DE69613458T2 - Anlage zur biologischen behandlung von wasser, um es trinkbar zu machen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Wasserfilterungs- und -reinigungsanlagen.
• Die Erfindung betrifft genauer die Gewinnung von Trinkwasser, insbesondere aus Untergrundwasser aus tiefen oder karstigen Schichten oder aus Oberflächenwasser.
• Klassischerweise umfassen Trinkwasseranlagen üblicherweise eine Reihe von Einheiten für die physikalisch-chemische Behandlung vom Typ Ausflockung/Dekantierung/Filterung, vervollständigt durch eine Oxidierungseinheit.
• Das Ausflocken ist eine physikalisch-chemische Stufe, deren Zweck die Zustandsänderung der im Wasser enthaltenen Kolloidteilchen durch Hinzufügen eines Gerinnungsmittels ist (Aluminiumpolychlorid, Aluminiumoxidsulfat, Eisen(III)- chlorid usw.); um ihre Entfernung durch Dekantieren zu ermöglichen.
• Mikroorganismen, Mikroverunreinigungen sowie Verbindungen (Eisen(11), Mangan usw.), die sich nicht durch Ausflocken entfernen lassen, werden im allgemeinen durch den Einsatz starker Oxidationsmittel wie Ozon, Chlor oder Chlordioxid oxidiert.
• Das Entfernen von Mikroverunreinigungen kann ebenfalls durch Adsorption über Aktivkohle oder durch Stripping (erzwungene Belüftung) erfolgen, wenn diese flüchtig sind.
• Der Filterungsschritt zum Entfernen von Suspensionsteilchen erfolgt klassischerweise über ein oder mehrere nicht reaktive pulverige Materialbetten, wie Sandfilter.
• So kann eine klassische Trinkwasseranlage aus einer Ausflockungseinheit, gefolgt von einer Dekantierungseinheit, von einer Filterungseinheit (beispielsweise über Sand), einer Ozon-Zufuhreinheit, einer Filtereinheit über körnige oder pulverförmige Aktivkohle und zuletzt eines Desinfektionsschrittes aufgebaut sein.
• Diese klassische Trinkwasseranlagen nach dem Stand von Wissenschaft und Technik weisen mehrere Nachteile auf.
• Zuerst, da sie aus einer Mehrzahl von Einheiten bestehen, die jeweils eine spezifische Behandlung sicherstellen sollen, weisen sie einen großen Platzbedarf auf, was sich als nachteilig für die Installation erweisen kann. Dieses Problem wird besonders beim Ausbau von Trinkwasseranlagen im städtischen Bereich deutlich, d. h., an Orten, an denen Grundstücke knapp und somit meistens teuer sind.
• Ferner benötigen derartige Anlagen die Ausführung vieler Anschlüsse zwischen den verschiedenen Behandlungseinheiten, die des öfteren lange Installationszeiten benötigen, kostspielig sind und jeweils Schwachpunkte der Installation darstellen.
• Alternativ zu den klassischen Methoden der Trinkwassergewinnung wurde insbesondere vor kurzem eine Filterungsmethode über Membranen vorgeschlagen, bei der eine Zirkulationsschleife für das zu behandelnde Wasser eingesetzt wird, welche mindestens eine tangentiale Filterungsmembran mit Ozoneinspritzung in die Zirkulationsschleife umfasst.
• Die bekannten Trinkwasseranlagen, bei denen Membranen eingesetzt werden haben den Nachteil, dass ihre Realisierung teuer ist, insbesondere weil sie nicht auf klassische existierenden Einheiten ohne umfangreiche Änderungen anzupassen sind.
• Andererseits wurden die klassischen biologischen Abwasserbehandlungsmethoden relativ selten auf dem Feld der Trinkwassergewinnung eingesetzt. Bei diesen Methoden werden nämlich Bakterien eingesetzt, die sich nur schwierig auf die Schritte einschränken lassen, bei denen sie nützlich sind und die somit das zur Trinkwassergewinnung zu behandelnde Wasser verunreinigen würden. Ferner müssen derartige Behandlungsmethoden bei Temperaturen erfolgen, bei denen die eingesetzten Mikroorganismen die im Wasser enthaltenen kohlenstoffhaltigen und/oder stickstoffhaltigen Verunreinigungen zersetzen können. Es ist jedoch, vor allem während der Wintermonate, erstrebenswert, über Verfahren zur Trinkwassergewinnung zu verfügen, die bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden können.
• Es wird insbesondere darauf hingewiesen, dass nach Kenntnis des Antragstellers, es noch nie in Betracht gezogen wurde, aktivierten Schlamm im Wasser zur Trinkwassergewinnung zur Vermehrung zu bringen. In der Tat würde der Einsatz eines solchen mit klassischen Klärmethoden aktivierten Schlamms einen Biomasseverlust durch Entweichen in das geklärte Wasser verursachen, der größer wäre, als die Produktion, mit der sich ein Schlamm ausreichenden Alters erzielen ließe.
• Zweck dieser Erfindung ist das Bereitstellen einer Trinkwasseranlage, die keinen einzigen dieser Nachteile der Anlagen nach dem Stand von Wissenschaft und Technik aufweist.
• Noch ein Zweck der Erfindung ist das Bereitstellen einer Trinkwasseranlage, bei der ein biologischer Verarbeitungsschritt eingesetzt wird.
• Ein weiterer Zweck der Erfindung ist das Bereitstellen einer derartigen Anlage, die kostengünstiger durch Anpassung existierender Trinkwasseranlagen, bei denen klassische Filter wie Sandfilter zum Einsatz kommen, zu realisieren wäre.
• Noch ein Zweck der Erfindung ist das Beschreiben einer Anlage, welche die interessanten Teile der biologischen Verarbeitung mit denen von Verarbeitungsmethoden kombinieren, bei denen Zusammensetzungen zum Einsatz kommen, welche das Adsorbieren der Mikroverunreinigungen oder der stickstoffhaltigen Verunreinigungen ermöglichen, wie pulverförmige Aktivkohle, Ton, Zeolithe usw.
• Es ist weiterhin Zweck der Erfindung, eine oder mehrere Filterungsmembranen in eine Trinkwasseranlage einzubinden, unter Einhaltung hoher Verarbeitungsströme.
• Noch ein Zweck der Erfindung ist ebenfalls das Bereitstellen einer Trinkwasseranlage, die eine große Einsatzflexibilität aufweist und bei Temperaturen eingesetzt werden kann, bei denen die biologische Aktivität sehr gering oder gleich null ist.
• Diese Ziele sowie andere, die im nachhinein ersichtlich werden, sind dank der Erfindung zu erzielen, die eine Anlage zur biologischen Trinkwasseraufbereitung betrifft, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mindestens einen biologischen Reaktor umfasst, der über Mittel zum Einleiten eines sauerstoffhaltigen Gases verfügt; ferner mindestens eine im Reaktor eingetauchte Trennmembran zum Mikro- oder Ultrafiltern sowie Mittei zum Zuführen eines pulverförmigen Suspensionsstoffes in das Innere des Reaktors, welches als Substrat für die Biomasse dient, wobei der Stoff ein reaktives Pulver sein kann, mit dem das für die Biomasse erforderliche Substrat auch noch fixiert werden kann.
• Somit bietet die Erfindung die Originalität, dass sie die Gewinnung von Trinkwasser mit Hilfe eines aktivierten Schlamms vorschlägt, obwohl es nach dem Stand von Wissenschaft und Technik für den Fachmann als höchst unratsam erscheinen würde, die Anwendung einer freien Biomasse im Rahmen eines derartigen Verfahrens in Erwägung zu ziehen. Nach der Erfindung wird die Anwendung von Aktivschlamm durch den Einsatz von mindestens einer Mikro- oder Ultrafiltrations- Membran ermöglicht, welche die Biomasse innerhalb des Reaktors zurückhält und somit ein Wandern dieser Biomasse aus dem Reaktor verhindert. Die Verwendung einer derartigen Membran ermöglicht demnach, dass der Schlamm ein ausreichendes Alter erreicht, um die Wasserreinigung zu gewährleisten.
• Ferner besteht eine weitere Originalität der Erfindung darin, das Hinzufügen von mindestens einem pulverförmigen Stoff in den Reaktor während der Trinkwassergewinnung vorzuschlagen. Dieser Stoff begünstigt die Bildung der Biomasse, in dem er dieser als Substrat dient. Nach der Erfindung kann der verwendete pulverförmige Stoff ein reaktives Pulver bilden, das unmittelbar zur Wasserreinigung dadurch beiträgt, dass es an seiner Oberfläche Substrate adsorbiert (organische Stoffe, NH&sub4;), die für die Biomasse erforderlich sind. So können diese reaktiven Pulver als Funktion der Zusammensetzung des zu Trinkwasser zu verarbeitenden Wassers gewählt werden, insbesondere als Funktion des Wassergehaltes an organischen Stoffen und NH&sub4;. So kann pulverförmige Aktivkohle (CAP) eingesetzt werden, um eine starke Adsorption von organischen Stoffen und eine leichte NH&sub4;-Adsortpion zu ermöglichen, während Zeolithe eher dann Verwendung finden, wenn eine stärkere NH&sub4;-Adsortpion und eine geringe Adsorption von organischen Stoffen gewünscht wird.
• Somit ermöglicht die Anlage nach der Erfindung innerhalb eines einzigen Reaktors eine vorteilhafte Kombinierung der Vorteile der biologischen Behandlung und der Membranfilterung. Die fixierte Biomasse ermöglicht das Zersetzen der biologisch abbaubaren kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen (CODB) sowie der stickstoffhaltigen Verunreinigungen, während die Membranen gleichzeitig eine Filterung des Wassers ermöglichen, bei gleichzeitiger Entfernung von Suspensionsteilchen, wobei das Abwandern der Biomasse effektiv verhindert wird. Ferner ermöglicht eine derartige Anlage das Anwenden von reaktiven Pulvern, die nach Bedarf und insbesondere als Funktion der Wasserzusammensetzung dem zu behandelnden Wasser zugegeben werden können.
• So können die Mittel zur Zugabe von pulverförmigen Stoffen in den Reaktor dazu verwendet werden, um dem im Reaktor befindlichen Wasser einen beliebigen nicht reaktiven pulverförmigen Stoff hinzuzufügen, welcher der verwendeten Biomasse als Substrat dient, beispielsweise Sand oder Anthrazit, sowie um dem Wasser eine Art oder mehrere verschiedenartige reaktive pulverförmige Stoffe hinzuzufügen. Es wird darauf hingewiesen, dass man im Rahmen dieser Beschreibung unter dem Begriff "reaktives Pulver" jede Art von Pulver versteht, das mit einer der im Wasser vorhandenen Substanzen reagieren kann, sei es durch Adsorption oder durch Ionenaustausch, um den Gehalt dieser Stoffe im Wasser zu verringern. Ferner müssen diese Pulver physikalische Eigenschaften an Härte, Scheuerwirkung und Dichte, die ihre Suspension in dem sich im Reaktor befindlichen Wasser ermöglichen, um ihre Kompatibilität mit den eingesetzten Membranen zu gewährleisten.
• Dank der Anlage nach der Erfindung können diese reaktiven Pulver vorteilhafterweise in das zu behandelnde Wasser als Funktion seiner Zusammensetzung eingeführt werden, insbesondere als Funktion der Belastung an Mikroverunreinigungen und insbesondere an Pestiziden (Atrazin, Simazin usw.), deren Eliminierung auf biologischem Wege sehr schwierig ist. Diese reaktiven Pulver können ebenfalls verwendet werden, um toxische Metalle wie Cadmium oder Blei aus dem Wasser zu entfernen.
• In einigen Fällen, und wie weiter unten detaillierter erläutert wird, können diese reaktiven Pulver ebenfalls zum Adsorbieren von kohlenstoff- oder stickstoffhaltigen Verunreinigungen eingesetzt werden, wenn die im Reaktor eingesetzte Biomasse nur eine geringe oder gar keine Aktivität aufweist, angesichts der allzu niedrigen Temperatur des zu behandelnden Wassers, welches durch den Reaktor fließt. So wird der Einsatz dieser reaktiven Pulver gegebenenfalls funktionell die Wirkung der Biomasse übernehmen, was der Anlage nach der Erfindung eine sehr hohe Flexibilität bei der Verwendung verleiht, weil ihre Verwendung unabhängig von der Temperatur des zu behandelnden Wassers ist.
• Das Vorhandensein von Membranen im Reaktor ermöglicht andererseits eine sehr effektive Filterung des zu behandelnden Wassers, wobei ebenfalls jeder Durchgang von Bakterien in eine dahinterliegende Stufe des Verfahrens zur Trinkwassergewinnung verhindert wird.
• Zuletzt erfüllen die Mittel zum Einleiten von sauerstoffhaltigen Gasen der Anlage hauptsächlich vier Zwecke. Allem voran ermöglichen sie das Einleiten des für die Atmung der im Reaktor befindlichen Biomasse erforderlichen Sauerstoffs. Zweitens sichern sie den Übergang der ebenfalls im Reaktor vorhandenen Pulver in den Fluidisationszustand. Drittens ermöglichen sie noch das innige Vermischen dieser Pulver mit dem Wasser und zuletzt das Bewegen der im Reaktor eingetauchten Membranen, um deren Verstopfung zu verhindern oder zumindest zu verzögern.
• Diese Eigenschaft ist von besonderem Interesse, weil sie die Wiederverwendung veralteter Trinkwasseranlagen innerhalb von neuen Anlagen ermöglicht, die bessere Ergebnisse liefern, ohne neue Infrastrukturbaumaßnahmen erforderlich zu machen. So lassen sich die Kosten bei der Einführung neuer Anlagen erheblich reduzieren.
• Bevorzugterweise wird das reaktive Pulver aus der Stoffgruppe gewählt, die aus pulverförmiger Aktivkohle, aus Zeolithen, aus Tonarten und aus Ionentauscherharzen gebildet wird. Pulverförmige Aktivkohle (CAP) kann bevorzugterweise als Adsorptionsmittel für Mikroverunreinigungen und insbesondere Pestizide eingesetzt werden. So kann CAP insbesondere in den Jahreszeiten zugegeben werden, in denen Wasser besonders mit derartigen Verunreinigungen belastet ist, wie im Frühling. Zeolithe, Tonarten und Ionentauscherharze können zum Einfangen stickstoffhaltiger Verunreinigungen im Falle des Versagens der Biomasse aufgrund eines Temperaturrückganges oder auch zum Einfangen von Metallen eingesetzt werden.
• Es wird darauf hingewiesen, dass nach dem Stand der Technik bereits eine Trinkwasseranlage nach einem nicht biologischen Verfahren bekannt ist, bei der gleichzeitig tangentiale Filterungsmembranen und eine Zugabe von pulverförmiger Aktivkohle zum Einsatz kommen. Eine derartige Anlage wird in der französischen Patentanmeldung Nr. 2629337 beschrieben. Im Rahmen dieser Anlage erfolgt jedoch die Zugabe von pulverförmigem Stoff auf der Höhe einer Rezyklierungsschleife, um das Pulver sofort nach Erschöpfung des Adsorptionsvermögens wieder zu gewinnen. Im Gegensatz zu einer derartigen Anlage benötigt die Anlage nach der Erfindung keine Rezyklierungsschleife, was ihre Verwirklichung erheblich vereinfacht. Ferner unterscheidet sich die Erfindung von der in dieser Unterlage beschriebenen Technik dadurch, dass die aktiven Pulver nicht lediglich wegen ihrer Adsorptionsfähigkeit eingesetzt werden, sonder auch um als Fixierungssubstrat für Bakterien zu dienen, was die Möglichkeit der Kombinierung der biologischen Behandlung und der Membranfilterung eröffnet.
• Eine weitere französische Patentanmeldung, Nr. 2696440, beschreibt ebenfalls eine nicht biologische Trinkwasseranlage, in der verschiedene Einheiten zur Dekantierung bei Vermischen mit einem pulverförmigen Reaktivstoff und zur tangentialen Membranfilterung eingesetzt werden. In dieser Anlage, die dem früheren Stand der Technik entspricht, wird der pulverförmige Reaktivstoff ebenfalls zur Dekantierungseinheit über eine Rezyklierungsschleife geleitet, wobei sie ständig erneuert wird, sobald das Adsorptionsvermögen erschöpft ist.
• Somit unterscheidet sich die Erfindung ebenfalls von den in diesen zwei Unterlagen beschriebenen Techniken durch die Eigenschaften, nach denen sie das direkte Hinzufügen mehrerer reaktiver Pulver in den Reaktor vorschlägt, in dem sich die Membranen befinden sowie dadurch, dass sie den Einsatz dieser Pulver auch als Biomassesubstrat vorschlägt.
• Nach einer arideren bevorzugten und besonders interessanten Anwendung der Erfindung, umfasst die Anlage zusätzlich mindestens eine Einheit zur vorherigen anaerobischen Denitrierung, die vor dem biologischen Reaktor angebracht ist. Die Verwendung eines Denitrierungsbeckens zusammen mit einem Nitrierungsbecken ist im Bereich der Abwasserbehandlung wohl bekannt. Diese Anwendung war jedoch bislang auf dem Gebiet der Trinkwassergewinnung nicht möglich, aufgrund der Gefahr des Mitschleppens von Bakterien in die nachfolgenden Verarbeitungsstufen. Eine derartige vorherige Denitrierung wird durch die Anlage der Erfindung in dem Maße möglich gemacht, in dem diese Gefahr durch das Vorhandensein von Filterungsmembranen mit Hohlfasern gebannt wird, bei denen die Porengröße so gewählt wird, das ein Durchgang von Mikroorganismen in die Filtrate verhindert wird.
• Andererseits wird darauf hingewiesen, dass im Rahmen von Abwasserbehandlungsanlagen, die Schlämme des Nitrierungsbeckens an den Anfang der Anlage zurückgeleitet werden, um im Denitrierungsbecken behandelt zu werden. Diese Rückleitung ist im Rahmen der Trinkwassergewinnung nicht erforderlich, da Nitrate im unbehandelten Wasser vorhanden sind, wobei nur wenige Nitrate im nachfolgenden Nitrierungsschritt gebildet werden.
• Bevorzugterweise verfügt die Anlage über Mittel zum Vorbehandeln, die vor dem biologischen Reaktor angebracht sind und welche Klärmittel umfassen. Diese Vorbehandlungsmittel können ebenfalls Ausflockungs-/Gerinnungseinheiten umfassen, die vrjr den Klärmitteln angebracht sind. Diese Vorbehandlungsmittel können ebenfalls auf der Grundlage der Vorbehandlungsmittel einer wieder in Betrieb genommen klassischen Anlage mit Sandfiltern realisiert werden.
• In ebenfalls bevorzugter Weise weist der biologische Reaktor am oberen und am unteren Teil jeweils Mittel zum Ablassen der Schlämme auf. Die so wiedergewonnenen Schlämme lassen sich zu den Schlammbehandlungsmitteln weiterleiten.
• Nach einer besonders interessanten Ausführung der Erfindung, kann die zur Verwirklichung der Anlage erforderliche bauliche Infrastruktur in der Neuverwertung einer bereits existierenden baulichen Infrastruktur einer Trinkwasseranlage bestehen, die nach dem Prinzip der physikalischen Filterung über ein körniges Material gearbeitet hat, wobei der biologische Reaktor durch ein Filterungsbecken über ein körniges Material dieser Trinkwasseranlage gebildet wird.
• Es wird diesbezüglich darauf hingewiesen, dass die Anwendung von vor dem Reaktor liegenden Denitrierungsmitteln eine Wiederverwendung der vorhandenen Anlage nicht verhindert, da die Abmessungen der Sandfilter deren Aufteilung in getrennte Fächer ermöglicht, um gleichzeitig ein Becken zur vorherigen Denitrieung und einen Reaktor zur biologischen Nitrierung und zur Filterung über Hohlfasermembranen zu bilden.
• In ebenfalls bevorzugter Weise umfasst die Anlage Mittel zum Messen der Verunreinigungskonzentration im Wasser, welche die Zufuhrmittel für den zumindest einen pulverförmigen Stoff steuern.
• Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Anlage zur biologischen Trinkwasseraufbereitung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Wasser durch eine wie die oben beschriebenen Anlagen läuft, unter Verwendung des Zufuhrmittels dieser Anlage, um mindestens einen pulverförmigen Stoff in den Reaktor einzuleiten, der als Substrat für die Biomasse dient und/oder um mindestens ein reaktives Pulver in intermittierender Weise in den Reaktor einzuleiten, wobei das reaktive Pulver als Funktion der im unbehandelten Wasser vorhandenen Verunreinigungen und/oder der Temperatur des zu Trinkwasser aufzubereitenden Wassers zugegeben wird.
• Somit weist das Verfahren der Erfindung eine originelle Eigenschaft auf, welche darin besteht, dass die biologische Stützungsrolle, die der pulverförmige Stoff spielt, durch Zugabe von mindestens einem reaktiven Pulver dann verstärkt wird, wenn die Bedingungen der Trinkwassergewinnung dies erforderlich machen. Eine derartige Verstärkung kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn die Behandlungstemperatur zu niedrig ist, um eine biologische Wirkung der Biomasse zuzulassen, oder wenn die Belastung des zu behandelnden Wassers steigt.
• Nach einer Ausführungsvariante der Erfindung wird das Verfahren dann angewandt, wenn die Temperatur des zu Trinkwasser aufzubereitenden Wassers eine normale Aktivität der Biomasse zulässt, wobei der biologische Zerfall der CODB und der stickstoffhaltigen Verunreinigungen ermöglicht wird und, wobei das Verfahren dann darin besteht, die Zufuhrmittel zu betätigen, um mindestens ein reaktives Pulver im Reaktor als Funktion von mindestens einem Parameter aus der Gruppe zu verteilen, die aus dem Inhalt an Pestiziden, an COD und an Schwermetallen im Wasser gebildet wird.
• In der Praxis wird der Stoffwechsel der Bakterien bei etwa 4-5ºC gehemmt. Wenn die Temperatur des zu behandelnden Wassers höher ist, kann demnach die Anlage der Erfindung dazu genutzt werden, um zumindest periodisch ein reaktives Pulver oder mehrere reaktive Pulver zum Eliminieren der nicht biologisch abbaubaren kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen, nämlich im zu behandelnden Wasser enthaltene Pestizide und Metalle mit Hilfe der entsprechenden Mittel zuzugeben. Dabei übernehmen dies fixierten Bakterien die Eliminierung der biologisch abbaubaren kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen sowie der stickstoffhaltigen Verunreinigungen.
• In diesem Falle, und wie bereits oben angegeben, werden bevorzugterweise Aktivkohle zum Eliminieren von Pestiziden und Zeolithe zum Adsorbieren von Schwermetallen verwendet.
• Nach einer interessanten Variante eines derartigen Anwendungsverfahrens, können die reaktiven Pulver, deren Adsorptionsvermögen erschöpft ist, im biologischen Reaktor erhalten bleiben, wobei diese dann einen nicht reaktiven pulverförmigen Stoff bilden, der als Substrat für die Biomasse dient.
• Nach einer anderen Betrachtungsweise des Verfahrens der Erfindung werden die Mittel zum Zuführen von pulverförmigem Stoff dann angewandt, wenn die Temperatur des zu Trinkwasser aufzubereitenden Wassers die biologische Aktivität der Biomasse hemmt, um im Reaktor mindestens ein erstes reaktives Pulver zu verteilen, das der Adsorption organischer Verbindungen dienen soll sowie mindestens ein zweites reaktives Pulver, das die ammoniakhaltigen Verunreinigungen adsorbieren soll. Liegt demnach die. Temperatur des zu behandelnden Wassers unterhalb von 4-5ºC, werden reaktive Pulver zugegeben, um unerwünschte Komponenten aus dem Wasser einzufangen und anstelle der Aktion der Bakterien zu treten.
• In diesem Falle handelt es sich beim ersten Pulver bevorzugterweise um pulverförmige Aktivkohle, während das zweite Pulver bevorzugterweise aus der Zeolithen und Tonerden umfassenden Gruppe gewählt wird.
• Vorteilhafterweise umfasst dann das Verfahren einen Schritt, der im Erneuern der ersten und zweiten Pulver besteht, wenn das Adsorptionsvermögen derselben erschöpft ist.
• Die Erfindung sowie ihre verschiedenen Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung einer nicht einschränkenden Ausführung verständlich, sowie durch die Bezugnahme auf die Figuren, wobei:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage nach der vorliegenden Erfindung zeigt,
• - Fig. 2 die dank der in Fig. 1 gezeigten Anlage erreichten zeitlichen Veränderung der Antrazinkonzentrationen im zu behandelnden sowie im behandelten Wasser darstellt,
• - Fig. 3 die dank der in Fig. 1 gezeigten Anlage erreichten zeitlichen Veränderung der Ammoniakkonzentrationen im zu behandelnden sowie im behandelten Wasser darstellt.
• Mit Bezug auf Fig. 1, so wird das unbehandelte Rohwasser (EB) in die dargestellte Anlage über eine Leitung 1 geleitet.
• Dann wird das Wasser zu Vorbehandlungsmitteln hingeleitet, die aus einer Gerinnungs-/Ausflockungseinheit 3 und einer Kläreinheit 4 bestehen. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Vorbehandlungsmittel wahlweise eingesetzt werden. So kann es möglich sein, das Wasser direkt in die nachfolgend beschriebenen biologischen Behandlungsmittel zu leiten, ohne das es durch die Vorbehandlungsmittel läuft, wenn das Wasser nur wenige oder gar keine gerinnungsfähigen Verunreinigen enthält. Bei anderen Ausführungen kann es möglich sein, auf derartige Vorbehandlungsmittel zu verzichten.
• Die Gerinnungs-/Ausflockungseinheit 3 umfasst Mittel 5 zum Verteilen eines gerinnenden Reaktivs (Aluminiumpolychlorid, Aluminiumsulfat, Eisenchlorid usw.), mit der die im Wasser suspendierten Kolloide zum Gerinnen gebracht werden. Das Gemisch von Wasser und geronnenen Stoffen wird dann zur Kläranordnung 4 geleitet, um dort zu dekantieren. Die sich aus dieser Dekantierung ergebenden Schlämme werden bei 6 abgezogen.
• Der Überlauf der Klärvorrichtung 4 wird in einen biologischen Reaktor 7 mit einer Kapazität von 200 l über eine Leitung 8 geleitet, mit Hilfe einer vom Wasserpegel im Reaktor 7 gesteuerten Pumpe 8a.
• Ein aus Hohlfasern mit Außendruck bestehendes Ultrafilterungsmodul 11 (Filterung von außerhalb nach innerhalb der Membran), das einer Filterfläche von 12 m² entspricht, ist im Reaktor 7 eingetaucht. Diese eingetauchten Membranen 11 weisen eine Kompaktheit und einen Fluss auf, die ähnliche Behandlungsdurchsätze wie die von existierenden Sandfiltern ermöglichen, d.h., in der Größenordnung von 6 bis 8 m³/m²/h. Das aus diesem Modul kommende Permeat wird über eine Leitung 12 nach Saugpumpen mittels einer Pumpe 12a abgeleitet. Das behandelte Wasser (ET) wird am Ausgang der Leitung 12 aufgefangen und in einen Vorratsbehälter 13 geleitet, bevor es aus der Anlage geleitet wird.
• Gemäß der Erfindung ermöglichen Zugabemittel aus durch eine Milch gebildete pulverförmigen Stoffen 10, das stetige oder intermittierende Hinzufügen der gleichen Zahl von nicht reaktiven Pulvern zum Wasser, welches durch den Reaktor 7 fließt, wie Sand oder Anthrazit, welches als Fixierungssubstrat für eine Biomasse dient, als auch von reaktiven Pulvern. Diese reaktiven Pulver bestehen bevorzugterweise aus pulverförmiger Aktivkohle (CAP), aus Zeolithen, aus Tonarten oder aus Ionentauscherharzen, und werden in das zu behandelnde Wasser als Funktion der Belastung und der Temperatur dieses Wassers eingeleitet.
• Zu diesem Zweck sind Mittel 10a zum Messen der Verunreinigungskonzentrationen im zu behandelnden Wasser vorgesehen, wobei die Mittel zum Zugeben von pulverförmigen Stoffen 10 von diesen Messmitteln 10a gesteuert werden.
• Immer nach der Erfindung ist der Reaktor 7 mit Mitteln zum Einleiten eines sauerstoffhaltigen Gases, in diesem Falle Luft, ausgestattet, wobei diese Mittel aus zwei Einleitungsrampen 9, 9a gebildet werden, die im unteren Teil des Reaktors untergebracht sind. Diese Belüftungsmittel ermöglichen das Erzielen eines perfekt durchmischten Reaktorinhaltes.
• Die Belüftungsmittel 9 ermöglichen gleichzeitig das Halten der im Reaktor 7 vorhandenen Pulver in Suspension, das Vermischen des Wassers mit diesen Pulvern, das Hinzufügen des für die Bakterien erforderlichen Sauerstoffs und das Schütteln der eingetauchten Membranen, um ihre Verstopfung zu verhindern. Das Einleiten von Luft entlang der Fasern stellt somit auf Dauer sicher, dass die Membranen nicht verstopfen, während dies zyklisch durch ein Einspritzen von behandeltem Wasser aus dem Vorratsbehälter 13 gegen die Strömung (von innerhalb nach außerhalb der Faser) mit Hilfe einer Rücklaufpumpe 17, gewährleistet wird.
• Der untere Teil des Reaktors 7 weist ferner Mittel 14 zum Ablassen der Schlämme auf, um die unteren Ableitungen über eine Leitung 15 abzuleiten, während die oberen Ableitungen des Reaktor 7 über eine Leitung 16 abgeleitet werden. Die oberen Ableitungen bestehen im wesentlichen aus den Klärschlämmen der pulverförmigen Stoffe und die unteren Ableitungen aus den dekantierbaren Stoffen. Diese Ableitungen ermöglichen das Vereinheitlichen der Körnung der im Reaktor 7 befindlichen Pulver.
• Die unteren Ableitungen ermöglichen das Steuern des Schlammalters im Reaktor über die folgende Formel:
• Schlammalter = Reaktorvolumen/Volumen der täglichen Ableitung.
• Ferner wird die hydraulische Verweildauer (TRH) des zu behandelnden Wassers im Reaktor durch die folgende Formel gegeben:
• TRH = Reaktorvolumen/Durchsatz an behandeltem Wasser.
• Beim Einsatz einer derartigen Anlage funktioniert das System ohne Verteilung von adsorbierenden Pulvern, ausgehend von einer Milch 10, wenn das Wasser, das in den Reaktor 7 gelangt, keine gelösten organischen Mikroverunreinigungen enthält und wenn es die Temperatur ermöglicht, wobei die Eliminierung des Ammoniaks dann durch die im Reaktor 7 konzentrierten nitrierenden Bakterien sichergestellt wird.
• Mit Hilfe der Milch 10 wird pulverförmige Aktivkohle oder ein anderes reaktives adsorbierendes Pulver in den Reaktor eingeleitet, wenn das zu behandelnde Wasser eine Eliminierung gelöster organischer Verunreinigungen erfordert (beispielsweise zwischen März und August).
• Ist im Winter die Wassertemperatur zu niedrig, wird Zeolith in den Reaktor gegeben, wodurch im behandelten Wasser eine den Trinkwassernormen entsprechende Ammoniakkonzentration eingestellt wird.
Ergebnisse
• Die in Fig. 1 dargestellte Anlage wurde zum Behandeln von Oberflächenwasser bei einem Durchsatz von 10 m3/Tag eingesetzt.
• Tabelle 1 gibt die physikalisch-chemische und die bakteriologische Qualität des zu behandelnden Wassers (EB) und des von der eben beschriebenen Anlage behandelten Wassers (ET) an.
• Wie in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt, ermöglicht die Anlage das gesamte oder nahezu gesamte Eliminieren der partikelartigen Inhaltsstoffe. Man beobachtet in der Tat eine mittlere Eliminierung der Trübheit zu 85%, des Eisens zu 100%, des Aluminiums zu 80% und der auf Fäkalverunreinigungen zurückgehenden Keime zu 100%. Tabelle 1: physikalisch-chemische und bakteriologische Qualität des von der Anlage zu behandelnden und behandelten Wassers
• Wie in Fig. 2, wo Kurve A den Verlauf des Antrazingehaltes des zu behandelnden Wassers und Kurve B den Verlauf des Antrazingehaltes des behandelten Wassers darstellt, gezeigt, ermöglicht die Anlage eine vollkommene Eliminierung des Antrazins für Konzentrationen von 0,400 bis 0,600 ug/l im unbehandelten Wasser, mit einer Dosierung von 6,7 g/l an pulverförmiger Aktivkohle im Rohwasser, bei einer hydraulischer Verweildauer von 25 Minuten und einem Schlammalter von 30 Tagen.
• Diese Bedingungen entsprechen einer Gleichgewichtskonzentration von 10 g/l pulverförmiger Kohle im Bioreaktor.
• Wie in Fig. 3 dargestellt, wo Kurve C den Verlauf des Ammoniakgehaltes des zu behandelnden Wassers und Kurve D den Konzentrationsverlauf des Ammoniaks im behandelten Wasser zeigt, ermöglicht die Anlage ebenfalls das vollkommene Eliminieren von Ammoniak durch nitrierende Bakterien, 40 Tage nach Inbetriebnahme. Unter denselben Betriebsbedingungen wie im obigen Absatz erläutert, und mit Wassertemperaturen von 11ºC, hat sich das System nach und nach mit derartigen nitrierenden Bakterien eingeimpft.
• Wie in Tabelle 3 dargestellt, hat der Reaktor bei "biologischer Funktionsweise" parallel dazu den Abbau des biologisch abbaubaren organischen Kohlenstoffs erreicht, wobei Konzentrationen von 0,2 bis 0,3 mg/l erzielt werden.
• Tabelle 3 gibt die Eliminierungsleistung für Ammoniak durch einen Zeolith wieder: das Klinoptilolith. Eine Behandlungsrate von 30 ppm und eine hydraulische Verweildauer von 20 Minuten ermöglichen eine Reduzierung um 56% bei Konzentrationen von 0,5 mg/l im zu behandelnden Wasser. Diese Adsorptionsfunktion ermöglicht die Verlängerung der Verweildauer des Ammoniaks im Reaktor, wenn die biologischen Nitrierungskinetiken langsam sind. Tabelle 2: Eliminierung des CODB durch einen biologischen Reaktor Tabelle 3: Adsorptionsleistung für Ammoniak von Klinoptilolith
• Eine derartige Anlage weist somit eine große Anwendungsflexibilität auf, da sie das Eliminieren einer großen Zahl verschiedenartiger Verunreinigungen ermöglicht und unabhängig von der Temperatur des zu behandelnden Wassers betriebsfähig ist.
• Ferner weist die hier dargestellte Anlage den Vorteil auf, das sie auf der Grundlage einer bereits vorhandenen Trinkwasseranlage mit Sandfiltern aufgebaut werden kann. Der Reaktor 7 kann somit in dem Becken aufgestellt werden, wo ursprünglich das Filterungssandbett untergebracht war. Somit bietet die Erfindung eine interessante Lösung zur Weiterverwendung derartiger klassischer Anlagen, wobei eine verbesserte Trinkwassergewinnung bei niedrigeren Kosten ermöglicht wird.
• Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel soll die Tragweite der Erfindung nicht schmälern. Es können demnach Änderungen eingebracht werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere ist es denkbar, die Anlage mit einer Denitrierungszone oberhalb des Reaktors 7 auszustatten oder, wie bereits erwähnt, auf die von der Ausflockungs-/Dekantierungseinheit und von der Kläreinrichtung gebildeten Vorbehandlungsmittel zu verzichten. Auch die Verwendung anderer reaktiver Pulver als die bereits erwähnten ist denkbar.

Claims (16)

1. Anlage zur biologischen Trinkwasseraufbereitung,

dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes umfaßt:

- mindestens einen biologischen Reaktor (7), der über Mittel zum Einleiten eines sauerstoffhaltigen Gases (9) verfügt;

- mindestens eine im Reaktor (7) eingetauchte Trennmembran (11) zum Mikro- oder Ultrafiltern;

- Biomasse;

- mindestens ein in Suspension befindlicher, pulverförmiger Stoff, der als Substrat für die Biomasse dient und

- Mittel zum Zuführen (10) des pulverförmigen Stoffes im Inneren des Reaktors (7), wobei der Stoff ein reaktives Pulver sein kann, welches das für die Biomasse erforderliche Substrat festhalten kann.

2. Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Pulver aus der Stoffgruppe gewählt wird, die aus pulverförmiger Aktivkohle, aus Zeolithen, aus Ionentauscherharzen und aus Tonarten gebildet wird.

3. Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich mindestens eine anaerobische Denitrierungseinheit oberhalb des biologischen Reaktors (7) umfaßt.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil des biologischen Reaktors (7) über Mittel zum Ablassen der Schlämme (14) verfügt.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie über Mittel zum Vorbehandeln (3, 4) verfügt, die oberhalb des biologischen Reaktors angebracht sind und die Klärmittel (3) enthalten.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Membranen (11) um Hohlfasermembranen handelt.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie über Mittel zum Messen (10a) der Verunreinigungskonzentration im Wasser verfügt, welche die Zufuhrmittel (10) steuern.

8. Anlage zur biologischen Trinkwasseraufbereitung, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser durch eine Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 läuft, unter Verwendung des Zufuhrmittels dieser Anlage, um mindestens einen pulverförmigen Stoff in den Reaktor einzuleiten, der als Substrat für die Biomasse dient und/oder um mindestens ein reaktives Pulver in intermittierender Weise in den Reaktor einzuleiten, wobei das reaktive Pulver als Funktion der im unbehandelten Wasser vorhandenen Verunreinigungen und/oder der Temperatur des zu Trinkwasser aufzubereitenden Wassers zugegeben wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es dann angewandt wird, wenn die Temperatur des zu Trinkwasser aufzubereitenden Wassers eine normale Aktivität der Biomasse zuläßt; wobei der biologische Zerfall der CODB und der stickstoffhaltigen Verunreinigungen ermöglicht wird und, daß es darin besteht, die Zufuhrmittel zu betätigen, um mindestens ein reaktives Pulver im Reaktor als Funktion von mindestens einem Parameter aus der Gruppe zu- verteilen, die aus dem Inhalt an Insektenvernichtungsmittel, an COD und an Schwermetallen im Wasser gebildet wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es im Anwenden der Zufuhrmittel von mindestens einem pulverförmigen Stoff besteht, um pulverförmige Aktivkohle mit dem Zweck im Reaktor zu verteilen, das im zu Trinkwasser aufzubereitende Wasser enthaltene COD und Insektenvernichtungsmittel zu adsorbieren.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß es im Anwenden der Zufuhrmittel von mindestens einem pulverförmigen Stoff besteht, mit dem Zweck, Zeolith oder Ton innerhalb des Reaktors zu verteilen, um die in dem zu Trinkwasser aufzubereitendem Wasser enthaltenen Schwermetalle zu adsorbieren.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt umfaßt, bei dem die reaktiven Pulver, deren Adsorptionsvermögen erschöpft ist, im biologischen Reaktor zu erhalten, wobei diese dann einen nicht reaktiven pulverförmigen Stoff bilden, der als Substrat für die Biomasse dient.

13. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zuführen von pulverförmigem Stoff darin angewandt werden, wenn die Temperatur des zu Trinkwasser aufzubereitenden Wassers die biologische Aktivität der Biomasse hemmt, um im Reaktor mindestens ein erstes reaktives Pulver zu verteilen, das der Adsorption organischer Verbindungen dienen soll sowie mindestens ein zweites reaktives Pulver, das die ammoniakhaltigen Verunreinigungen adsorbieren soll.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim ersten Pulver um pulverförmige Aktivkohle handelt.

15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Pulver aus der Zeolithen und Tonerden umfassenden Gruppe gewählt wird.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es im Erneuern der ersten und zweiten Pulver besteht, wenn das Adsorptionsvermögen derselben erschöpft ist.