DE69723549T2

DE69723549T2 - Biologische denitrifizierung von wasser

Info

Publication number: DE69723549T2
Application number: DE1997623549
Authority: DE
Inventors: Joann Silverstein
Original assignee: University of Colorado Boulder; University of Colorado
Current assignee: University of Colorado Boulder; University of Colorado
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1997-01-10
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2017-01-11
Also published as: CA2242706A1; IL125288A; EP0885174B1; EP0885174A1; EP0885174A4; AU1827297A; ATE245126T1; US5681471A; KR19990077194A; DE69723549D1; IL125288A0; WO1997025280A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die biologische Denitrifizierung von Wasser, um akzeptables Trinkwasser bereitzustellen und, insbesondere, ein System, das eine oder mehrere Bioreaktoreinheiten zum Entfernen aus Wasser von Nitraten und Nitriten aufweist, zusammen mit einer Vorfilteranlage und einer Langsam-Sandfilteranlage zur Entfernung von organischem Material aus dem denitrifizierten Wasser.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Nitratkontamination von Trinkwasser ist als ein wachsendes Problem identifiziert worden. Der Verbrauch von mit Nitrat kontaminiertem Wasser führt zu schweren Gesundheitsstörungen, insbesondere für Kleinkinder. Trinkwasserbestände können nicht mehr als den US-Primärtrinkwasserstandard (Schmutzstoff-Maximalniveau) von 10 mg/l Nitrat-Nitrogen enthalten.
Weil Nitrat sehr löslich ist, daher in Wasser hoch mobil, ist es zu einem verbreiteten Grundwasserverschmutzungsstoff geworden. Die Hauptquellen von Nitraten in Grundwasser sind landwirtschaftliche Düngemittel, sowohl chemische als auch natürliche, Futtermengenabfall, bestimmte industrielle Abwässer, andere Abwässer und Schlamm. Nitratverschmutzung von Grundwasser ist ein besonders akutes Problem für ländliche oder semi-ländliche Gemeinden, wo erhebliche Düngung, Futtermengen und minimale Abwasserbehandlung dazu geführt haben, dass Nitratkonzentrationen unbefriedigende Höhen erreichen.
Ein bekanntes Verfahren zum Entfernen von Nitraten aus Wasser impliziert die biologische Denitrifizierung des Wassers. Denitrifizierung ist ein bakteriologischer Respirationsprozess, in welchem Nitrat reduziert wird, um primär Dinitrogengas und Distickstoffoxid als Endprodukte zu produzieren. Denitrifizierung wird von zahlreichen, im Erdboden und in Wassermilieu zu findenden Bakterienarten ausgeführt. Diese Bakterien sind primär fakultative Heterotrophe, die atmen können, indem sie entweder oxidierten Stickstoff oder Oxygen als End-Elektronenakzeptor verwenden. Denitrifizierung wird durch die Gegenwart von Oxygen behindert, welches ein energetisch günstigerer Elektronenakzeptor für die Bakterienzelle ist. Heterotrophe benötigen eine organische Kohlenstoff-Energiequelle (Elektronendonator) zur Respiration. Da die meisten Trinkwasserbestände sehr wenig organischen Kohlenstoff enthalten, wird typischerweise zusätzlicher organischer Kohlenstoff dem Zufluss beigefügt, der an einem Denitrifizierungsstadium empfangen wird. Zudem wird biologische Denitrifizierung optimisiert durch Maximalkontakt zwischen mit Nitrat verschmutztem Wasser und den Mikroorganismen.
Im Hinblick auf bekannte biologische Wasserdenitrifizierungstechniken oder – verfahren wurde ein Denitrifizierungsreaktor beschrieben, der mit hoch porösen Kunststoffmedien angefüllt war. Diese Medien hatten eine Beschichtung aus Biomassenmaterial. Ein Teil des Reaktors war für eine Betterweiterung reserviert, die mit den Kunststoffmedien während eines Luft- Reinigungsverfahrens assoziiert wurde, welches periodisch durchgeführt wurde, um Exzess-Biomasse zu entfernen. Eine solche Entfernung von Exzess-Biomassenmaterial, welches sich in dem Denitrifizierungsreaktor aufgrund von bakteriellem Wachstum angesammelt hatte, war zum ordnungsgemäßen Betrieb des Denitrifizierungsreaktors notwendig. Obwohl ein solcher Denitrifizierungsreaktor und ein mit diesem verbundenes Luft-Reinigungsverfahren generell beschrieben worden sind, ist es wichtig, das Denitrifizierungsverfahren und das Luft-Reinigungsverfahren zu optimisieren oder zu erleichtern, indem zuvor unbekannte Parameter verwendet werden.
Auch ist es als Bestandteil des Verfahrens zur biologischen Denitrifizierung von Wasser notwendig, eine oder mehrere Filtervorrichtungen stromabwärts nach der Denitrifizierungsstufe vorzusehen. Solche Filtervorrichtungen werden verwendet, um unerwünschtes organisches Material aus dem denitrifizierten Wasser zu entfernen. Obwohl verschiedene Arten von Filtervorrichtungen beschrieben worden sind, scheint es, dass solche Filtervorrichtungen komplex, relativ teuer und schwierig und/oder zeitaufwändig in der Herstellung und im Zusammenbau an dem Standort sind, an dem das Rohwasser denitrifiziert werden soll. In dieser Hinsicht besteht ein Bedürfnis für Filterausrüstung, die die erforderliche Aufgabe erfüllt, aber den Zeitaufwand zum Entfernen der gefilterten Materialien reduziert, während sie in geeigneter und effizienter Weise die Filterfunktionen durchführt. Darüber hinaus, obwohl zahlreiche langsame Sandfilter entwickelt worden sind, sind diese typischerweise sehr groß und werden an dem Standort zusammengebaut, an dem das Wasser denitrifiziert werden soll. Im Hinblick auf diese erkannten Nachteile von gegenwärtig entwickelten Einrichtungen zur Denitrifizierung von Wasser, insbesondere in weniger bevölkerten Gemeinden, wäre es vorteilhaft, ein System zur biologischen Denitrifizierung von Wasser bereitzustellen, das alle solchen Nachteile überwindet und die erwünschten Ziele erreicht.
Aus Cook et al. "Field Demonstration of Biological Denitrification of Polluted Ground Water" und "Pilot Scale Field Testing of Biological Denitrification with Widely Varied Hydraulic Loading Rates", December, 1991, Colorado Water Resources Research Institute, Colorado State University, Completion Report No. 162, ist ein biologischer Denitrifizierungsreaktor (DNR) bekannt, in welchem 85% des Volumens mit hochporösen Kunststoffmedien angefüllt sind. Der DNR empfängt eine Acetatzufuhr und Wasser, das denitrifiziert werden soll. Der DNR entfernt Nitrate aus dem einfließenden Wasser. Eine Filterungsanlage, wie etwa ein Langsam-Sandfilter, ein Vorfilter und/oder ein Grobfilter, empfängt das von dem DNR abgegebene Wasser und entfernt von der Biomasse generierte Nebenprodukte, um Trinkwasser bereitzustellen. Für den ununterbrochenen Betrieb des DNR ist es entscheidend, Exzess-Biomasse, die sich aufgrund von bakteriellem Wachstum ansammelt, zu entfernen. Eine Luft-Reinigung des DNR-Querschnitts wird ausgeführt. Dann wird der DNR entleert und jegliche Biomasse, die während der Luft-Reinigung gelockert wurde, wird entfernt. Verschiedene hydraulische Flächenraten wurden getestet, um ihre Wirkungen zu bestimmen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Denitrifizierung von Wasser, zusammen mit der Entfernung von partikulären und löslichen organischen Stoffen aus dem denitrifizierten Wasser, offenbart. Die zu verwendende Einrichtung weist eine Bioreaktoranlage zum Entfernen von Nitraten aus einfließendem Wasser auf. In einer Ausführung umfasst die Bioreaktoranlage zumindest erste und zweite Bioreaktoreinheiten oder -türme, die in serienmäßiger Verbindung miteinander stehen; es könnte jedoch nur eine Bioreaktoreinheit verwendet werden. Rohwasser aus einer Untergrundquelle oder aus der Wasserversorgung einer Gemeinde wird von der ersten Bioreaktoreinheit empfangen, und denitrifiziertes, ausfließendes Wasser aus der ersten Bioreaktoreinheit wird dann zu der zweiten Bioreaktoreinheit gesandt. Jede Bioreaktoreinheit enthält Bioreaktor- oder Füllmedien, die eine hohe Porosität aufweisen. Die Medienoberflächen sind mit einem dicken Film von Biomasse beschichtet, zur Reaktion mit dem Nitrat enthaltenden Wasser, um das Wasser zu denitrifizieren. Zusätzlich zu dem Rohwasser, das der ersten Bioreaktoreinheit zugeleitet wird, wird auch eine Quelle organischen Kohlenstoffs für bakterielle Energie und Wachstum bereitgestellt, um das Rohwasser mit organischem Kohlenstoff anzureichern. In einer Ausführung ist die Kohlenstoffquelle Essigsäure.
Die Bioreaktormedien haben bestimmte Charakteristiken oder Parameter, die notwendig sind um die dicke oder dichte Biofilmbeschichtung auf den Medienoberflächen zu tragen, gemeinsam mit der Sicherstellung von verteilter idealer Strömung von zu denitrifizierendem Wasser durch die Bioreaktoreinheit. Eine solche verteilte ideale Strömung von Wasser vermeidet Wasser-"Kanalisation", bei welcher zu denitrifizierendes Wasser durch die Bioreaktormedien fließt oder "kanalisiert", ohne den erwünschten Kontakt mit dem Biofilm. Zusätzlich zu dem Aufweisen solcher Charakteristiken durch die Biomedien ist es auch wichtig, dass die hydraulische Flächenbelastungsrate, volumetrische Nitratbelastung und die Peclet-Zahl innerhalb eines vorab festgelegten Bereichs liegen, um den notwendigen dicken Biofilm und die verteilte ideale Strömung zu fördern. Die hydraulische Flächenbelastungsrate bezieht sich auf eine volumetrische Fließrate von zu denitrifizierendem Wasser pro Querschnittsflächenbereich in der Bioreaktoreinheit. Die volumetrische Nitratbelastung bezieht sich auf die Konzentration von Nitrat in dem Wasser, das eine bestimmte volumetrische Fließrate aufweist, und auf die Bioreaktoreinheit, die ein bestimmtes oder bekanntes Volumen aufweist, wo dieses Volumen ein leeres Bett ist (keine Bioreaktormedien). Die Peclet-Zahl bezieht sich auf einen Parameter, der die verteilte ideale Strömung des Wassers anzeigt.
Periodisch muss Exzess-Biofilm von jeder Bioreaktoreinheit entfernt werden, um gleichmäßige verteilte ideale Strömung zu sichern und Kanalisierung zu vermeiden. Exzess-Biofilm resultiert aus dessen Wachstum in der Bioreaktoreinheit. Um Exzess-Biomasse zu entfernen, wird ein Luftreinigungsverfahren eingesetzt. Generell wird es ermöglicht, dass Luftblasen aus einem auf dem Boden jedes Bioreaktorturms angeordneten Diffusor nach oben durch ein fluidisiertes Bett von Bioreaktormedien strömen. Die Luftblasen streifen Exzess-Biomassenmaterial von den Bioreaktormedien ab. Die Luftreinigungsfrequenz wird auf der Basis des dynamischen Druckgefälles bestimmt, das mit der Bioreaktoreinheit verbunden ist; dieses Druckgefälle wird an der Basis der Bioreaktoreinheit gemessen. Die Diffusoröffnung weist ein Ausmaß auf, das weit genug ist, um eine Blasengröße sicherzustellen, die für das Abstreifen ausreicht, jedoch eng genug, um in effizienter Weise die mit dem Biofilm beschichteten Bioreaktormedien davon zu trennen.
Die Denitrifizierungsschritte, die von der ersten und zweiten Bioreaktoreinheit durchgeführt werden, resultieren darin, dass organisches Abfallmaterial oder Nebenprodukt dem Wasser beigefügt wird. Die Entfernung von solch organischem Material in dem System wird erreicht, indem eine Vorfilteranlage und eine Langsam-Sandfilteranlage, die stromabwärts von der Vorfilteranlage angeordnet ist, eingesetzt werden. Die Vorfilteranlage beinhaltet eingefüllte Vorfiltermedien von sehr hoher Porosität, die in einem Vorfilterkörper der Vorfilteranlage enthalten sind. Nächst dem oberen Ende des Vorfilterkörpers und oberhalb der eingefüllten Vorfiltermedien ist eine Fließverteilungsvorrichtung angeordnet. Diese Vorrichtung verteilt das einfließende denitrifizierte Wasser, das sie empfängt, einheitlich über die Querschnittsoberfläche der Vorfiltermedien. Organische Stoffe in dem denitrifizierten Wasser werden durch eine Kombination von Sorption organischer Moleküle zu den mit Biofilm beschichteten Oberflächen der Vorfiltermedien und Biodegradation entfernt, da die organischen Bestandteile zu Bakterien hin strömen, die in dem Biofilm auf den Oberflächen der Medien leben, die die Bakterien metabolisieren. In einer Ausführung besteht die Fließverteilungsvorrichtung aus einer konisch geformten Vorrichtung, die nach und nach die Fläche eines gegebenen Volumens von einfließendem Wasser ausdehnt. Dementsprechend gibt es keine kanalisierende oder ungleichmäßige Konzentration von einfließendem Wasser entlang der Wand des Vorfilterkörpers, oder eine ungleichmäßige Verteilung entlang irgendeines Abschnittes der Querschnittsfläche des Vorfilterkörpers. Diese Konstruktion fördert die effiziente und erwünschte Entfernung von organischen Bestandteilen.
Im Hinblick auf die Regulierung der Entfernung von organischem Material berücksichtigt oder inkorporiert die Vorfilteranlage eine Anzahl von Faktoren oder Parametern. Für eine akzeptable Leistung sollte die organische Belastungsrate (OBR), die mit der Vorfilteranlage assoziiert ist, innerhalb eines erwünschten Bereichs liegen. Die OBR bezieht sich auf die Menge des gesamten organischen Kohlenstoffs (GOK), der durch die Vorfilteranlage entfernt wird, für ein gegebenes Volumen an Vorfiltermedien und für eine gegebene Zeitspanne. Der GOK bezieht sich auf das lösliche und kolloidale organische Material, das durch die Vorfilteranlage entfernt wird. Die minimale OBR sollte nur ausreichen, um Biofilmwachstum zu erhalten, und die maximale OBR sollte nicht die Kapazität der Vorfilteranlage überschreiten, den GOK durch eine Kombination von Sorption und Biodegradation zu entfernen. Eine hydraulische Belastungsrate (HBR) der Vorfiltereinrichtung sollte festgelegt werden, um erhebliches Einnässen der mit Biofilm beschichteten Vorfiltermedienoberflächen sicherzustellen, und der Maximalwert der HBR sollte festgelegt werden, um Fließen in einem dünnen Film des denitrifizierten Wassers in der Vorfilteranlage sicherzustellen Die HBR bezieht sich auf die Fließrate des Wassers, geteilt durch die gesamte Querschnittsoberfläche, die der Vorfilteranlage zugeordnet ist. Ein Rückhaltungszeit-Parameter (T_f) ist ebenfalls wichtig für den ordnungsgemäßen Betrieb der Vorfilteranlage. Die Rückhaltungszeit bezieht sich auf die Zeitspanne, während der das denitrifizierte Wasser gegenwärtig und in Kontakt mit den Vorfiltermedien in dem Vorfilterkörper ist. Die Rückhaltungszeit hat eine Minimal- oder Schwellenzeitspanne.
In einer Ausführung ist die Vortilteranlage "semi-tragbar" insofern, als sie von einer Größe ist und Dimensionen hat, die es erlauben, sie an einem Ort herzustellen, der entfernt ist von der Standort, an dem Wasser unter Verwendung der Vorfilteranlage gefiltert werden soll, und wobei ein Transport der Vorfilteranlage ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden kann. In einer solchen Ausführung kann die Vorfilteranlage an dem Standort zusammengesetzt werden, an dem Wasser gefiltert werden soll, einschließlich des Einbaus der Fließverteilungsvorrichtung und der Vorfiltermedien in den Vorfilterkörper.
Die Langsam-Sandfilteranlage befindet sich stromabwärts von der Vorfilteranlage und dient dem weiteren Entfernen von feinem partikulärem organischem Material aus dem einfließenden Wasser, das diese von der Vofilteranlage empfängt. Die Langsam-Sandfilteranlage arbeitet vergleichbar mit typischen Langsam-Sandfiltern insofern, als sie eine oder mehrere Schichten von Sand oder Kies enthält, durch die das einfließende Wasser hindurchfließt, um das Wasser zu filtern. Jedoch besitzt die hierin offenbarte Langsam-Sandfilteranlage eine Kombination einer Anzahl von Strukturelementen, die es dieser ermöglichen "semi-tragbar" zu sein. Spezifischer ausgedrückt beinhaltet die Langsam-Sandfilteranlage zumindest einen ersten Behälter mit einer Anzahl von Wänden und einem Boden. Rohre, die das gefilterte Wasser leiten, sind oberhalb des Bodens angeordnet, um das gefilterte Wasser aufzunehmen. Der erste Behälter, insbesondere dessen Boden, wird von einer Plattform getragen. Ein Zentralrohr empfängt das gefilterte Wasser von den das gefilterte Wasser leitenden Rohren. Das Zentralrohr befindet sich außerhalb des Behälters, unter dessen Boden, und nächst der Plattform. In einer Ausführung sind die Wände und der Boden des Behälters aus einem schweißbaren Material hergestellt, wie etwa Stahl, und haben eine Größe und Dimensionen, die es erleichtern, den Behälter herzustellen und den Behälter an den Standort zu transportieren, an dem dieser mit den Sandfiltermedien gefüllt werden kann. Die Wände des Behälters weisen vorzugsweise eine begrenzte Dicke auf und erfordern den Einsatz von sich vertikal erstreckenden Verstärkungsrippen und zumindest einem sich lateral erstreckenden Versteifungsträger. In einer Ausführung weist die Langsam-Sandfilteranlage zwei oder mehr Behälter von verringerter Größe auf, um einen modularen Aufbau bereitzustellen und die Herstellung und den Transport der Behälter zu dem Standort weiter zu erleichtern. Im Zusammenhang mit dem Transportieren eines oder mehrerer der Behälter sind Hubelemente oder Tragarme Teil des hergestellten Behälters, so dass ein Transportmechanismus in der Lage ist, in eines oder mehrere der Hubelemente einzugreifen, um diesen vom Boden zu heben und auf einem Transportfahrzeug zu positionieren.
Basierend auf der vorstehenden Zusammenfassung sind leicht eine Anzahl von wichtigen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung zu identifizieren. Eine praktische und vereinfachte Vorrichtung wird für die Denitrifizierung von Wasser bereitgestellt. Deren Hauptkomponenten können an einem Ort hergestellt und zusammengesetzt werden, der von dem Standort, an dem Wasser denitrifiziert werden soll, entfernt liegt und zu dem Standort transportiert werden. Eine oder mehrere Bioreaktoreinheiten sind mit Bioreaktormedien angefüllt, auf denen ein dichter Film von Biomassenmaterial zur Reaktion mit dem nitrogenhaltigen Wasser wächst. Die dimensionalen Aspekte der Bioreaktormedien sind optimisiert, um einen dichten Biofilm und verteilte ideale Strömung zu fördern. In dieser Beziehung sind mit dem zu denitrifizierenden Wasser zusammenhängende Fließratenparameter oder -charakteristiken identifiziert worden, die innerhalb bestimmter erforderlicher Bereiche fallen. Ein periodisches Luftreiningsverfahren erhält den dichten Biofilm und die einheitliche verteilte ideale Strömung, während Kanalisation vermieden wird, indem spezifische Luftreinigungsparameter eingehalten werden. Eine Vorfilteranlage und eine Langsam-Sandfilteranlage entfernen organisches Material aus dem denitrifizierten Wasser. Die Vorfilteranlage beinhaltet eine Fließverteilungsvorrichtung, die für einheitlichen oder gleichmäßigen Wasserfluss über Filtermedien sorgt, die eine sehr hohe Porosität besitzen. Die Vorfilteranlage hat eine OBR, eine HBR und eine Rückhaltungszeit (T_f), die die Entfernung des organischen Materials aus dem von der Vorfilteranlage empfangenen einfließenden Wasser optimisieren. In Verbindung mit der Transportierbarkeit der Langsam-Sandfilteranlage beinhaltet diese eine Anzahl von strukturalen Aspekten, einschließlich eines modularen Aufbaus, in welchem zwei oder mehr Behälter, die Sandfiltermedien enthalten, einfließendes denitrifiziertes Wasser aus der Vorfilteranlage empfangen. Die Behälter der Langsam-Sandfilteranlage haben begrenzte oder reduzierte Dimensionen, um deren Herstellung und Transport zu erleichtern. Vorzugsweise wird mehr als eine Bioreaktoreinheit verwendet, und jede der Bioreaktoreinheiten und die Vorfilteranlage werden auf einen Schlepper oder Hänger montiert, um sie zu dem erwünschten Standort zu transportieren.
Zusätzliche Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden Erörterung ersichtlich, insbesondere wenn diese mit den begleitenden Zeichnungen zusammengenommen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm von Komponenten des biologischen Denitrifizierungssystems, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2 veranschaulicht eine Grundrissansicht des Vorfilterkörpers und Aufbewahrungsbehälters der Vorfilteranlage;
3 veranschaulicht schematisch eine Längs-Querschnittansicht des Vorfilterkörpers, der Vorfiltermedien für die Vorfilteranlage enthält;
4 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsansicht des Vorfilterkörpers mit den Vorfiltermedien der Vorfilteranlage;
5 veranschaulicht eine Ausführung der in dem Vorfilterkörper enthaltenen Fließverteilungsvorrichtung, die von konischer Form ist;
6 ist eine Grundrissansicht einer Seitenwand des Behälters der Langsam-Sandfilteranlage;
7 ist eine Grundrissansicht einer Endwand des Behälters der Langsam-Sandfilteranlage;
8 veranschaulicht schematisch einen Behälter der Langsam-Sandfilteranlage mit gefiltertes Wasser leitenden Rohren und einem Zentralrohr, das mit den gefiltertes Wasser leitenden Rohren in Verbindung steht; und
9 veranschaulicht schematisch eine Anordnung der Hauptkomponenten des biologischen Denitrifizierungssystems, einschließlich einer Bedienungstafel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In Bezug auf 1 wird ein System 20 zur biologischen Denitrifizierung von Wasser veranschaulicht. Das System 20 umfasst eine Bioreaktoranlage 24 zum Entfernen von Nitraten und Nitriten aus einfließendem Wasser, das von der Bioreaktoranlage 24 empfangen wird. In einer Ausführung umfasst die Bioreaktoranlage 24 erste und zweite Bioreaktoreinheiten oder -türme 28, 32. Jede der Bioreaktoreinheiten 28, 32 enthält Bioreaktormedien mit Oberflächen, auf denen ein Film aus Biomasse oder Reaktionsmaterial angeordnet ist. Die Biomasse reagiert mit dem einfließenden Wasser, um das Nitrogen zu entfernen. Insbesondere findet ein bakterieller Respirationsprozess statt, in welchem Nitrogengas und Distickstoffoxid als harmlose Nebenprodukte entstehen. Die stöchiometrischen Gleichungen, die einen solchen Prozess definieren, sind gut bekannt und verstanden. Die Biomasse oder Reaktionsmaterial erfordert, dass zusätzlicher organischer Kohlenstoff dem Zufluss, der von der ersten Bioreaktoreinheit 28 empfangen wird, beigefügt wird. In einer Ausführung ist die gewählte Kohlenstoffquelle Essigsäure. Diese Säure ist leicht erhältlich, ungiftig für den Menschen, ist löslich in Wässer, und ist leicht degradierbar durch eine große Zahl von Bakterienarten. Sie kann zudem leichter gelagert werden, insbesondere im Vergleich mit leichter entflammbaren organischen Verbindungen, wie etwa Methanol und Ethanol.
Was die Zuleitung des einfließenden Wassers zu der ersten Bioreaktoreinheit 28 betrifft, so wird das Rohwasser von einer externen Quelle, wie etwa Grundwasser, Leitungen oder Rohren zugeleitet, die ein erstes Magnetventil 36 aufweisen, das sich entlang des Fließpfads des Wassers befindet. Wenn das erste Magnetventil 36 geöffnet ist, fließt das Rohwasser durch einen ersten Strömungsschalter 40. An einer Leitungsverbindung wird das durch den Strömungsschalter 40 zugeführte Rohwasser mit einer Quelle von zusätzlichem organischem Kohlenstoff zusammengebracht. In der bevorzugten Ausführung ist diese organische Kohlenstoffquelle eine Acetatzufuhr 44, die verdünnt und zu der Leitungsverbindung gepumpt wurde, um sich mit dem Rohwasser zu vereinen. Genauer ausgedrückt steht die Acetatzufuhr 44 mit einer Ladepumpe 48 zum Pumpen des Acetats durch eine zweite Strömungsschaltung 52 in Verbindung. Das Acetat wird einem Einsatzmaterialtank 56 zugeführt, der gleichzeitig mit Wasser zur Verdünnung des Acetats in Verbindung ist. Das verdünnende Wasser 58 passiert durch ein zweites Magnetventil 60, das so geregelt werden kann, dass es den Fluss von verdünnendem Wasser zu dem Einsatzmaterialtank 56 entweder erlaubt oder verhindert. Das verdünnte Acetat wird aus dem Einsatzmaterialtank 56 unter Verwendung einer Dosierpumpe gepumpt. Während der Passage des Acetats zu der Leitungsverbindung zur Vereinigung mit dem Rohwasser regelt ein Strömungsschalter 68 den Fluss des verdünnten Acetats. Die Interaktion oder das Zusammenwirken sowohl zwischen den Magnetventilen und Strömungsschaltern, wie auch den Pumpen wird später in genauerem Detail beschrieben, in Verbindung mit einer Beschreibung des Betriebs des Systems.
Die Kombination aus Rohwasser und verdünntem Acetat wird von der ersten Bioreaktoreinheit 28 in der Nähe ihres unteren Endes empfangen, und bewegt sich durch die erste Bioreaktoreinheit auf deren oberes Ende zu. Während der Passage durch die erste Bioreaktoreinheit 28 finden die erwünschten Reaktionen im Zusammenhang mit der Denitrifizierung des Rohwassers unter Einsatz der Bioreaktormedien statt. An dem oberen Ende der ersten Bioreaktoreinheit 28 wird das ausfließende Wasser von einem intermediären Reaktorrohr mittels Schwerkraft und Druck von den Brunnenpumpen dem unteren Ende der zweiten Bioreaktoreinheit 32 zugeführt. Eine weitere Denitrifizierung des von der zweiten Bioreaktoreinheit 32 empfangenen einfließenden Wassers findet statt, wenn das Wasser sich nach oben bewegt und mit der Biomasse oder Reaktionsmaterial auf den in der zweiten Bioreaktoreinheit 32 enthaltenen Biomedien in Kontakt kommt. In einer alternativen Ausführung kann das Acetat den Bioreaktoreinheiten 28, 32 an verschiedenen Stellen entlang deren Länge zugeführt werden.
Was die Bioreaktormedien betrifft, so sind diese ein inertes Material, das nicht biologisch abbaubar, ungiftig und für Trinkwassergebrauch genehmigt ist. Um einen effektiven und effizienten Betrieb der Bioreaktoreinheit, einschließlich Luftreinigung zum Entfernen von Biofilmüberschuss von den Medien, zu erreichen, muss die Dichte der Bioreaktormedien geringer als etwa 1,2 g/cm³, und vorzugsweise nicht höher als in etwa die Dichte von Wasser (1,00 g/cm³) sein. Die Porosität der Bioreaktormedien muss ebenfalls bestimmten Kriterien gerecht werden, d. h., die Porosität muss höher als 0,8 sein, um das Wachstum eines dichten Biofilms zu erlauben und verteilte ideale Strömung zu gewährleisten. Damit zusammenhängend muss der spezifische Oberflächenbereich der Medien ausreichend groß sein, um das dichte Biofilmwachstum auszuhalten, nämlich: spezifischer Oberflächenbereich > 20 m²/m³. Im Zusammenhang mit dem Einsatz solcher Bioreaktormedien zum Erreichen der erforderlichen Denitrifizierung müssen die Bioreaktoreinheiten 28, 32 gewisse Betriebscharakteristiken oder -parameter aufweisen. Das einfließende, zu denitrifizierende Wasser muss eine hydraulische Flächenbelastungsrate haben, die in einen kritischen Bereich fällt. Die hydraulische Flächenbelastungsrate entspricht Q/A m³/(m² × hr), wobei Q = volumetrische Fließrate (m³/hr) und A = Querschnittsoberfläche der Bioreaktoreinheit (m²). Spezifischer ausgedrückt ist der für Q/A erforderliche Bereich: 98,3 lt/min × cm2 < Q/A < 1474,6 lt/min × cm2 1 m3/(m2 × hr) < Q/A < 15 m3/(m2 × hr) [0,4 gal/(min × ft2) < Q/A < 6 gal/(min × ft2)]
Wenn Q/A nicht innerhalb dieses Bereichs sein sollte, wird die verteilte ideale Strömung nicht erreicht, und effektive und effiziente Denitrifizierung des Wassers findet nicht statt. Als ein weiterer entscheidender Faktor zur Gewährleistung von einheitlich verteilter idealer Strömung und zum Erreichen von optimalem Kontakt zwischen dem zu denitrifizierenden Wasser und der Biofilmbeschichtung auf den Bioreaktormedien muss eine Peclet-Zahl innerhalb eines bestimmten Bereichs eingehalten werden. Die Peclet-Zahl = Pe = u × L/D, worin D = Dispersion (l²/t); u = Flüssigkeits – Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Milieu (l/t); und L = charakteristische Reaktorlänge (l). Die Peclet-Zahl ist ein gut bekannter Parameter und wird statistisch festgelegt im Zusammenhang mit einer bestimmten Anwendung. In Übereinstimmung mit den Zielen der vorliegenden Erfindung ist der Bereich der Peclet-Zahl zur Gewährleistung von verteilter idealer Strömung in jeder Bioreaktoreinheit 28, 32: 2,8 < Pe < 25. Ein weiterer Parameter, der entscheidend für die ordnungsgemäße Denitrifizierung ist, ist die volumetrische Nitratbelastungsrate = Q × C_N/V (g – N/m³/Tag), wobei Q = volumetrische Fließrate (m³/Tag); C_N = einfließende Nitratkonzentration (G – N/m³, wie Nitrogen); und V = Bioreaktoreinheitsvolumen auf Leerbettbasis (m³). Um die dichte Biofilmbeschichtung auf den Bioreaktormedien einzuhalten, ohne Kanalisierung, muss die volumetrische Nitratbelastungsrate innerhalb des folgenden Bereichs liegen: 100 g/m3/Tag < Q × CN/V < 5 000 g/m3/Tag
Ein Bioreaktoranlagenausflussrohr 74 ist am oberen Ende der zweiten Bioreaktoreinheit 32 vorgesehen und nimmt das denitrifizierte Wasser auf, das auf ein Niveau oder eine Konzentration denitrifiziert worden ist, die für menschliches Trinken oder Verbrauch akzeptabel ist. Das entgegengesetzte Ende dieses Ausflussrohrs 74 ist mit einer Vorfilteranlage 78 verbunden. Die Vorfilteranlage 78 entfernt lösliches, kolloidales und feines partikuläres organisches Material, das dem Wasser während seiner Fortbewegung durch die Bioreaktoreinheiten 28, 32 hindurch zugefügt wird. Zum Erreichen dieses Hauptziels arbeitet die Vortilteranlage 78 mit einer Langsam-Sandfilteranlage 82, die sich stromabwärts von der Vorfilteranlage 78 befindet, beim Entfernen von solchem organischem Material. Die Entfernung der meisten organischen Stoffe aus dem denitrifizierten Wasser durch die Vorfilteranlage 78 dient zwei primären Funktionen, nämlich: Reduktion von Verstopfung der Langsam-Sandfilteranlage 82 durch entweder einfließendes organisches Material oder überschießendes sekundäres Biofilmwachstum auf dem Bett in der Langsam-Sandfilteranlage 82; und Reduktion von erzeugten Abfallrückständen, indem die erforderliche Abschabefrequenz der Langsam-Sandfilteranlage 82 reduziert wird.
Unter Bezugnahme auf 2 bis 4 umfasst die Vorfilteranlage 78 einen Vorfilterkörper 86, der, in einer Ausführung, von generell zylindrischer Form ist. Auf dem Boden oder unteren Ende des Vorfilterkörpers 86 ist Flüssigkeits- oder Wasserzufuhr von dem Filterkörper 86 zu einem Aufbewahrungstank 90 vorgesehen. Der Aufbewahrungstank 90 lagert Wasser in erwünschtem Volumen zur Verwendung bei der Regelung des Wasserflusses durch das System 20. In der offenbarten Ausführung hat der Aufbewahrungstank 90 von dem Vorfilterkörper verschiedene Dimensionen und ist generell von rechteckiger Form. Der Aufbewahrungstank 90 hat einen in der Nähe seines Bodens ausgebildeten Auslass, aus dem gefiltertes ausfließendes Wasser aus dem Aufbewahrungstank 90 die Vorfilteranlage 78 verlässt. Alternativ können der Filterkörper 86 und der Aufbewahrungstank 90 als eine einzige, integrierte zylindrische Einheit hergestellt werden, die dieselbe Länge hat, wie wenn diese separate Einheiten sind.
Im Hinblick auf das Erreichen der erwünschten Filterung des einfließenden Wassers in die Vorfilteranlage 78 enthält der Vorfilterkörper 86 zufällig angeordnete Kunststoffmedien von sehr hoher Porosität. Wie hierin definiert, ist eine solche Porosität der Medien = η = Volumenhohlräume/ Volumenmasse der Medien. Das heißt, die Medienporosität ist eine Funktion des von den Vorfiltermedien eingenommenen Raumes und des Raumes der nicht von den Vorfiltermedien eingenommen wird, innerhalb des Vorfilterkörpers 86. In einer bevorzugten Ausführung, 0,92 > η < 0,98. In Bezug auf 3 sind die Vorfiltermedien 94 schematisch veranschaulicht als zufällig in dem Vorfilterkörper 86 angeordnet. Eine Siebunterlage 98 ist ebenfalls in dem Vorfilterkörper 86 an dessen unterem oder Bodenende zur Verwendung beim Tragen der Vorfiltermedien 94 enthalten. Wie in 4 veranschaulicht, sind die Vorfiltermedien 94 durchgehend über den Querschnitt des Vorfilterkörpers 86 hinweg und durchgehend seiner Länge nach angeordnet. Die Vorfiltermedien 94 sind durch Oberflächen charakterisiert, die es leicht ermöglichen, sie mit einem dünnen Biofilm zu beschichten, so dass organische Stoffe in dem denitrifizierten Wasser durch eine Kombination von Sorption von organischen Molekülen zu dem dünnen Biofilm und Biodegradation entfernt werden, da die organischen Verbindungen zu in dem Vorfiltermedien-Biofilm lebenden Bakterien hin diffundieren, die diese metabolisieren. Der mit den Medien 94 assoziierte dünne Biofilm agiert zur Entfernung von organischen Verschmutzungsstoffen von relativ kleiner Größe, einschließlich lösliche und kolloidale Moleküle und schwebende Partikel, deren Durchmesser kleiner als 25 Mikron ist, einschließlich solche, deren Durchmesser etwa 1 Mikron beträgt.
In Bezug auf die Lieferung des einfließenden Wassers an den Vorfilterkörper 86 ist eine Fließverteilungsvorrichtung 102 in dem Vorfilterkörper 86 fest angebracht, an dessen oberem Ende flussabwärts von dem einfließenden denitrifizierten Wasser, das der Vorfilteranlage 86 zugeführt wird. Die Fließverteilungsvorrichtung 102 empfängt das eingehende Wasser und agiert, um dieses gleichmäßig durch den Querschnitt des Vorfilterkörpers 86 hindurch zu verteilen. Einheitliche Fließverteilung ist notwendig, um das Stattfinden einer ordnungsgemäßen Reaktion zwischen dem dünnen Biofilm auf den Vorfiltermedien 94 und dem in dem einfließenden Wasser enthaltenen organischen Material zu ermöglichen. Im Zusammenhang mit solch einheitlicher und gleichmäßiger Verteilung des Wassers ist das Wasser aus jedem Bereich der Fließverteilungsvorrichtung dasselbe wie aus jedem anderen Bereich. Zum Beispiel hat Wasser, das aus dem Zentrum der Fließverteilungsvorrichtung 102 abgegeben wird, im Wesentlichen das selbe Volumen pro Flächeneinheit als das Wasser, das aus dem Teil der Vorrichtung abgegeben wird, der sich auf halbem Wege zwischen dem Zentrum der Vorrichtung 102 und einem Ende oder einem Rand von dieser befindet. In gleicher Weise kommt es nicht zum "Kanalisieren" des von der Fließverteilungseinrichtung 102 abgegebenen Wassers. Das heißt, es gibt keine Länge oder Säule von Wasser, die durch den Vorfilterkörper 86 fließt, welche einen Fluss hat, der über eine minimale Menge hinaus von der erforderlichen oder Standard-Flussrate so abweicht, dass der notwendige Kontakt zwischen den Vorfiltermedien 94 und dem Wasser nicht stattfindet, einschließlich kein unerwünschtes Kanalisieren entlang der Wand oder der Wände des Vorfilterkörpers 86.
In Bezug auf 5 umfasst, in einer Ausführung, die Fließverteilungsvorrichtung 102 ein konisch geformtes Teil 104, das eine Vertiefung 106 und eine Anzahl von Öffnungen 108 besitzt. Die Vertiefung 106 erstreckt sich im Wesentlichen von dem oberen Teil zu dem unteren Teil des konischen Teils 104. In dieser Ausführung wird das einfließende Wasser von der Vertiefung 106 empfangen. Wenn die Vertiefung 106 mit Wasser gefüllt ist, fließt das Wasser an deren Oberkante über oder entweicht und fließt zu den Öffnungen 108. Dies führt dazu, dass sich das Wasser gleichmäßig über die Ausgabefläche hinweg verbreitet, so dass ein einheitlicher und gleichmäßiger Fluss resultiert, wobei das aus der Fließverteilungsvorrichtung 102 abgehende, einfließende denitrifizierte Wasser ein solches gleichmäßiges oder einheitliches Muster aufweist und erst nachdem dieses Wassermuster etabliert ist in Kontakt mit den Vorfiltermedien 94 kommt. Das Wehr 109 agiert als ein Wasserflussregelungsteil zur Unterstützung beim Erreichen der erwünschten gleichmäßigen Wasserverteilung.
In Bezug auf die Konfiguration der Vorfilteranlage 78 werden als nächstes eine Anzahl von wichtigen Parametern im Zusammenhang mit ihrer Bedeutung für die ordnungsgemäße Entfernung von organischem Material beschrieben. Diese Parameter umfassen:
Gesamter organischer Kohlenstoff (GOK), was sich auf das gesamte lösliche und kolloidale organische Material bezieht, das als von der Vorfilteranlage 78 entfernt gemessen wird;
Organische Belastungsrate (OBR), was sich auf die Menge an GOK bezieht, die unter Einsatz einer bestimmten Menge von Vorfiltermedien 94 während der gegebenen Zeitspanne entfernt wird;
Hydraulische Belastungsrate (HBR), was sich auf die Wasserflussrate, geteilt durch die Querschnittsfläche des Vorfilterkörpers 86, bezieht;
Hydraulische Rückhaltezeit oder Film-Tau (T_f), was sich auf die Zeitspanne bezieht, während der das einfließende Wasser, das in die Vorfilteranlage 78 eingegeben wurde, in dem Vorfilterkörper 86 verbleibt und in Kontakt mit den Vorfiltermedien 94 ist.
Der GOK in dem einfließenden Wasser besteht aus einer Mischung von Bestandteilen, von denen die meisten anfänglich durch Sorption auf die mit den Vorfiltermedien 94 assoziierte Biofilmoberfläche innerhalb einiger Sekunden von Kontakt mit dem dünnen Biofilm aus dem Wasser entfernt werden. In einer Ausführung wird der GOK als die Menge gemessen, die einen 1,3-Mikronfilter passiert. Aufgrund der Vielfalt von organischen Verschmutzungsstoffen gibt es wahrscheinlich viele Mechanismen, durch welche diese Verbindungen auf den Biofilm sorbiert werden. Die OBR basiert auf dem Gesamtvolumen der Vorfiltermedien 94, und dieses Gesamtvolumen steht zur Oberflächenentfernung des GOK zur Verfügung. Das heißt, unter der Annahme, dass die Biofilmbeschichtung der Vorfiltermedien 94 durch die gesamte Länge des Vorfilterkörpers 86 hindurch ähnlich ist, entspricht das Volumen der Vorfiltermedien den Biofilmoberflächen.
Es ist zudem durch Versuche bestimmt worden, dass der GOK von Wasser nach Denitrifizierung in der Vorfilteranlage 78 der vorliegenden Erfindung zwischen etwa 1–10 mg/l GOK liegt.
Es ist auch herausgefunden oder beobachtet worden, dass die Vorfilteranlage 78 eine Minimum- oder Schwellen-OBR hat. Insbesondere sollte eine solche Minimum-OBR nur ausreichend sein, um Biofilmwachstum zu erhalten und ist quantitativ definiert als:
OBR > [5 lb] 2.27 kg GOK/1000 [ft³] 28316 cm³ Medien/Tag.
Eine wichtigere Einschränkung, die herausgefunden oder beobachtet worden ist, ist diejenige, dass die OBR nicht die Kapazität der Vorfilteranlage 78, den GOK durch eine Kombination von Sorption und Biodegradation zu entfernen, überschreiten sollte, nämlich:
OBR < 113 kg [250 lb] GOK/1000 [ft³] 28316 cm³ Medien/Tag.
In ähnlicher Weise hat die HBR einen vorbestimmten Bereich zum Erreichen der erwünschten Entfernung von organischem Material. Der Minimalwert der HBR der Vorfilteranlage 78 gewährleistet wesentliches Einnässen der Oberflächen des dünnen Biofilms der Vorfiltermedien 94, nämlich:
HBR > 100 [ft³/Tag/ft²] 28316 cm³/Tag/929 cm² Vorfilterkörperquerschnitt.
Ein Maximal- oder oberer Bereichswert der HBR wird ebenfalls vorgesehen, um einen Fluss des denitrifizierten Wassers als dünner Film in dem Vorfilterkörper 86 an den Vorfiltermedien 94 vorbei sicherzustellen, nämlich:
HBR < 3 000 [ft³/Tag/ft²] 28316 cm³/Tag/929 cm² Vorfilterkörperquerschnitt mit den gedichteten Medien.
Im Hinblick auf die Rückhaltezeit (T_f) ist deren Ableitung wie folgt, mit den begleitenden Vermutungen:

1. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Milieu von flüssigem dünnem Film ist dieselbe als die Geschwindigkeit von löslichen, kolloidalen und schwebenden organischen Kohlenstoffpartikeln;
2. Die gesamte Querschnittsfläche des flüssigen dünnen Films ist gleichwertig mit der Querschnittsfläche, die von den Vorfiltermedien 94 eingenommen wird; und
3. Der Fließpfad des einfließenden Wassers aus der Fließverteilungsvorrichtung 102 ist vertikal und perpendikulär zu dem Querschnitt des Vorfilterkörpers 86.

v = Q/A3

³

_s

²

A3 = A*(1 – η)

²

v = Q/(A*(1 – η)) (1)

Tf = L/v (2)

Tf=L/(Q/(A*(1 – η)))

Tf=L*A*(1 – η)/Q (3)

Tf = Vm*(1 – η)/Q (4)

_m

In Bezug auf das vorliegende System 20 ist herausgefunden oder beobachtet worden, dass für zufriedenstellende Entfernung von partikulärem, löslichem und kolloidalem organischem Material aus denitrifiziertem Wasser die Rückhaltezeit folgende Schwelle einhalten muss: T_f > 0,15 Minuten.
In einer Ausführung der Vorfilteranlage 78 ist der Vorfilterkörper von "semi-tragbarer" Konstruktion. Spezifisch ausgedrückt ist der Vorfilterkörper 86 von einer Größe und hat Dimensionen, die es erlauben, dass der Vorfilterkörper 86 an einem Ort hergestellt wird, der von dem Standort, an dem das System 20 installiert werden soll, entfernt ist. Dadurch, dass er eine solche Größe hat, kann der Vorfilterkörper 86 konstruiert und dann auf einen Schlepper 88 (9) oder Hänger gehoben oder in sonstiger Weise getragen werden, um mittels eines geeigneten Transportfahrzeugs bewegt und dann zum Standort für Installierung transportiert zu werden. In gleicher Weise kann der Aufbewahrungstank 90 auf dem Schlepper 88 transportiert werden, wobei die Fließverteilungsvorrichtung 102 und die Vorfiltermedien 94 am Herstellungs- oder Bauort ordnungsgemäß in dem Filterkörper 86 angebracht werden, statt an dem Wasserdenitrifizierungsstandort installiert zu werden. In dieser "semi-tragbaren" Konstruktion sollte der Vorfilterkörper eine Höhe im Bereich von etwa 2–10 Fuß haben, und die Breite oder der Durchmesser des Vorfilterkörpers 86 sollte zwischen etwa 1–5 Fuß liegen. Wenn diese Dimensionen außerhalb dieser Bereiche liegen, gehen die Aspekte der Semi-Tragbarkeit im Wesentlichen verloren.
Unter Bezugnahme wiederum auf 1 wird das abfließende Wasser aus dem Aufbewahrungstank 90 (2) unter Einsatz einer Transferpumpe 110 zu der Langsam-Sandfilteranlage gepumpt. Die Langsam-Sandfilteranlage 82 ist dazu vorgesehen, die Entfernung von organischen Komponenten aus dem denitrifizierten Wasser zu vervollständigen, so dass es akzeptabel zum Trinken ist oder ansonsten etablierten Standards für Wasser, das für menschlichen Gebrauch bestimmt ist, gerecht wird. Wie gut bekannt ist, beinhaltet die Langsam-Sandfilteranlage 82 eine oder mehrere Schichten von Sand oder kiesartigem Materialien zum Filtern des abfließenden Wassers, das von der Langsam-Sandfilteranlage 82 empfangen wird. Deren Betrieb ist ebenfalls gut bekannt, einschließlich des Bereitstellens einer erwünschten Höhe von abfließendem Wasser an der Oberseite der Filteranlage 82 und der erforderlichen Wartungsverfahren zur Sicherstellung eines effizienten Betriebs der Filteranlage 82, einschließlich der Entfernung der "Schmutzdecke" oder angesammeltem Material auf der Oberfläche der Schichten der Langsam-Sandfilteranlage. Die Langsam-Sandfilteranlage 82 inkorporiert jedoch wichtige Eigenschaften, um eine "semi-tragbare" Konstruktion zu erreichen. Unter Bezugnahme auf 6–8 werden mehr Details des strukturalen Aufbaus der Langsam-Sandfilteranlage 82, einschließlich Sandfiltereinheiten 114, 118, vorgestellt. In der veranschaulichten Ausführung von 1 ist mehr als eine Sandfilterungseinheit vorgesehen, obwohl es verstanden werden sollte, dass unter bestimmten Umständen nur eine Sandfilterungseinheit zum Einsatz kommen kann. Es wird bevorzugt, dass sowohl jede der zwei Sandfiltereinheiten 114, 118, als auch jede andere zusätzliche Sandfilterungseinheit strukturell dieselbe ist, und die folgende Beschreibung ist auf jede solche Einheit anzuwenden. Die Sandfiltereinheit 114 umfasst einen Filterbehälters 122, welcher ein Paar Seitenwände 134, 138, und Vorder- und Rückendwände 142, 146 hat. Jede dieser Wände ist aus einem schweißbaren Material, wie etwa Stahlmaterial, hergestellt. Die Seitenwände 134, 138 sind länger als die Endwände 142, 146, wobei die Länge der Seitenwände nicht größer als etwa 25 Fuß, und vorzugsweise nicht größer als etwa 12 Fuß ist. Die Höhe der Wände 134–146 ist nicht größer als etwa 15 Fuß, und ist vorzugsweise nicht größer als etwa 8 Fuß, und die Fläche jedes Filterbehälters ist nicht größer als etwa 200 Quadratfuß, um die semi-tragbare Eigenschaft einer jeden solchen Sandfiltereinheit zu erreichen. Es ist ebenfalls wichtig, dass die Dicke der Wände 134–146 begrenzt ist, und sie sollte nicht größer als etwa [1 Zoll] 2.54 cm, und vorzugsweise nicht größer als etwa [0,5 Zoll] 1,27 cm sein. Aufgrund dieser begrenzten Dicke beinhalten die Wände sich vertikal erstreckende Verstärkungsglieder 150 in beabstandeten Intervallen entlang der Länge der Wände 134–146. In ähnlicher Weise erstreckt sich ein sich lateral erstreckendes Versteifungsglied 154 entlang jeder Wand 134–146, nächst dem äußeren oder exponierten Ende des Filterbehälters 122. Ein Hebeansatz oder -element 158 ist an dem Filterbehälter 122 an jeder seiner vier Ecken angebracht. Jeder Hebeansatz 158 hat eine Öffnung zur Verwendung durch einen Hebemechanismus, der eingesetzt wird, um die Hebeansätze 158 zu greifen und die Sandfiltereinheit 114 dazu zu veranlassen, vom Erdboden abgehoben zu werden, zur Bewegung zu einem Transportfahrzeug hin, wie etwa ein Tieflader oder Transporter. Durch diese modulare Konstruktion können eine oder mehrere Sandfiltereinheiten für jedes besondere System vorgesehen werden, abhängig von dem Erfordernis oder der erkannten Notwendigkeit für die Fähigkeit zur langsamen Sandfilterung.
Wie aus 8 zu ersehen, befindet sich eine Anzahl von gefiltertes Wasser leitenden Röhren mit Löchern oder geschlitzten Rohren 174 über dem Boden 170 des Filterbehälters 122. In der veranschaulichten Ausführung sind die gefiltertes Wasser leitenden Röhren 174 sowohl vertikal als auch horizontal entlang der Fläche des Bodens 170 vorgesehen. Die Röhren 174 haben Löcher zur Aufnahme von gefiltertem Wasser, das von den Röhren 174 zu deren Enden, die nächst der Vorderwand 142 der Sandfiltereinheit 114 liegen, transportiert wird. Die Sandfiltereinheit 114 umfasst auch eine Plattform oder Basis 182, die den Container 122 trägt, und eine geringere Länge als die Länge der Seitenwände 134, 138 aufweist, so dass eine Lücke oder Zwischenraum 186 zwischen der Oberfläche, auf der die Plattform 182 nachfolgend positioniert wird, und der unteren Seite des Bodens 170 geschaffen wird. Eine zentrale Auslassröhre 190 ist in dem Zwischenraum 186 angeordnet und umfasst eine Anzahl von Einlassöffnungen 194, die mit den Enden der das gefilterte Wasser leitenden Röhren 174 in Verbindung stehen. Das von der Sandfiltereinheit 114 gefilterte Wasser wird von der zentralen Röhre 190 zu einer Reserveröhre 192 befördert, die eine Höhe hat, die größer ist als die Höhe des Sands in dem Filterbehälter 122, aber geringer als die Höhe des Filterbehälters 122. Dies erlaubt es, dass die Wasserhöhe in der Reserveröhre 192 größer ist als die Höhe des Sands. Die Reserveröhre 192 ist nützlich beim Transport des gefilterten Wassers zur Verteilung und erwünschten Verwendung.
In Verbindung mit der Regelung des Niveaus oder der Höhe des einfließenden Wassers, das das oberste Niveau oder die oberste Schicht von Sandmaterial in der Sandfilterungseinheit 114 überdeckt, kann eine erwünschte unter einer Anzahl von Wasserhöhen vorgesehen werden. Unter Bezugnahme auf 6 und 7 hat die Rückwand 146 eine Anzahl von in dieser ausgebildeten vertikal beabstandeten Öffnungen, wobei Kupplungen 202 um jede dieser Öffnungen herum vorgesehen sind. Jede dieser Öffnungen liegt auf einem unterschiedlichen Niveau in dem Container 122, in der Nähe seines oberen oder exponierten Endes. Jede der Öffnungen und Kupplungen 202 hat eine mit diesen assoziierte Wasserhöhenposition, die durch Verwendung der Kontrollen des Systems 20 erfühlt werden kann. Spezifisch ausgedrückt kann, für eine ausgewählte, einen beigeordneten Sensor aufweisende Öffnung, die Wasserdruckhöhe oder Wasserhöhe erhöht werden bis diese besondere Position erfühlt wird. Wenn diese erfühlt ist, ist beabsichtigt, dass kein zusätzliches einfließendes Wasser von der Sandfiltereinheit 114 empfangen werden soll. Für eine mit einer Kupplung und einer begleitenden Öffnung, die relativ höher in dem Filterbehälter 122 liegt, assoziierte Sensoreinheit kann eine größere Wasserdruckhöhe oder Wasserhöhe vorgesehen werden, verglichen mit einer Sensoreinheit, die mit einer Kupplung und einer Öffnung, die weiter entfernt von dem oberen Ende des Filterbehälters 122 liegt, assoziiert ist. Diese Wahlmöglichkeit ermöglicht es dem Betreiber, die Wasserdruckhöhe anzupassen oder zu variieren, abhängig von der Höhe des Wasserdrucks, der während einer bestimmten Betriebszeit für die Sandfiltereinheit 114 erwünscht sein könnte. Zum Beispiel kann es vorteilhaft sein, im Falle, in dem es zum Aufbau einer Schmutzdecke gekommen ist, eine Sensoreinheit zur Kontrolle der Wasserdruckhöhe oder der Wasserhöhe auszuwählen, die an einer relativ höheren Stelle entlang der Höhe der Rückwand 146 liegt, so dass ein größerer Wasserdruck zur Verwendung dafür existiert, dass gesichert wird, dass einfließendes Wasser durch die Schmutzdecke hindurch zu den unter dieser gelegenen filternden Schichten fließen kann.
Wenn sie installiert sind, werden die Filterbehälter 122 typischerweise von einer Basis getragen, die aus Holz oder Zement hergestellt sein kann, obwohl es machbar ist, dass die Plattform 182 direkt von der Bodenoberfläche an dem Installierungsort getragen wird. In einer solchen Ausführung sind die Filterbehälter gänzlich oberhalb des Bodens angeordnet und sind der umliegenden Umgebung ausgesetzt, insofern als sie nicht von dem Erdboden oder irgend einem anderen Material bedeckt oder umgeben sind. In einer verwandten Ausführung sind eine oder mehrere Sandfiltereinheiten außen angeordnet, während eine oder mehrere Sandfiltereinheiten eines bestimmten Systems 20 innen angeordnet sind. Das heißt, eine oder mehrere solcher Sandfiltereinheiten können innerhalb eines Gebäudes oder einer sonstigen Behausung liegen. Während der Monate, während der warme Temperaturen herrschen, sind sowohl die außen wie die innen liegenden Sandfiltereinheiten Teil des Denitrifizierungsprozesses. Während der kälteren Monate, wenn üblicherweise weniger Wasser verbraucht wird, kommen die außen liegenden Sandfiltereinheiten nicht zum Einsatz, und der Denitrifizierungsprozess wird nur mit den innerhalb des Gebäudes liegenden Sandfiltereinheiten fortgesetzt, so dass es nicht zu Problemen mit dem Gefrieren des Wassers kommt, während die Langsam-Sandfilteranlage 82 verwendet wird. In einer anderen Ausführung sind die außen liegenden Oberflächen der Langsam-Sandfiltereinheiten mit Isoliermaterial abgedeckt.
In Bezug auf die Herstellung und Installierung der Langsam-Sandfilteranlage 82 wird jeder Filterbehälter 122 an einem Ort hergestellt, der von dem Standort entfernt ist, an dem dieser zum Zwecke der Wasserdenitrifizierung installiert wird. Separate Stahlwände 134–146 werden hergestellt und zusammengeschweißt, um jeden Filterbehälter 122 auszubilden. Die Verstärkungsglieder und Versteifungsglieder werden ebenfalls an die inneren oder äußeren Oberflächen dieser Wände 134–146 angeschweißt. Die Plattform 182 wird mit dem Boden 170 des Behälters 122 verbunden. Die Hebeansätze 158 werden von einem Hebemechanismus gegriffen, um die Sandfiltereinheit auf dem Transportfahrzeug zu positionieren. Die Installationen oder das Rohrleitungssystem, die im Zusammenwirken oder in der Verbindung mit den anderen Komponenten des Systems verwendet werden, ebenso wie die das gefilterte Wasser transportierenden Leitungen oder Rohre können an dem Installierungsort bereitgestellt oder zusammengesetzt werden. Im Hinblick auf eine solche Installierung, wie in 9 veranschaulicht, umfasst das System 20 vorzugsweise einen Schlepper 88, um sowohl die Bioreaktoreinheiten 28, 32 wie auch die den Aufbewahrungstank 90 einschließende Vorfilteranlage 78 zu tragen. Jede dieser Komponenten wird an einem entfernten Ort hergestellt oder zusammengebaut und unter Verwendung des Schleppers 88 zu dem Einsatzort transportiert. An dem Einsatzort wird das zu denitrifizierende Wasser unter Verwendung geeigneter Rohrleitungen eingegeben.
Im Hinblick auf eine Beschreibung des Betriebs des Systems 20 wird wiederum auf 1 Bezug genommen. Im Allgemeinen wird, wie zuvor beschrieben, Brunnenwasser der Bioreaktoranlage 24 unter bestimmten, kontrollierten Bedingungen zugeführt. Zur Regelung des Betriebs des Systems wird vorzugsweise eine Kontrolltafel 214 (9) bereitgestellt, zum Gebrauch beim Betrieb der in 1 in Diagrammform dargestellten Steuerkomponenten. Wenn Rohwasser bereitgestellt wird, kann dieses entweder durch das erste Magnetventil 36 passieren, welches das Wasser dazu veranlasst, durch das Wasserdenitrifizierungssystem 20 hindurchzufließen, oder das Wasser kann durch ein drittes Magnetventil 218 umgeleitet werden, wodurch es das Wasserdenitrifizierungssystem 20 umgeht. Der Betreiber ist in der Lage zu steuern, welches der zwei Magnetventile 36, 218 in offenem Zustand ist. Wenn eines dieser zwei Ventile in offenem Zustand ist, ist das andere der zwei Ventile 36, 218 geschlossen. Der Zustand des ersten Magnetventils 36 wird zudem von dem dritten Strömungsschalter 68 gesteuert, welcher den Fluss aus der Dosierpumpe 64 kontrolliert. Wenn zu wenig verdünntes Acetat einfließt, wie unter Verwendung des dritten Strömungsschalters 68 bestimmt, wird das erste Magnetventil 36 geschlossen, basierend auf der Bestimmung, dass zu wenig Acetat für den ordnungsgemäßen Betrieb der Bioreaktoranlage 24 zugeführt wird. In ähnlicher Weise steuert der erste Strömungsschalter 40 den Betrieb der Dosierpumpe 64. Spezifisch ausgedrückt, wenn unter Verwendung des ersten Strömungsschalters 40 unzureichender Rohwasserfluss festgestellt wird, so wird die Dosierpumpe 64 automatisch auf Schließung geregelt. Der dritte Strömungsschalter 68 ist auch an der Steuerung der Transferpumpe 110 beteiligt. Das heißt, wenn der Fluss des Acetats durch den dritten Strömungsschalter 68 unzureichend ist, veranlasst dies die automatische Schließung der Transferpumpe 110.
Weitere Steuerungen sind mit der Zufuhr des Acetats verbunden. Wenn die Ladepumpe 48 angeschaltet ist, wird das zweite Magnetventil 60 so geregelt, dass es offen ist, um Wasser zur Verdünnung des Acetats, das dem Rohmaterialtank 56 zugeführt wird, zuzuführen. Der zweite Strömungsschalter 52 überwacht den Fluss des Acetats von der Ladepumpe 48. Wenn unzureichender Fluss detektiert wird, wird der zweite Strömungsschalter 52 eingesetzt, um automatisch die Ladepumpe 48 abzuschalten. Der Rohmaterialtank 56 beinhaltet einen Niveausensor, der in der Nähe des oberen Endes des Tanks 56 positioniert ist. Wenn dieser Niveausensor ein vorab bestimmtes höheres Niveau an verdünntem Acetat in dem Tank 56 detektiert, veranlasst dies die Schließung der Ladepumpe 48. Ein Niveausensor ist zudem in der Nähe des oberen Endes des Aufbewahrungstanks 90 vorgesehen. Wenn eine Wasserhöhe erreicht ist, die diesen Niveausensor dazu veranlasst, eine solche relativ hohe Höhe zu detektieren, wird das erste Magnetventil so geregelt, dass es automatisch abgeschaltet wird. Aus der Beschreibung sollte erkannt werden, dass solche Steuerungen nützlich sind, um sicherzustellen, dass angemessene Flüssigkeit, beinhaltend Wasser und Acetat, ordnungsgemäß in dem System 20 überall bereitgestellt wird.
Essentiell für den Betrieb des Systems 20 ist ein Luftreinigungsprozess, der die dichte Biofilmbeschichtung und die gleichmäßig verteilte ideale Strömung sicherstellt, indem Exzess-Biofilm oder Biomasse entfernt wird. Mit der Zeit resultiert das Wachstum des Biofilms in einer überschießenden Menge, die von den Bioreaktormedien entfernt werden muss. Eine solche Luftreinigung wird periodisch durchgeführt, wobei die Häufigkeit der Luftreinigung auf der Basis eines mit der Bioreaktoreinheit verbundenen dynamischen Druckgefälles bestimmt wird, das an der Basis oder an dem Boden der Biorektoreinheit gemessen wird. Diese Häufigkeit der Luftreinigung muss innerhalb eines kritischen Bereichs liegen, nämlich: 0 kPa [0 psig] + Verlusthöhe der reinen Reaktoreinheit (clean bed headloss) < Druck am Boden der Bioreaktoreinheit < 206,89 kPa [30 psig] + Verlusthöhe der reinen Reaktoreinheit. Wenn die Luftreinigung nicht innerhalb dieses Bereichs oder dieser Frequenz stattfindet, geht die gleichmäßig verteilte ideale Strömung verloren, und es kommt nicht zur effektiven Denitrifizierung des Wassers. Die Verlusthöhe der reinen Reaktoreinheit bezieht sich auf die Länge der Bioreaktoreinheit 32.
Im Hinblick auf den Luftreinigungsprozess selbst ist ein kritischer Bereich von Luftreinigungsfluss pro Einheit der Querschnittsfläche der Bioreaktoreinheiten 28, 32 bestimmt worden. Ein solcher Luftreinigungsfluss muss einen solchen Wert aufweisen, um die Bioreaktormedien zu fluidisieren und die Reinigung zu starten; eine solche Luftreinigung sollte jedoch nicht zuviel Biomassenmaterial entfernen und nicht die damit zusammenhängende Verzögerung des Wieder-Startens der Denitrifizierung vergrößern. Ein solcher Luftreinigungsfluss von 30.48 Standardkubik-cm pro Minute/cm² [Standardkubik-Fuß pro Minute/Fuß², SCFM/ft²] ist beschränkt innerhalb des Bereichs von: [0,5 SCFM/ft²] 1524 SCCM/cm² < Luftreinigungsfluss < 1524 SCCM/cm² 5 [Standardkubik-Fuß pro Minute/Fuß²]. Zudem wird als Teil des Luftreinigungsprozesses ein Diffusor verwendet. Dieser Luftdiffusor befindet sich am Boden jeder der Bioreaktoreinheiten 28, 32, und wird dazu verwendet, grobe Blasen, die ausreichend sind, um Exzess-Biofilm abzustreifen, zu produzieren, basierend auf einer Fraktion des charakteristischen Durchmessers der Bioreaktormedien. Der Durchmesser der Öffnung des Luftreinigungsdiffusors muss auch einem kritischen Bereich von Parametern gerecht werden, nämlich: 0,1 × d < Diffusoröffnungsdurchmesser < 1,0 × d, wobei d = charakteristischer Durchmesser der Bioreaktormedien. Wenn der Durchmesser der Diffusoröffnung geringer als der Minimalwert dieses Bereichs ist, werden keine Blasen von ausreichender Größe für das Abstreifen von Exzess-Biofilm produziert, während ein Durchmesser der Diffusoröffnung, der größer als der Maximalwert ist, in einem Mangel an erforderlicher Trennung unter den Bioreaktormedien resultiert, d. h., unangemessene oder nicht effektive Fluidisierung der Bioreaktormedien.
Bei der Durchführung des Luftreinigungsprozesses daraufhin, mit ausreichendem Wasser in der Bioreaktoreinheit, wird der Diffusor aktiviert, um Blasen mit einem Durchmesser innerhalb des kritischen Bereichs dazu zu veranlassen, sich durch die Bioreaktoreinheit nach oben zu bewegen und mit dem Exzess-Biofilm auf den Bioreaktormedien in Kontakt zu kommen. Dieser Kontakt beinhaltet eine Abstreifkraft, die dazu führt, dass Exzess-Biofilm entfernt wird. Mit der Vollendung der Luftreinigung und der Deaktivierung des Luftdiffusors wird die Flüssigkeit in der Bioreaktoreinheit abgelassen. Das Exzess-Biomassenmaterial fällt durch ein Sieb, das sich am Boden der Bioreaktoreinheit befindet. Das Sieb ist von einer Größe, die es dem Exzess-Biofilm erlaubt, durch dieses zu passieren, während die Bioreaktormedien von einer solchen Größe sind, dass das Sieb die Passage solcher Medien blockiert. Wenn dies vollendet ist, kann Wasser wieder in die Bioreaktoreinheit 32 zur Denitrifizierung eingeführt werden.
Die vorangehende Erörterung der Erfindung ist zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung präsentiert worden. Weiterhin ist es nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf die hierin offenbarte Form beschränkt sein sollte. Demzufolge liegen Variationen und Veränderungen, die kommensurabel mit den obigen Lehren sind, innerhalb der Fähigkeiten und des Wissens der relevanten Technik, im Bereich der vorliegenden Erfindung. Es ist weiterhin beabsichtigt, dass die obenstehend erörterten Ausführungen die beste Art und Weise zur praktischen Verwirklichung der Erfindung erklären, und dass es anderen, die in der Technik versiert sind, ermöglicht wird, die Erfindung als solche in solchen oder anderen Ausführungen, und mit den unterschiedlichen Abänderungen, die durch deren besondere Anwendung oder Gebrauch der Erfindung erforderlich sind, anzuwenden. Es ist beabsichtigt, dass die beiliegenden Ansprüche so ausgelegt werden sollten, dass sie alternative Ausführungen einschließen in dem Ausmaß, das der Stand der Technik erlaubt.

Claims

Verfahren zur Denitrifizierung von Wasser, wobei zumindest eine Bioreaktoreinheit (28) eingesetzt wird, die Bioreaktormedien (94) aufweist, das die Schritte aufweist: Einführen von Wasser und Kohlenstoffmaterial in die Bioreaktoreinheit, Betreiben der Bioreaktoreinheit, basierend auf einer Anzahl von ausgewählten Parametern, Kontaktieren des Biofilms mit dem Wasser, Denitrifizieren des Wassers unter Benutzung des Biofilms, und periodisches Durchführen eines Luftreinigungsprozesses, der ein Einführen von Luftblasen, die in der Bioreaktoreinheit (28) aufwärts strömen, beinhaltet, wobei ein Luftreinigungsdiffusor eingesetzt wird, Fluidisieren der Bioreaktormedien (94) mit diesen Luftblasen, wobei die Bioreaktormedien voneinander getrennt werden, und Verwenden der genannten Luftblasen, um einen Überschuss des Biofilms zu beseitigen und gleichzeitig genügend Biofilm an den Bioreaktormedien zur weiterfolgenden Benutzung beim Denitrifizieren von Wasser aufrecht zu halten und dann nach dem Luftreinigungsprozess Ablaufenlassen von Flüssigkeit aus der Bioreaktoreinheit, dadurch gekennzeichnet, dass: während dem Luftreinigungsprozess der Druck in der Nähe des Bodens der Bioreaktoreinheit zwischen 0 kPa (0 psig) + Verlusthöhe der reinen Reaktoreinheit (clean bed headloss) und 206,89 kPa (30 psig) + Verlusthöhe der reinen Reaktoreinheit liegt, wobei sich die Verlusthöhe der reinen Reaktoreinheit auf die Länge der Bioreaktoreinheit bezieht, der Luftreinigungsfluss innerhalb eines Bereichs von zwischen 15,24 Standardkubik-cm pro Minute/cm² (0,5 Standardkubik-Fuß pro Minute/Fuß²) und 152,4 Standardkubik-cm pro Minute/cm² (5 Standardkubik-Fuß pro Minute/Fuß²) ist, und wobei der Luftreinigungsdiffusor einen Öffnungsdurchmesser im Bereich von zwischen 0,1 × d und 1,0 × d hat, wobei d = der charakteristische Durchmesser der Bioreaktormedien ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die ausgewählten Parameter eine hydraulische Flächenbelastungsrate aufweisen und die hydraulische Flächenbelastungsrate größer als 1 m³/(m² × hr) und kleiner als 15 m³/(m² × hr) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Parameter eine hydraulische Flächenbelastungsrate aufweisen, die größer ist als 98,3 l(min × cm²)[04 gal/(min × ft²)] und kleiner als 1474,6 l/(min × cm²)[6 gal/(min × Fuss²)].
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Parameter eine Peclet-Zahl aufweisen, die größer als 2,8 und kleiner als 25 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Parameter eine volumetrische Nitratbelastungsrate aufweisen und die volumetrische Nitratbelastungsrate größer als 100 g/m³/Tag und kleiner als 5000 g/m³/Tag ist.