, unter Entwicklung eines Gases, welches Methan als Hauptkomponente und zudem einen kleinen Teil von bis zu 3%, insbesondere 0,1 bis 1,5 Vol.%, Sauerstoff enthält, umgewandelt.
- Die Retention der Biomasse in einem Reaktor zur Abwasserbehandlung ist von grundlegender Wichtigkeit für die Kapazität dieses Reaktors. Bei herkömmlicher aerober Behandlung wird dies normalerweise durch kontinuierliches Rückführen der Aufschlämmung (= Biomasse), die ausserhalb des Reaktors durch Ablagern aufgetrennt wird, zu dem Belüftungstank, in dem die biologischen Reaktionen stattfinden, erreicht. Dieses Verfahren, bei dem die Schlammkonzentration in dem Belüftungstank 3 bis 6 g/l beträgt, wird als aktiviertes Schlamm-Verfahren bezeichnet. Das gleiche Prinzip wird auch bei den früheren anaeroben Behandlungssystemen angewendet, obwohl der Schlamm dann normalerweise mit Hilfe eines Lamellentrennmittels aufgetrennt wird, bevor er- zu der anaeroben Reaktorkammer zurückgeführt wird. Dieses Verfahren ist als Kontaktverfahren bekannt.
- Eine Verbesserung in dem anaeroben Kontaktverfahren betrifft die Verwendung von Systemen, mit denen die Schlammretention auf eine andere Weise erreicht wird, beispielsweise durch Integrieren der Absetzkammer mit der Reaktionskammer oder durch Gegenwirken des Ausspülens der Biomasse durch Immobilisierung auf einem Trägermaterial. Es ist für die Akkumulation wichtig, dass die Verweilzeit des Schlammes beträchtlich länger als die Teilungszeit der verschiedenen Mikroorganismen ist. Dies ist insbesondere wichtig bei dem anaeroben Verfahren, da die Wachstumsgeschwindigkeit sehr gering ist. Die Entwicklung des aufwärts fliessenden anaeroben Schlammdeckenreaktors bzw. des "Upflow Anaerobic Sludge Blanket"-Reaktors, weltweit als UASB-Reaktor bekannt, in den 70er Jahren war ein wichtiger Schritt hin zur anaeroben Behandlung. Die Mehrheit der anaeroben Behandlungen wird nun mit diesem Reaktortyp durchgeführt.
- Die Eigenschaft des UASB-Reaktors ist, dass das zu behandelnde Abwasser in den Boden des Tanks eingebracht und hierüber verteilt wird, von wo es langsam aufwärts durch eine Schicht Biomasse fliesst. Während des Kontakts mit der Biomasse wird eine Gasmischung hergestellt, die hauptsächlich aus CH&sub4;, CO&sub2; und H&sub2;S besteht; diese Mischung ist als Biogas bekannt. Dieses Biogas sprudelt aufwärts und stellt so in einem gewissen Mass eine Mischung bereit. Als ein Ergebnis einer klugen Positionierung von Gasaufsammelabzügen unter der Wasseroberfläche erreichen die Gasblasen nicht die Wasseroberfläche, wodurch eine ruhige Zone oben bereitgestellt wird und jedwede aufgeschlämmte Schlammpartikel sich in die Schicht der Biomasse (die "Schlammdecke") ("sludge blanket") absetzen können. Die Schlammkonzentration in einem UASB-Reaktor liegt allgemein zwischen 40 und 120 g/l, normalerweise bei 80 bis 90 g/l. Der UASB-Reaktor ist in vielen Patenten, u. a. in EP-A-193 999 und EP-A-244 029 beschrieben. Ein Grund, weshalb der UASB- Reaktor das beliebteste anaerobe System geworden ist, liegt in der Tatsache, dass bei richtiger Verfahrenskontrolle die Biomasse in Form sphärischer Partikel von einer Grösse weniger Millimeter wachsen kann, die sich sehr gut absetzen.
- In der Zwischenzeit sind Erweiterungen und Varianten auf Grundlage des Prinzips des UASB vorgeschlagen worden, die grössere Flussgeschwindigkeiten, beispielsweise als Ergebnis des Rückführens des Abwassers, durch Verwendung des Biogases als integrierte Pumpe oder einfach durch Aufbau engerer, hoher Säulen, aufweisen. Das Grundprinzip bleibt jedoch das gleiche wie beim UASB.
- Die Erfindung betrifft die Verwendung einer aeroben Abwasserbehandlung in einem oben beschriebenen UASB-Reaktor. Das erfindungsgemässe Verfahren ist daher dadurch gekennzeichnet, dass ein UASB-Reaktor verwendet wird, in dessen Boden auch Sauerstoff eingeführt wird, insbesondere in einer Menge, dass das Wachstum einer beliebigen und einer aeroben Biomasse gefördert wird. Dies impliziert, dass ein UASB-Reaktor mit einer Belüftungsinstallation, vorzugsweise mit feinen Blasen, ausgestattet ist. Ein Reaktor von diesem Typ kann als unabhängige Einheit oder in Kombination mit einer anaeroben Vorbehandlung verwendet werden. In spezifischen Fällen kann der Reaktor auch alternierend anaerob und aerob betrieben werden, beispielsweise bei jahreszeitlichem Betreiben mit stark fluktuierenden Mengen von Abwasser. Das Verfahren kann im Prinzip für viele Zwecke verwendet werden, beispielsweise für CSD/BSD-Entfernung, Nitrifikation, Denitrifikation und Sulfidoxidation.
- Als ein Ergebnis des Aufströmprinzips und des integrierten Absetzens ist es möglich, Biomasse in einer grossen Menge zu akkumulieren, die grösser ist als in dem aktivierten Schlamm-Verfahren und weniger als in einem anaerob betriebenen UASB-Reaktor. Die Konzentration der Biomasse an dem Boden des Reaktors beträgt vorzugsweise 0,5 bis 75 g/l, insbesondere 5 bis 50 oder 10 bis 50 g/l. Wenn das Verfahren als eine aerobe Behandlung im Anschluss an eine anaerobe Behandlung verwendet wird, kann die Biomassenkonzentration geringer sein, z. B. 0,5 bis 10 g/l.
- Diese gute Schlammretention hängt sowohl von der Belüftungsintensität als auch von der hydraulischen Beladung auf dem Reaktor ab. Ein geringer Grad an Belüftung ist mit einer hohen hydraulischen Beladung geeignet, und umgekehrt. Beispielsweise für den speziellen Fall einer Wasserbeladung von 4,0 m³/m²h beträgt der Belüftungsgrad vorzugsweise unter 0,9 m³/m²·h, während bei einer wasserbeladung von 1,2 m³/m²·h oder weniger der Belüftungsgrad für die Schlammretention praktisch unbegrenzt ist. Umgekehrt beträgt bei einem Belüftungsgrad von 4,0 m³/m²·h die Wasserbeladung vorzugsweise weniger als 1,3 m³/m²·h, während bei einem Belüftungsgrad von 0,8 m³/m²·h oder weniger die Wasserbeladung für die Schlammretention praktisch unbeschränkt ist. Die Beziehungen sind in der in Fig. 1 gezeigten Grafik aufgezeigt. In Abhängigkeit von den Reaktordimensionen und dem verwendeten Schlamm können die entsprechenden Figuren sich von den hier erwähnten unterscheiden, aber der Trend bleibt der gleiche.
- Somit kann das Verfahren für verdünntes und für konzentriertes Abwasser verwendet werden. Da eine hohe Dichte an Biomasse an dem Boden des Reaktors verwendet wird, kann der Sauerstoff nicht überallhin durchdringen, wodurch die anaerobe Schlammineralisation stattfinden kann. Als Ergebnis kann die verbrauchte Luft, die entweicht, Spuren von Methan enthalten, jedoch nicht mehr als 10 Vol.%. Weiterhin kann als ein Ergebnis der relativ kurzen Verweilzeit der Luft oder der Sauerstoffblasen nicht der gesamte Sauerstoff sich in Wasser lösen, und die Luft, die entweicht, wird mindestens 2 Vol.%, insbesondere mehr als 3 Vol.% und bis zu beispielsweise 15 Vol.% Restsauerstoff enthalten. Der Rest des Restgases besteht hauptsächlich aus Kohlenstoffdioxid und Stickstoff und möglicherweise Methan.
- Die erfindungsgemässe Vorrichtung für die aerobe Abwasserbehandlung besteht aus einem UASB-Reaktor mit einem angeschlossenen verteilten Wasserbeschicker an dem Boden des Reaktors und einem Mittel zum integrierten Absetzen der Biomasse und einem Gasaufsammler (sogenannte Dreiphasentrennung) am Boden des Reaktors. Eine integrierte Trennung dieser Art beinhaltet im allgemeinen eine Gasaufsammlung, die unter der Flüssigkeitsoberfläche mittels Gasabzügen stattfindet, die, wenn von oben betrachtet, sich über den gesamten Querschnitt des Reaktors erstrecken. In der erfindungsgemässen Vorrichtung liegen im Gegensatz zu einem herkömmlichen UASB-Reaktor Belüftungsmittel am Boden des Reaktors vor, entweder unter oder über den Einfuhrwasserverteilern oder auf dem gleichen Niveau. Die Höhe des Reaktors kann zwischen 4 und 14 m, vorzugsweise 4, 5 bis 10 m, variieren. In diesem Zusammenhang bedeutet "am oberen Ende des Reaktors" den oberen Teil des Reaktors, mit anderen Worten zwischen dem höchsten Flüssigkeitsniveau (volle effektive Höhe) des Reaktors und 0,75 mal die effektive Höhe. Ähnlich bedeutet "am Boden des Reaktors" in dem niedrigeren Teil des Reaktors, mit anderen Worten zwischen dem niedrigsten Flüssigkeitsniveau und 0,25 mal der effektiven Höhe.
- Im Falle einer kombinierten anaeroben und aeroben Behandlung wird der aerobe Reaktor normalerweise gemeinsam mit dem anaeroben Reaktor aufgebaut, wobei der anaerobe und der aerobe Reaktor getrennte Reaktoren sind. In die sem Fall kann die von dem anaeroben Reaktor belüftete Luft als Belüftung für den aeroben Reaktor dienen.
- Der anaerobe und der aerobe Reaktor können auch in einem Reaktorbehälter vertikal integriert werden. In einem solchen vertikal integrierten Reaktorbehälter liegen die Belüftungsmittel über der Gasaufsammlung des anaeroben Abschnitts vor. Eine Vorrichtung von diesem Typ für eine integriette anaerobe und aerobe Abwasserbehandlung besteht aus einem UASB-Reaktor, in dem Verteiler zum Bereitstellen von Flüssigkeit am Boden des Reaktors vorliegen, Gasaufsammelbehälter in dem Mittelabschnitt positioniert sind und Belüftungsmittel über diesen positioniert sind, und Mittel für ein integriertes Absetzen der Biomasse und Gasaufsammlung am oberen Ende des Reaktors vorliegen. Die Gasabzüge für den anaeroben Abschnitt und die Belüftungsmittel befinden sich nicht notwendigerweise bei genau mittlerer Höhe des Reaktors. Denn "in dem mittleren Bereich" bedeutet zwischen 0,25 und 0,75 mal die effektive Höhe des Reaktors. In Abhängigkeit von der Art des zu behandelnden Abwassers kann der Ort dieser Komponenten niedriger oder höher sein. In diesem Fall kann die Gesamthöhe des Reaktors zwischen vorzugsweise 6 und 25 m variieren.
- In einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung können die Belüftungsmittel vertikal über einen Teil der Reaktorhöhe bewegbar sein. Dies kann z. B. mittels eines Rahmens, an dem Belüfter am oberen Ende und wahlweise Gasabzüge am unteren Ende angebracht sind, durchgeführt werden, wobei der Rahmen mechanisch in bezug auf die Reaktorhöhe höher oder niedriger eingestellt werden kann. Diese Ausführungsform ermöglicht eine einfache Anpassung der Reaktorkonfiguration an das spezielle Abwasser und die erwünschten Reinigungsergebnisse.
- In dem Fall des Verfahrens mit integrierter anaerober/aerober Behandlung kann die Wasserbeschickungsrate so eingestellt werden, dass die Schlammbalance optimal ist, d. h. so, dass der anaerobe Schlamm in der Bodenhälfte des Reaktors verbleibt und der aerobe Schlamm in der oberen Hälfte verbleibt. Falls eine umfangreiche Schlammproduktion in dem aeroben Abschnitt stattfindet, kann der überschüssige Schlamm sich in die anaerobe Phase durch Erniedrigen der Wasserbeschickungsrate absetzen, so dass die Menge der aeroben Biomasse wieder konstant wird. Der überschüssige aerobe Schlamm kann auch im Laufe der Zeit schwerer werden und sich selbst in die anaerobe Phase absetzen.
- Eine Variante der oben beschriebenen Vorrichtung für die vertikal integrierte anaerobe und aerobe Abwasserbehandlung umfasst anstatt des Mit tels des integrierten Absetzens der Biomasse und Gasaufsammlung am oberen Ende des Reaktors ein Verpackungsmaterial zum Tragen der aeroben Bakterien im oberen Abschnitt des Reaktors. Das Packungsmaterial kann Filter und andere Mittel zum Immobilisieren von aeroben Bakterien umfassen. In dieser Ausführungsform kann das aus der aeroben Phase freigesetzte Gas über dem Reaktor aufgesammelt werden, oder es kann einfach in die Atmosphäre abgelassen werden. Eine effektive Dreiphasentrennung über dem niedrigen anaeroben Abschnitt ist hier wichtig, um zu verhindern, dass anaerobes Gas den aeroben Prozess stört. Wiederum können die Belüftungsmittel und vorzugsweise auch die anaeroben Gassammler vertikal bewegbar sein.
- Fig. 1 zeigt eine Messung der Beziehung zwischen der hydraulischen Beladung (VWasser) und der Belüftungsrate (VGas). Vwasser und VGas werden in m/h = m³/m²·h gezeigt. Der schraffierte Bereich ist die Region, in der der Schlamm ausgespült wird.
- Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur getrennten aeroben Behandlung. Reaktor (1) ist ein UASB-Reaktor. Abwasser, welches wahlweise einer anaeroben Vorbehandlung unterworfen worden ist, wird über den Einlass (2) und Verteiler (3) in den Boden des Reaktors in einer solchen Art und Weise eingeführt, dass praktisch eine vertikale Pfropfenströmung erzeugt wird. Das behandelte Wasser wird über den Ausfluss (4) an dem oberen Ende des Reaktors und der Entladeleitung (5) entladen. Luft oder Sauerstoff wird über die Leitung (6), die mit einem Kompressor ausgestattet ist, zugeführt und in dem Wasser über die Verteiler (7) dispergiert. Die Gasabzüge (8) am oberen Ende des Reaktors sammeln das Restgas auf, wobei ausreichend Platz über den Abzügen zum Absetzen des aeroben Schlammes vorhanden ist. Die Gasabzüge sind mit Entladeleitungen (nicht gezeigt) für das Restgas ausgestattet.
- Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung für die integrierte anaerobe und aerobe Behandlung. In bezug auf die hier nicht diskutierten Komponenten ist der Reaktor (10) mit dem Reaktor in Fig. 2 vergleichbar. Die Gasabzüge (9) zum Entfernen des anaeroben Gases (hauptsächlich Methan) befinden sich im mittleren Teil des Reaktors (10). Die Luftverteiler (7) sind über diesen Abzügen positioniert.
- Ein Pilotreaktor von UASB-Typ, wie in Fig. 2 gezeigt, mit einer Kapazität von 12 m³, einer effektiven (Flüssigkeits)-Höhe von 4,5 m und einer Bodenfläche von 2,67 m² wurde als ein mikroaerophiler Reaktor ohne anaerobe Vorbehandlung verwendet. Unbehandeltes Papiermühlenabwasser mit einem CSD von etwa 1500 mg/l wurde in den Reaktor in einer Rate von 1,5 m³/h (Auf flussgeschwindigkeit Vauf 0,56 m/h) beschickt. Der Reaktor wurde mit 12 m³/h Luft beschickt (Vauf 4,5 m/h). Die Reaktortemperatur betrug etwa 30ºC, und der pH-Wert war neutral. Keine detektierbaren Geruchskomponenten lagen in der verbrauchten Luft vor.
- Nach einer Woche der Anpassung waren die Ergebnisse wie folgt:
- Weitere Optimierung führt zu einem Wirkungsgrad von einer Gesamt-CSD- Entfernung von 75% oder mehr.
- Der gleiche Reaktor wie in Beispiel 1 wurde als ein aerober Nachbehandlungsreaktor verwendet. Anaerob vorbehandeltes Papiermühlenabwasser mit einem CSD von etwa 600 mg/e wurde in den Reaktor mit einer Rate von 4,0 m³/h beschickt (Aufflussgeschwindigkeit Vauf 1,5 m/h). Der Reaktor wurde mit 3,5 m³/h Luft belüftet (Vauf 1,3 m/h). In der verbrauchten Luft lagen keine detektierbaren Geruchskomponenten vor.
- Die CSD-Werte vor und nach der Filtration der Probe waren wie folgt.
- Diese Werte zeigen, dass der Reaktor einen beträchtlichen Teil des restlichen CSD nach der anaeroben Behandlung umwandelt.
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