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Verfahren zur biochemischen Abwasserreinigung Das Zusammenwirken chemischer
und biologischer Reinigungskräfte ist in der Abwassertechnik bisher nach zwei Richtungen
hin bekannt und praktisch ausgewertet worden.
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Die erste Nutzanwendung besteht darin, daß man Abwässer, die der unmittelbaren
biologischen Reinigung durch Belebtschlamm oder Tropfkörper nur schwer zugänglich
sind, z. B. weil sie biologisch giftige oder schlecht abbaufähige Schmutzstoffe
enthalten, zunächst einer chemischen Behandlung unterwirft und sie erst dann, wenn
hierdurch die störenden Stoffe entfernt sind, biologisch weiterreinigt. Es handelt
sich hierbei um die vorwiegend additiv wirkende chemisch-biologische Stufenreinigung,
bei der sich die beiden Komponenten vorteilhaft und wirksam ergänzen. Sie ist im
allgemeinen dadurch gekennzeichnet, daB die chemische Reinigung bis zu ihrer Leistungsgrenze,
d. h. bis zur vollständigen Ausfällung der Schmutzstoffe, ausgenutzt und der chemisch
ausgefällte Schlamm in einem Absetzbecken entfernt wird, bevor die Restverschmutzung
auf biologischem Wege unschädlich gemacht wird. Die chemischen und biologischen
Reinigungsvorgänge verlaufen somit bei dieser Arbeitsweise, die für eine ganze
Reihe
von Industrieabwässern-empfohlen wird, räumlich und zeitlich voneinander getrennt.
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Die bei dieser Stufenreinigung gemachten Erfahrungen haben wahrscheinlich
zu der zweiten und weiteren Erkenntnis geführt, daß man durch Zusatz von Eisensalzen
zu städtischen oder ähnlichen Abwässern, die an sich sowohl chemisch gut ausfällbar
wie auch biologisch normal zu reinigen sind, deren biologische Behandlung mit Belebtschlamm
erleichtern und beschleunigen kann. Dabei wird in diesem Falle im Gegensatz zu der
oben dargelegten Stufenreinigung das Eisen meist unmittelbar in den Zulauf zur biologischen
Anlage gegeben. Zweifellos ist auch die hierbei beobachtete Mehrwirkung in der Hauptsache
auf das rein summierende Zusammenwirken der biologischen und chemischen Reinigungsvorgänge
zurückzuführen, auch wenn sie räumlich und scheinbar auch zeitlich zusammenfallen.
Das zugesetzte Eisensalz fällt nämlich primär einen Teil der Schmutzstoffe aus und
entlastet dadurch den Belebtschlamm, so daß dieser nun sekundär mit dem Abbau der
Restverschmutzung entsprechend schneller und besser fertig wird.
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Im Gegensatz zu diesen bekannten Verfahren beruht nun die vorliegende
Erfindung auf der Beobachtung, daß sich für die biologische Reinigung gewisser gewerblicher
Abflüsse oder durch solche stark beeinflußter städtischer Abwässer neuartige, reinigungstechnisch
höchst bedeutsame Möglichkeiten ergeben, wenn diese Abwässer vorher in geeigneter
Weise mit relativ geringen, in echter oder kolloider Lösung befindlichen Eisenmengen
angereichert werden.
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Rein äußerlich unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren somit
von dem bisher bekannten Stand der Technik bereits dadurch, daß es sich auf bestimmte,
sonst schwer zu reinigende gewerbliche Abwässer erstreckt. Ein weiteres, grundlegendes
Unterscheidungsmerkmal besteht darin, daß das zugegebene Eisen zumindest in kolloider
Lösung in dem zu reinigenden Abwasser vorhanden sein muß. Denn nur dann treten jene
neuartigen Wirkungen auf, die im eigentlichen Sinne des Wortes als biochemisch zu
bezeichnen und charakteristisch für den technischen Fortschritt des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind. Dabei können zwei Wirkungstypen unterschieden werden, die nachfolgend
an je einem Beispiel aufgezeigt werden.
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Als Beispiel für den ersten Reinigungstyp kann die biochemische Reinigung
von Färbereiabwasser betrachtet werden. Solche Abwässer enthalten bekanntlich große
Mengen Farbstoffe und Chemikalien, daneben aber auch gelöste organische Schmutzstoffe.
Ihre unmittelbare biologische Reinigung ist im allgemeinen nicht möglich, weil der
hohe Chemikaliengehalt die biologischen Vorgänge stört, die vorhandene organische
Verschmutzung biologisch nur schwer abbaufähig ist und weil schließlich die Farbstoffe
auf diese Weise nur ganz unvollkommen entfernt werden können. Manche dieser Abwässer
lassen sich jedoch auf dem Wege der eingangs beschriebenen, chemischbiologischen
Stufenreinigung einwandfrei behandeln. In diesem Falle werden die Farbstoffe zusammen
mit einem großen Teil der übrigen Verschmutzung mit Eisensalzen ausgeflockt und
das entfärbte und entgiftete Abwasser nach Abtrennung des ausgefällten Schlammes
biologisch weiterbehandelt.
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Es gibt nun aber eine ganze Reihe derartiger Abwässer, die chemisch
nicht oder nur mit unwirtschaftlich großen Mengen an Fällungsmitteln ausfällbar
sind. Dies hat seinen Grund darin, daß diese Abwässer Stoffe enthalten, die entweder
als Schutzkolloide wirken oder, wie z. B. Fette oder fettähnliche Substanzen, mit
dem zugesetzten Eisen lösliche Verbindungen bilden und so die Eisenausfällung verhindern.
Da solche Abwässer, wie bereits erwähnt, auch der direkten biologischen Reinigung
große Schwierigkeiten bereiten, ist die Reinigungsfrage in diesem Falle außerordentlich
erschwert.
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Hier setzt nun die Aufgabe des neuen Verfahrens ein. Man bringt erfindungsgemäß
in einem solchen Abwasser verhältnismäßig geringe Eisenmengen (etwa 3 bis 5 mg/1
Eisen auf Zoo mg/1 Kaliumpermanganatverbrauch des Abwassers haben sich im allgemeinen
als ausreichend erwiesen) in Lösung und unterwirft es ohne eine Zwischenklärung
der biologischen Reinigung, z. B. in einem Tropfkörper. Hierbei tritt nun die überraschende
Wirkung ein, daß dieses Abwasser, das weder mit Eisen ausfällbar noch der üblichen
biologischen Behandlung zugänglich ist, eine einwandfreie Reinigung erfährt. Der
Farbstoffgehalt ist meistens ganz oder praktisch vollständig beseitigt, das behandelte
Abwasser nahezu klar und fäulnisfrei.
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Die mittleren Reinigungsergebnisse eines 8wöchigen Dauerversuches
mit einem biochemisch arbeitenden Versuchstropfkörper sind aus folgenden Werten
zii entnehmen
| Zusammensetzung des Färbereiabwassers |
| ungereinigt |
| biochemisch |
| gereinigt |
| Äußeres ...........: völlig un- fast klar; |
| durchsichtig; leicht |
| stark gefärbt gelblich |
| Durchsichtigkeit ..... Z cm 15 cm |
| Kaliumpermanganat- |
| verbrauch (filtriert) . 750 mg/1 180 mg/1 |
| Biochemischer Sauer- |
| stoffbedarf (BSBS), |
| (filtriert) . . . . . . . . . . 5oo mg" 'l 50 mg/1 |
| Fäulnisfähigkeit |
| (Methylenblauprobe) r Tag 6 Tage |
| Chlor (geb.) . : .. . . . . . Z5o mgl 145 m9/1 |
| Organischer Stick- |
| stoff (N) ....... . .. ZZ ing/1 Z mg/1 |
| Ammoniak (N H,) ... Z mg1 4 mg/1 |
| Nitrate (N20.) ...... o mg/1 3m9/1 |
| Tropfkörperbelastung Z in 24 Stunden. |
Der sich hierbei abspielende Reinigungsprozeß läßt sieh wie folgt erklären: In der
ersten Wirkungsphase werden die die Fällung des Eisens verhindernden
Stoffe,
die vorwiegend o ganischer Zusammensetzung sind, von den biologischen Reinigungskräften
angegriffen und zumindest teilweise abgebaut. Dadurch verlieren sie ihre Fähigkeit,
das Eisen in Lösung zu falten. Dieses kommt infolgedessen zur Ausfällung und reißt
nun wie bei der normalen chemischen Reinigung die Farb- und sonstigen Schmutzstoffe
mit nieder. Das sich ausscheidende Eisen reichert sich dabei im biologischen Schlamm
an und wirkt dadurch katalytisch fördernd für die Ausflockung weiterer Eisenmengen.
Da durch die Fällungskraft des Eisens die biologisch störenden Substanzen, z. B.
die Farbstoffe usw., mit ausgeschieden werden, geht der biologische Abbau der noch
verbleibenden gelösten Verschmutzung rasch und reibungslos vonstatten.
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Man hat es also bei dieser Arbeitsweise, bei der regelrechte Wechselwirkungen
zwischen den chemischen und biologischen Reinigungsfaktoren stattfinden, mit einem
völlig neuartigen biochemischen Reinigungsverfahren zu tun, dessen Aufgabenbereich
da beginnt, wo die Wirkung der bekannten Verfahren, insbesondere der chemisch-biologischen
Stufenreinigung, aufhört.
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Dieses neue Verfahren kann voraussichtlich auch bei einer ganzen Reihe
anderer gewerblicher Abwässer angewandt werden. Neben farbstoffhaltigen Abwässern
dürften sich hierfür vor allem stark kolloid verschmutzte Abflüsse als geeignet
erweisen. So wurden bereits erfolgreiche Versuche mit den Abwässern einer Strohpappefabrik
und einer Altmaterial verarbeitenden Papierfabrik durchgeführt.
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Der zweite Arbeitstyp der erfindungsgemäßen biochemischen Behandlung
erstreckt sich auf organische gewerbliche Abwässer mit überwiegend gelöster Verschmutzung.
Hierzu sind insbesondere die Abwässer der Nahrungs- und Genußmittelindustrie, z.
B. von Zuckerfabriken, Konservenfabriken, Molkereien u. a., zu rechnen, deren biologische
Reinigung im allgemeinen nur unbefriedigende Ergebnisse liefert.
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Als besonders geeignetes Versuchsobjekt für die biochemische Reinigung
wurden Zuckerfabrikabwässer benutzt. Diese sind dafür bekannt, daß ihre Behandlung
auf normalem biologischen Wege auf erhebliche Schwierigkeiten stößt, einmal, weil
ihre Schmutzstoffe offenbar biologisch schwer angreifbar sind und zum anderen, weil
sie infolge ihrer einseitigen Zusammensetzung Anlaß zu gewissen biologischen Entartungserscheinungen
geben. So besteht bei der Belebtschlammbehandlung die Gefahr der Blähschlammbildung,
die oft in kurzer Zeit eine völlige Lahmlegung der Reinigungsanlage zur Folge haben
kann. Beim Tropfkörper kann es zu so starken Wucherungen des Abwasserpilzes Sphaerotilus
kommen, daß die Körper regelrecht zuwachsen und dadurch wirkungslos werden.
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Hier führt die biochemische Reinigung wiederum zii überraschenden
Ergebnissen. Reichert man Zuckerfabrikabwasser mit gelöstem Eisen in dem obenerwähnten
Umfange an und schickt -es über einen Tropfkörper, so erzielt man selbst bei hoher
Belastung eine vollständige und gleichmäßige Reinigung, ohne daß irgendwelche Schwierigkeiten
auftreten. 2monatige Dauerversuche hatten im :Mittel folgendes Ergebnis: Zusammensetzung
des Zuckerfabrikabwassers
| (Mittelwerte) |
| ungereinigt biochemisch |
| gereinigt |
| Äußeres ............ undurch- fast klar |
| sichtig, und farblos |
| trübe |
| Durchsichtigkeit ....... 6 cm 25 cm |
| Kaliumpermanganat- |
| verbrauch (filtriert). . 450 mg/1 90 mg/1 |
| Biochemischer Sauer- |
| stoffbedarf (BSBS, |
| filtriert) . . . . . . . . . . 250 mg/1 25 mg/1 |
| Chlor (geb.) . . . ... . . . 6o mg/1 6o mg/1 |
| Organischer Stick- |
| stoff (N) . . .. ... . . ii mg/1 1,3 mg/1 |
| Ammoniak (N H3) .... 3 mg/1 o mg/1 |
| Tropfkörperbelastung 2 : i in 24 Stunden. |
Das Zustandekommen dieser Reinigungswirkung ist auf folgende Weise zu erklären:
Auch in dieseln Falle werden zunächst die Stoffe, die, wie z. B. gewisse Säuren,
das Eisen in Lösung 'halten, biologisch abgebaut. Das nun zwangsläufig sich ausscheidende
Eisen kann zwar keine chemische Fällung tätigen, da fällbare Stoffe in solchen Abwässern
kaum vorhanden sind; dafür tritt aber eine andere, reinigungstechnisch nicht minder
wichtige Wirkung ein: Das Eisen lagert sich nämlich in die biologische Substanz
des Tropfkörpers ein, ja beteiligt sich geradezu am Aufbau und am Wachstum des biologischen
Rasens und trägt so zur Bildung eines schon an seiner ocker-' braunen Färbung auffallenden,
hochaktiven Schlammes bei. Im mikroskopischen Bild zeigt dieser Schlamm, als äußeres
Zeichen seiner erhöhten Reinigungskraft, eine ungleich reichere und vielgestaltigere
Kleinlebewelt als der Schlamm normaler biologischer Körper.
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Bei dieser zweiten Art der biochemischen Reinigung ist somit das Eisen
in doppelter Weise in die biologischen Vorgänge eingeschaltet. Erstens bildet es,
nachdem es biochemisch zur-Ausscheidung gekommen ist, offenbar eine Art biologische
Grundsubstanz, in der die Kleinlebewelt selbst bei der einseitigen Nährstoffgrundlage
der Zuckerfabrikabwässer in üppigster Weise gedeiht, wobei das Eisen u. a. vielleicht
die Rolle eines Sauerstoffüberträgers spielt. Zweitens reguliert dieses das Wachstum
und die Struktur der biologischen Substanz, so daß es auch bei stärkster Beanspruchung
im Dauerbetrieb weder zu einer Überhandnahme der Abwasserpilze noch zu sonstigen
Entartungserscheinungen kommt.
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Dank dieser Eigenart der biochemischen Reinigung biologisch aktive
Substanz zu bilden und leistungsfähig zu erhalten, erscheint ihre Anwendung auch
bei der Aufbereitung stark verdünnten Flußwassers aussichtsreich, bei dem der Schmutzgehalt
vielfach so gering ist, daß er zur Entwicklung des notwendigen biologischen Schlammes
nicht ausreicht.
In allen Fällen der biochemischen Abwasserbehandlung
kommt der Art des Eisenzusatzes besondere Bedeutung zu. Es liegt in der Natur des
neuen Verfahrens, daß das Eisen in möglichst neutraler, biologisch günstiger Form
zugegeben wird. Die bisher bei der chemischen Fällung meist angewandte Zugabe von
Eisensalzen ist hierfür wenig geeignet, da hierbei erhebliche Säuremengen ins Abwasser
gelangen. Dagegen hat sich die unmittelbare Beeisenung des Abwassers durch innigen
Kontakt mit metallischem Eisen bestens bewährt. Besonders bei den organischen und
leicht säuernden, meist sogar sauer reagierenden Abwässern der Nahrungsmittelindustrie
wird diese geradezu zur Bedingung, weil der Zusatz saurer Eisensalze in diesem Falle
biologisch höchst bedenkliche Folgen hätte. Andererseits ist hierbei die direkte
Beeisenung außerordentlich vereinfacht, weil die Säuren dieser Abwässer erfahrungsgemäß
metallisches Eisen leicht in Lösung bringen. Auch ein Zusatz von Kohlensäure oder
kohlensäurehaltigen Gasen kann der Eisenauflösung förderlich sein.
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Die praktische Durchführung der biochemischen Abwasserreinigung, und
zwar im Sinne der zuletzt beschriebenen Wirkungsweise und mit metallischer Beeisenung
soll nachfolgend am Beispiel von Molkereiabwasser beschrieben werden.
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Die hierzu erforderlichen Anlagen sind der Zeichnung zu entnehmen.
Das Abwasser sammelt sich in einem die Tagesabwassermenge fassenden, trichterförmigen
Sammelbecken A, das gleichzeitig als Beeisenungsanlage dient und zu diesem Zweck
mit einer Umwälzvorrichtung a versehen ist. Diesem Becken angefügt ist eine kleine
Pumpvorrichtung B, mittels der das mit gelöstem Eisen angereicherte Abwasser auf
einen Tropfkörper C gepumpt wird. Der aus dem Tropfkörper ausgespülte Schlamm wird
in einem kleinen, zweckmäßig trichterförmig ausgebildeten Nachklärbecken D zurückgehalten.
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Der Betrieb dieser Anlage gestaltet sich folgendermaßen: Während der
Betriebsstunden der Molkerei läuft das anfallende Abwasser zum Sammelbecken A, das
nach Einstellung des Molkereibetriebes, meist um die Mittagszeit, nahezu gefüllt
ist. Nun wird, nachdem eine bestimmte Menge Eisenspäne in das Sammelbecken eingeschüttet
ist, die Umwälzmaschine a eingeschaltet. .Nach etwa 2o bis 30 Minuten langem
ist die zur Erreichung des biochemischen Effektes notwendige Eisenmenge in Lösung
gegangen. Dann wird der Mischer abgestellt, das überschüssige metallische Eisen
einige Minuten absetzen gelassen und nun die Pumpe zum Tropfkörper eingeschaltet.
Dabei soll die Leistung der Pumpe so geregelt werden, daß das Tagesquantum in etwa
12 bis 15 Stunden über den Tropfkörper gepumpt wird. Dann ist das Sammelbecken morgens
bei Betriebsbeginn der Molkerei leer und kann wieder mit neuem Abwasser beschickt
werden.
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Die Reinigungswirkung einer solchen Molkereikläranlage geht aus folgenden
Untersuchungsergebnissen hervor, die wiederum die Mittelwerte einer 2monatigen Versuchsreihe
darstellen:
| Zusammensetzung des Molkereiabwassers |
| ungereinigt biochemisch |
| gereinigt |
| Äußeres ............ undurch- klar und |
| sichtig, farblos |
| stark milchig mit leichter |
| getrübt Opaleszenz |
| Durchsichtigkeit ...... 3 cm 24 cm |
| px-Wert ............ 6,o 7,2 |
| Kaliumpermanganat- |
| verbrauch (filtriert) . i ioo mg/1 50 mg/1 |
| Biochemischer Sauer- |
| stoffbedarf (BSBS, |
| filtriert) . . . . . . . . . . 900 mg/' 35 mg/1 |
| Tropfkörperbelastung: 2:i in 24 Stunden. |
Bei diesen Versuchen ist die durch den biochemischen Effekt erreichte Mehrleistung
besonders in die Augen springend. Die Abbauleistung des Tropfkörpers liegt hierbei
um ein Mehrfaches höher als bei Tropfkörperanlagen mit normalem häuslichem Abwasser,
und dabei ist Molkereiabwasser der biologischen Behandlung sonst nur schwer zugänglich.