Beschreibungdescription
Verfahren zur Reinigung von Abwasser durch Kombination einer von Wasserstoffperoxid unterstützten Oxidation mit einem MembrantrennverfahrenProcess for the purification of waste water by combining oxidation supported by hydrogen peroxide with a membrane separation process
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur oxidativen Behandlung von Wasser enthaltend organische Verbindungen, bei dem man das Wasser mit einem Reagens enthaltend Wasserstoffperoxid und gelöste Eisen- oder Titanionen vermischt.The invention relates to a process for the oxidative treatment of water containing organic compounds, in which the water is mixed with a reagent containing hydrogen peroxide and dissolved iron or titanium ions.
Verfahren der genannten Art sind bekannt, beispielsweise aus der DE 4134003 A1 (D1 ) und aus der 4026831 A1 (D2). D1 offenbart ein Verfahren zur chemisch - oxidativen Reinigung von Abwasser mittels Fentons Reagens durch Einwirkung von Wasserstoffperoxid und Eisen (II) - Verbindungen im sauren Bereich und nachfolgender Ausfällung der Eisen (III) - Verbindungen im schwach sauren bis alkalischen Bereich. Dabei werden die Eisenionen ausgefällt, abfiltriert und in Schwefelsäure gelöst. Vor der Rückführung in den Prozeß wird Fe(lll) elektrochemisch oder chemisch (S02, Sulfite) zu Fe(ll) reduziert.Methods of the type mentioned are known, for example from DE 4134003 A1 (D1) and from 4026831 A1 (D2). D1 discloses a process for the chemical-oxidative purification of waste water by means of Fenton's reagent by the action of hydrogen peroxide and iron (II) compounds in the acidic range and subsequent precipitation of the iron (III) compounds in the slightly acidic to alkaline range. The iron ions are precipitated, filtered off and dissolved in sulfuric acid. Before being returned to the process, Fe (III) is reduced electrochemically or chemically (SO 2 , sulfites) to Fe (II).
Im Verfahren entsprechend D2 wird die Fentons Oxidation durch die Zugabe von frischem Fe(III) - Salz durchgeführt.In the process corresponding to D2, the Fentons oxidation is carried out by adding fresh Fe (III) salt.
Einer größeren Verbreitung der Fentons Oxidation standen bisher vor allem die großen Einsatzmengen an Eisensalzen und die damit verbundenen hohen Kosten für die Entsorgung bzw. Aufbereitung des bei der Ausfällung anfallenden Eisenschlamms entgegen. Zusätzlich erschwert wird die Entsorgung b.zw. Aufbereitung dieses sogenannten Fenton - Schlamms durch dessen Gehalt an organischen und anorganischen Verunreinigungen.Up to now, the widespread use of iron salts and the associated high costs for the disposal or treatment of the iron sludge resulting from the precipitation have stood in the way of a greater spread of Fenton's oxidation. Disposal is made even more difficult Treatment of this so-called Fenton sludge through its content of organic and inorganic contaminants.
Weiter offenbart EP 0 806 398 A1 (D3) ein Verfahren zur Reinigung von Abwasser, bei dem eine Membranfiltereinrichtung - vorzugsweise eineFurthermore, EP 0 806 398 A1 (D3) discloses a method for cleaning waste water, in which a membrane filter device - preferably one
Nanofiltrationseinrichtung - zur Abtrennung der Abwasserinhaltsstoffe eingesetzt wird. Der Retentatstrom wird zur Aufkonzentration der Abwasserinhaltstoffe im
2Nanofiltration device - used to separate the waste water constituents. The retentate stream is used to concentrate the waste water components in the 2
Kreislauf zurückgeführt. Die Möglichkeit des Abbaus der Abwasserinhaltsstoffe mittels Fentons Reagens wird nicht erwähnt.Cycle returned. The possibility of the wastewater constituents being broken down using Fenton's reagent is not mentioned.
Vor diesem Stand der Technick lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren zu verbessern bzw. zu vereinfachen.In view of this prior art, the object of the invention was to improve or simplify the method mentioned at the outset.
Es wurde nun überraschend gefunden, daß man diese Aufgabe dadurch lösen kann, daß man die Mischung über eine Membrantrennstufe leitet, in der man der Mischung ein Permeat als behandeltes Abwasser entzieht.It has now surprisingly been found that this object can be achieved by passing the mixture through a membrane separation stage in which a permeate is removed from the mixture as treated waste water.
Dies ist insofern nicht naheliegend, als der Fachmann nicht erwarten würde, daß eine Rückführung des „verbrauchten" Fentons Reagens den oxidativen Abbau der organischen Verbindungen dauerhaft unterstützen würde, und er außerdem aus D1 die Lehre zieht, daß vor einer Rückführung der Mischung eine Reduktion des Fe(lll) zu Fe(ll) bzw. eine Fällung erforderlich ist.This is not obvious insofar as the person skilled in the art would not expect that recycling the "used" Fentons reagent would permanently support the oxidative degradation of the organic compounds, and he also learned from D1 that before recycling the mixture a reduction in the Fe (III) to Fe (II) or precipitation is required.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur oxidativen Behandlung von Wasser enthaltend organische Verbindungen, bei dem man das Wasser mit einem Reagens enthaltend Wasserstoffperoxid und gelöste Eisen- oder Titanionen vermischt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mischung über eine Membrantrennstufe leitet, in der man der Mischung ein Permeat als behandeltes Abwasser entzieht.The invention therefore relates to a process for the oxidative treatment of water containing organic compounds, in which the water is mixed with a reagent containing hydrogen peroxide and dissolved iron or titanium ions, characterized in that the mixture is passed through a membrane separation stage in which the Mixture deprives a permeate as treated wastewater.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Es können auch einzelne oder mehrere der in den Unteransprüchen offenbarten Ausgestaltungen jeweils für sich oder in Kombination Lösungen der zugrundeliegenden Aufgabe darstellen und es sind auch die einzelnen Merkmale innerhalb der Anspruchskategorien beliebig kombinierbar.Preferred embodiments result from the subclaims. It is also possible for one or more of the configurations disclosed in the subclaims to provide solutions to the underlying problem, either individually or in combination, and the individual features within the claim categories can also be combined as desired.
Die oxidative Behandlung wird bevorzugt bei pH - Werten von 2 bis 3, bei Temperaturen von 5 bis 100 °C, besonders bevorzugt 40 bis 60 °C und bei Drücken von 1 bis 51 bar (abs) durchgeführt.The oxidative treatment is preferably carried out at pH values from 2 to 3, at temperatures from 5 to 100 ° C., particularly preferably 40 to 60 ° C. and at pressures from 1 to 51 bar (abs).
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Vermischung des Wassers mit dem Reagens in einem Behälter durchführt, daß man
3 die Mischung aus dem Behälter abzieht und der Membrantrennstufe zuführt und daß man das Retentat der Membrantrennstufe ganz oder teilweise in den Behälter zurückführt.A preferred embodiment is characterized in that the mixing of the water with the reagent is carried out in a container in that 3 withdraws the mixture from the container and feeds the membrane separation stage and that the retentate of the membrane separation stage is wholly or partly returned to the container.
Bei der Zuführung der Mischung vom Behälter in die Membrantrennstufe kann die Verweilzeit zum Schutz der Membran so bemessen sein, daß sich dasWhen the mixture is fed from the container into the membrane separation stage, the dwell time for protecting the membrane can be such that the
Wasserstoffperoxid vor dem Erreichen der Membrantrennstufe zersetzt hat. Um zu verhindern, daß Wasserstoffperoxid aus der Reaktionslösung der Fentons Oxidation eine Kunststoffmembran schädigt, kann das Wasserstoffperoxid nach dem Behälter katalytisch zersetzt werden. Als Katalysatoren eignen sich insbesondere Metailoxidlegierungen und Edelmetalle auf Trägern. Bei Verwendung chemisch beständiger Membranen kann auf eine katalytische Zersetzung von H2O2 verzichtet werden.Has decomposed hydrogen peroxide before reaching the membrane separation stage. In order to prevent hydrogen peroxide from the reaction solution of the Fentons oxidation damaging a plastic membrane, the hydrogen peroxide can be catalytically decomposed after the container. Metal oxide alloys and noble metals on supports are particularly suitable as catalysts. If chemically resistant membranes are used, catalytic decomposition of H 2 O 2 can be dispensed with.
Die verwendeten Membranen haben vorzugsweise eine Trenngrenze, die größer als 100 und kleiner als 1000 g/mol ist, vorzugsweise liegt sie zwischen 200 und 500 g/mol, gemessen nach dem Verfahren R. Rautenbach, A. Gröschl, veröffentlicht in Separation Potential on Nanofiltration Membranes Desalination 77 (1990). Als Membraπmaterialien eignen sich Polymere oder keramische Werkstoffe, vorzugsweise Polysulfon, Polyethersulfon, modifizierte Polyamide oder Aluminiumoxid, Zirkoπoxid oder Siliziumcarbid.The membranes used preferably have a separation limit which is greater than 100 and less than 1000 g / mol, preferably it is between 200 and 500 g / mol, measured by the method R. Rautenbach, A. Gröschl, published in Separation Potential on Nanofiltration Membranes Desalination 77 (1990). Suitable membrane materials are polymers or ceramic materials, preferably polysulfone, polyether sulfone, modified polyamides or aluminum oxide, zirconium oxide or silicon carbide.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können unter anderem das Fe(ll) und Fe(lll) in Lösung gehalten und als Konzentrat direkt zurückgeführt werden. Außerdem kann das Fe(ll)/Fe(lll) kontinuierlich aus dem Abwasser zurückgewonnen und rückgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise durchgeführt werden ohne daß man die Mischung vor der Membrantrennung einer Fällung oder einer Reduktion des Fe(lll) zu Fe(ll) unterzieht.In the process according to the invention, among other things, the Fe (II) and Fe (III) can be kept in solution and returned directly as a concentrate. In addition, the Fe (II) / Fe (III) can be continuously recovered from the waste water and recycled. The process according to the invention can preferably be carried out without subjecting the mixture to precipitation or reduction of the Fe (III) to Fe (II) prior to membrane separation.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im wesentlichen die Reduzierung der abwasserspezifischen Menge an Metallsalzen und damit des zu entsorgenden Metallschlamms durch Rückgewinnung des Eisens, die Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute des chemischen Reaktors durch Rückführung nicht
4 umgesetzter Abwasserinhaltsstoffe, und die zuverlässige Verminderung problematischer Abwasserinhaltsstoffe durch chemische Umwandlung in biologisch abbaubare Komponenten.The advantages of the method according to the invention are essentially the reduction of the wastewater-specific amount of metal salts and thus the metal sludge to be disposed of by recovering the iron, and the increase in the space-time yield of the chemical reactor by recycling not 4 implemented wastewater constituents, and the reliable reduction of problematic wastewater constituents by chemical conversion into biodegradable components.
Überraschenderweise zeigte sich, daß die kontinuierlich zurückgeführten oxidierten bzw. „verbrauchten" Eisensalze die Fentons Reaktion dauerhaft aufrechterhalten und daß Raum-Zeit-Ausbeute um den Faktor 10-15 gesteigert werden kann.Surprisingly, it was found that the continuously recycled oxidized or “used” iron salts permanently maintain the Fentons reaction and that the space-time yield can be increased by a factor of 10-15.
Im folgenden wird eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben. Eine Beschränkung der Erfindung in irgendeiner Weise ist dadurch nicht beabsichtigt.An exemplary embodiment of the invention is described in more detail below with reference to FIGS. 1 and 2. It is not intended to limit the invention in any way.
Es zeigtIt shows
Fig.1 : ein Verfahrensfließbild einer ersten besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig.2: ein Verfahrensfließbild einer zweiten besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.1: a process flow diagram of a first particular embodiment of the method according to the invention; 2 shows a process flow diagram of a second special embodiment of the method according to the invention.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 1 ) wird in einen Reaktor 1 Abwasser cAOχ, Wasserstoffperoxid cH2o2 und Fe(ll) - Lösung cFβ (Eisensalz) vermischt und mittels einer Pumpe 2 über einen Katalysator 3 einer nachgeschalteten Membrantrennuπg 4 zum Rückhalt der Eisenionen zugeführt. Nach der Membrantrennung 4, die eine zusätzliche Reinigung des Abwassers ermöglicht, wird das Retentat 5, das an Eisenionen und nicht ausreichend oxidierten organischen Verbindungen (Abwasserinhaltsstoffen) angereichert ist, in den Reaktor 1 zur weiteren Oxidation zurückgeführt. Sofern notwendig kann zur Verhinderung einer Akkumulation von Ionen oder schwer oxidierbaren Verbindungen an einer beliebigen Stelle des Verfahrenskreislaufs die Ausschieusung eines Teilstroms erfolgen. Ein Permeat 6 verläßt als behandeltes Abwasser die Membrantrennung 4.According to the inventive method (Fig. 1) 1 wastewater c AO χ, hydrogen peroxide c H2 o2 and Fe (II) solution c Fβ (iron salt) is mixed in a reactor and by means of a pump 2 via a catalyst 3 to a downstream membrane separation 4 Retention of iron ions supplied. After membrane separation 4, which enables an additional purification of the waste water, the retentate 5, which is enriched in iron ions and insufficiently oxidized organic compounds (waste water constituents), is returned to the reactor 1 for further oxidation. If necessary, in order to prevent accumulation of ions or compounds that are difficult to oxidize, a partial flow can be discharged at any point in the process cycle. A permeate 6 leaves the membrane separation 4 as treated waste water.
Die direkte Einspeisung des Abwassers in den Reaktor 1 zur Oxidation, wie in Fig. 1 dargestellt, ist besonders für hochkonzentrierte Abwässer geeignet. Für verdünnte
5 Abwässer empfiehlt sich als weitere Ausführungsform die direkte Einspeisung des Abwassers in die Membrantrennung.The direct feeding of the waste water into the reactor 1 for oxidation, as shown in Fig. 1, is particularly suitable for highly concentrated waste water. For diluted 5 Waste water is recommended as a further embodiment, the direct feeding of the waste water into the membrane separation.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (Fig. 2) wird das Wasserstoffperoxid mit dem Retentat in einem Mischer 7 vermischt und dem Reaktor 1 zugeführt.In a further embodiment of the invention (FIG. 2), the hydrogen peroxide is mixed with the retentate in a mixer 7 and fed to the reactor 1.
Im folgenden wird die Erfindung anhand durchgeführter Versuche und numerischer Simulation weiter erläutert.In the following, the invention is further explained on the basis of tests carried out and numerical simulation.
BeispieleExamples
Diskontinuierlicher VersuchDiscontinuous attempt
Als Modellabwasser wurde eine wäßrige Lösung von 4-Chlorphenol mit einem CSB=9,65 g/l (chemischer Sauerstoffbedarf) und einem AOX = 1 ,66 g/l (adsorbierbare organische Halogenkohlenwasserstoffe) eingesetzt. Der pH-Wert dieses Abwassers war durch konzentrierte Schwefelsäure auf pH=2 eingestellt. Nachdem das Eisensalz (FeSO4 fest) im Modellabwasser gelöst war, wurde das H202 innerhalb von 15 Minuten zugetropft, wobei die Temperatur bis auf 52 C anstieg. Es wurde soviel H2O2 zudosiert, daß der Anteil des Aktivsauerstoffs 100 % war. Das heißt die Menge an Oxidationsmittel H2O2 reicht theoretisch aus, um den anfänglichen CSB vollständig abzubauen. Die Menge an Salz wurde so gewählt, daß das Verhältnis Fe:H2O2 = 1 :10 war. Anschließend wurde 90 Minuten nach- gerührt bis die Temperatur nahezu auf Raumtemperatur gesunken war. Die Analyse des behandelten Abwassers ergab einen CSB = 2,41 g/l und einen AOX = 0,13 g/l. Das entspricht einer CSB-Verringerung um 75 % und einer AOX-Verminderung um 92 %.An aqueous solution of 4-chlorophenol with a COD = 9.65 g / l (chemical oxygen demand) and an AOX = 1.66 g / l (adsorbable organic halogenated hydrocarbons) was used as model wastewater. The pH of this wastewater was adjusted to pH = 2 by concentrated sulfuric acid. After the iron salt (FeSO 4 solid) had dissolved in the model wastewater, the H 2 0 2 was added dropwise within 15 minutes, the temperature rising to 52 ° C. So much H 2 O 2 was metered in that the proportion of active oxygen was 100%. This means that the amount of oxidizing agent H 2 O 2 is theoretically sufficient to completely degrade the initial COD. The amount of salt was chosen so that the ratio Fe: H 2 O 2 = 1:10. The mixture was then stirred for 90 minutes until the temperature had almost dropped to room temperature. Analysis of the treated waste water showed a COD = 2.41 g / l and an AOX = 0.13 g / l. This corresponds to a COD reduction of 75% and an AOX reduction of 92%.
In der zweiten Stufe erfolgte eine Aufbereitung des oxidativ behandelten Modellabwassers durch das Membrantrennverfahren Nanofiltration. Die Nanofiltration ist, wie die Umkehrosmose und die Ultrafiltration, ein druckgetriebenes Membranverfahren zur Aufarbeitung wäßriger Lösungen bis in den molekularen Bereich und läßt sich hinsichtlich Betriebsdruck (5-30 bar) und
6 molekularer Trenngrenze (200-500 g/mol) zwischen diesen Verfahren einordnen. Zur Charakterisierung der prinzipiellen Eignung des Verfahrens wurden zunächst 2 verschiedene Nanofiitrationsmembraπen in einer Flachkanal-Testzelle mit einer effektiven Membraπfläche von Amβm = 80 cm2 untersucht.In the second stage, the oxidatively treated model wastewater was treated by the membrane separation process nanofiltration. Like reverse osmosis and ultrafiltration, nanofiltration is a pressure-driven membrane process for working up aqueous solutions down to the molecular range and can be used with regard to operating pressure (5-30 bar) and Place a 6 molecular separation limit (200-500 g / mol) between these processes. To characterize the principle suitability of the method, two different nanofiitration membranes were first examined in a flat channel test cell with an effective membrane area of A m β m = 80 cm 2 .
Der Versuch zeigte, daß eine selektive Abtrennung der katalytisch wirkenden Eisenionen aus dem Abwasser mit vernünftigen Permeatflüssen möglich ist. Die Analyse des Abwassers nach der Membranstufe ergab im Falle des Einsatzes der Membran A (Treπngrenze ca. 300 g/mol) etwa einen CSB = 0,3 g/l und einen AOX=0,03 g/l und für die Membran B (Trenngrenze ca. 200 g/mol) einen CSB=0,2 g/l und einen AOX = 0,03 g/l. Die entspricht CSB-Verringerungen von etwa 90 % in der Membranstufe bzw. 98 % für den Gesamtprozeß. Die AOX-Verringerung beträgt für die Membranstufe etwa 75 % und für den Gesamtprozeß 98 %. Der Eisengehalt nach der Membran ist mit 4 mg/l (B) bzw. 8 mg/l (A) sehr gering. Der Eisenrückhalt ist also in beiden Fällen höher als 99 %.The experiment showed that a selective separation of the catalytically active iron ions from the wastewater is possible with reasonable permeate flows. The analysis of the wastewater after the membrane stage resulted in the use of membrane A (approx. 300 g / mol) approx. One COD = 0.3 g / l and one AOX = 0.03 g / l and for membrane B ( Separation limit approx. 200 g / mol) a COD = 0.2 g / l and an AOX = 0.03 g / l. This corresponds to COD reductions of around 90% in the membrane stage or 98% for the overall process. The AOX reduction is about 75% for the membrane stage and 98% for the overall process. The iron content after the membrane is very low at 4 mg / l (B) and 8 mg / l (A). The iron retention is higher than 99% in both cases.
Kontinuierlicher VersuchContinuous attempt
Die Versuchsanordnung bestand im wesentlichen aus einem temperierten, doppelwandigen Glasbehälter (3 I), einer Nanofiltrationsapparatur mit einer Flachkanal-Testzelle (effektive Membranfläche Amem = 80 cm2) und einem statischen Mischer (Fig. 2).The test arrangement essentially consisted of a tempered, double-walled glass container (3 l), a nanofiltration apparatus with a flat channel test cell (effective membrane area A mem = 80 cm 2 ) and a static mixer (FIG. 2).
Analog dem diskontinuierlichen Versuch wurde ein Modellabwasser aus einer wäßrigen Lösung von 4-Chlorphenol (6,25 g/l) mit einem CSB = 10 g/l und einem AOX= 1 ,72 g/l eingesetzt. Zu Beginn der kontinuierlichen Versuche wurden 2 I des bereits weitestgehend abreagierten Modellabwassers vorgelegt. Dieses Abwasser wurde durch konzentrierte Schwefelsäure auf pH = 2 eingestellt. Nachdem das Eisensalz (10,58 g/l FeSO4) im Modellabwasser gelöst war, wurden 42,5 g H2O2- Lösung (50 Gew.%) langsam zugegeben, wobei die Temperatur durch die Oxidationsreaktion auf 40 C anstieg. Die Menge an H2O2 entspricht einem Anteil des Aktivsauerstoffs von 100 %, d.h. das H2O2 reicht theoretisch aus, um den anfänglichen CSB vollständig abzubauen. Die Menge an Salz wurde so gewählt,
7 daß das Verhältnis Fe:H2O2 = 1 :10 war. Die Analyse des behandelten Abwassers ergab einen CSB = 1 ,3 g/l und einen AOX = 0,027 g/l. Das entspricht einer anfänglichen CSB-Verringerung um 87 % und einer AOX-Verminderung um 98,4 % (diskontinuierlicher Reaktor).Analogous to the discontinuous test, model wastewater from an aqueous solution of 4-chlorophenol (6.25 g / l) with a COD = 10 g / l and an AOX = 1.72 g / l was used. At the start of the continuous tests, 2 liters of the model wastewater that had already largely reacted were submitted. This waste water was adjusted to pH = 2 by concentrated sulfuric acid. After the iron salt (10.58 g / l FeSO 4 ) had dissolved in the model wastewater, 42.5 g H 2 O 2 solution (50% by weight) was slowly added, the temperature rising to 40 ° C. as a result of the oxidation reaction. The amount of H 2 O 2 corresponds to 100% of the active oxygen, ie the H 2 O 2 is theoretically sufficient to completely degrade the initial COD. The amount of salt was chosen 7 that the ratio Fe: H 2 O 2 = 1:10. The analysis of the treated wastewater showed a COD = 1.3 g / l and an AOX = 0.027 g / l. This corresponds to an initial COD reduction of 87% and an AOX reduction of 98.4% (batch reactor).
Nach Inbetriebnahme der Versuchsanordnung mit der vorgelegten Abwassermenge und einer mehrstündigen Konditionierung der eingesetzten Nanofiltrationsmembran C (Trenngrenze ca. 200-300 g/mol) ergab sich ein Permeatfluß von 39,5 l/m2h. Anschließend wurden die Versuche durch kontinuierliche Zugabe von Modeliabwasser und H2O2 fortgesetzt. Die Dosierung erfolgte volumenkonstant, d.h. es wurde jeweils die dem Permeatstrom entsprechende AbwassermengeAfter the test set-up was put into operation with the amount of wastewater presented and the nanofiltration membrane C (separation limit approx. 200-300 g / mol) was conditioned for several hours, the permeate flow was 39.5 l / m 2 h. The experiments were then continued by continuously adding model wastewater and H 2 O 2 . The metering was carried out at constant volume, ie the amount of waste water corresponding to the permeate flow was determined
(0,32-0,24l/h) nachgeführt, ein Seitenstrom wurde nicht entnommen. Insgesamt wurden 5,6 I Modellabwasser mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgearbeitet.(0.32-0.24 l / h), a side stream was not removed. A total of 5.6 liters of model wastewater were processed using the method according to the invention.
Die Ergebnisse des Versuchs (Tabelle 1 ) zeigen, daß durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens eine effiziente Aufarbeitung von Abwässern mit biologisch schwer abbaubaren oder bakterientoxischen Wasserinhaltstoffen mit AOX-Elimiπationsraten über 99,5 % und CSB-Eliminationsraten über 98 % möglich sind.The results of the experiment (Table 1) show that by using the method according to the invention, efficient treatment of waste water with water constituents that are difficult to biodegrade or toxic to bacteria with AOX elimination rates over 99.5% and COD elimination rates over 98% are possible.
Die Abbauraten im Kreislauf liegen im stationären Zustand erwartungsgemäß deutlich unter den Werten der frachtenbezogenen Abbauraten. Während letztere wesentlich durch den Anfangszustaπd des ausreagierteπ Abwassers bestimmt werden, führt im stationären Zustand die selektive Trennung der Nanofiltration zu einer Erhöhung der AOX- und CSB-Konzentration im Kreislauf und damit zu einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit im System bzw. höheren Raum-Zeit-Ausbeute des Reaktors.The steady-state degradation rates in the circuit are, as expected, well below the values of the freight-related degradation rates. While the latter are essentially determined by the initial state of the fully reacted wastewater, in the steady state the selective separation of the nanofiltration leads to an increase in the AOX and COD concentration in the circuit and thus to a higher reaction rate in the system and a higher space-time yield Reactor.
Durch das Eisen-Rückhaltevermögen der Membran kann die abwasserspezifische Einsatzmenge des Eisensalzes je nach Selektivität zwischen 90 % und 98 % reduziert werden. In den Versuchen betrug das Eisen-Rückhaltevermögen der Membranen im Mittel 95 %.The iron retention capacity of the membrane means that the wastewater-specific amount of iron salt used can be reduced between 90% and 98% depending on the selectivity. The iron retention capacity of the membranes was 95% on average in the tests.
Exemplarische numerische Simulation
8Exemplary numerical simulation 8th
Eine exemplarische Abschätzung der zu erwartenden Leistungscharakteristik des erfindungsgemäßen Verfahrens kann unter Annahme idealisierender Bedingungen numerisch erfolgen. Die Fig. 3 und 4 zeigen Ergebnisse der Simulationsrechnungen einer Oxidationsreaktion in einem kontinuierlichen Rührkessel sowie einem erfindungsgemäßen Verfahren bestehend aus Rührkessel und Membrantrennung (Verfahren gemäß Fig. 1 ohne katalytische Zersetzung). Das Gleichungssystem wurde aus Massen- und Stoffbilanzen für die Teilbiianzräume aufgestellt und numerisch mit Hilfe des Programms MathCad 5.0 gelöst. Durch dieses Gleichungssystem kann der Einfluß bestimmter Betriebsparameter und das Potential des Verfahrens abgeschätzt werden. Bei den Berechnungen wurden im wesentlichen folgende Vereinfachungen getroffen:An exemplary estimate of the expected performance characteristics of the method according to the invention can be carried out numerically, assuming idealizing conditions. 3 and 4 show results of the simulation calculations of an oxidation reaction in a continuous stirred tank and a process according to the invention consisting of a stirred tank and membrane separation (process according to FIG. 1 without catalytic decomposition). The system of equations was drawn up from mass and mass balances for the sub-balance areas and solved numerically using the MathCad 5.0 program. This system of equations can be used to estimate the influence of certain operating parameters and the potential of the method. The following simplifications were made:
kontinuierlicher Betrieb, ohne katalytische Zersetzung und Seitenstrom Reaktionsgeschwindigkeitsansatz 2. Ordnung für die AOX-Oxidation isotherme Verhältnisse - konstante Rückhaltevermögen zur Beschreibung der lokalencontinuous operation, without catalytic decomposition and side stream 2nd order reaction rate approach for AOX oxidation isothermal conditions - constant retention to describe the local
Permeatzusammensetzungen innerhalb der MembranstufePermeate compositions within the membrane stage
Fig. 3 zeigt die im stationären Betrieb zu erzielenden AOX-Koπzentrationen (Edukt der Oxidation) als Funktion der Verweilzeit.3 shows the AOX concentrations (educt of the oxidation) to be achieved in steady-state operation as a function of the residence time.
Es wird deutlich, daß bei vergleichbarer Verweilzeit durch Nachschaltung einer Membranstufe (erfindungsgemäßes Verfahren) die AOX-Ablaufwerte gegenüber einem Rührkessel um den Faktor 10-15 reduziert werden können. Die Rückführung nicht umgesetzter AOX-Komponenten in den Reaktor führt zu einer Anhebung der AOX-Konzentration (wAox,Rβak erfindungsgemäßes Verfahren) und damit zu einer Steigerung der mittleren Reaktionsgeschwindigkeit im Reaktor. Hierdurch wird eine zusätzliche Effizienzsteigerung des Verfahrens erzielt.It is clear that with a comparable dwell time by adding a membrane stage (method according to the invention), the AOX discharge values can be reduced by a factor of 10-15 compared to a stirred tank. The return of unreacted AOX components to the reactor leads to an increase in the AOX concentration (w A ox, R βak process according to the invention) and thus to an increase in the average reaction rate in the reactor. This results in an additional increase in the efficiency of the method.
Fig. 4 zeigt den instationären Konzentrationsverlauf des Eisens im Reaktor für einen Rührkessel und für das erfindungsgemäße Verfahren bei einer mittleren Verweilzeit von 1 h und verschiedenen Eisen-Selektivitäten der Membran.
Es zeigt sich, daß bei einem Eisen-Rückhaltevermögen von 98 % bereits eine kontinuierliche Zugabe von Eisen in Höhe von < 50 mg/l ausreicht, um die Anfangskonzentration von 2,12 g/l auch im stationären Fall zu halten. Bei einem kontinuierlichen Rührkessel hingegen erfolgt bereits in den ersten 4 Stunden ein nahezu vollständiger Verlust der anfangs eingesetzten Eisenmenge.4 shows the transient concentration curve of the iron in the reactor for a stirred tank and for the process according to the invention with an average residence time of 1 h and various iron selectivities of the membrane. It is shown that with an iron retention capacity of 98%, a continuous addition of iron of <50 mg / l is sufficient to maintain the initial concentration of 2.12 g / l even in the stationary case. In the case of a continuous stirred tank, on the other hand, the amount of iron initially used is almost completely lost in the first 4 hours.
Die durchgeführten Versuche zeigen, daß durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens eine effiziente Aufarbeitung von Abwässern mit biologisch schwer abbaubaren oder bakterientoxischen Wasserinhaltstoffen mit AOX-Eliminationsraten über 99,5 % und CSB-Eiimiπationsraten über 98 % möglich ist. Infolge des Eisen - Rückhaltevermögens der Membranen kann die abwasserspezifische Einsatzmenge des Eisensalzes je nach Selektivität zwischen 90 % und 98 % reduziert werden. Die erzielten Versuchsergebnisse werden durch eine exemplarische Simulation des erfindungsgemäßen Verfahrens bestätigt. Anhand dieser Berechnungen wird deutlich, daß durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens die Raum-Zeit- Ausbeute eines Reaktors um den Faktor 10-15 erhöht werden kann.The tests carried out show that the use of the process according to the invention enables efficient treatment of waste water with water constituents which are difficult to biodegrade or are toxic to bacteria with AOX elimination rates of over 99.5% and COD injection rates of over 98%. As a result of the iron retention capacity of the membranes, the amount of iron salt used in the wastewater can be reduced between 90% and 98% depending on the selectivity. The test results achieved are confirmed by an exemplary simulation of the method according to the invention. On the basis of these calculations, it is clear that the space-time yield of a reactor can be increased by a factor of 10-15 by using the method according to the invention.
Tabelle 1 : Frachten, Konzentrationen und Leistung des erfiπdungsgemäßen Verfahrens integrale Gesamtbilanz ModellKonzentr Permeat Abbaurate Gesamt- Frachten abwasser at im System EliminationTable 1: Freights, concentrations and performance of the process according to the invention integral overall balance model concentration permeate degradation rate total freights wastewater in the system elimination
AOX [mg] 9632 249,3 25,4 97,1 % 99,7 % CSB [mg] 56000 6 160 612 87,9 % 98,9 %AOX [mg] 9632 249.3 25.4 97.1% 99.7% COD [mg] 56000 6 160 612 87.9% 98.9%
Gesamtbilanz ModellKonzentr Permeat Abbaurate Gesamt- Konzentrationen abwasser at im System Elimination quasistationärer ZustandTotal balance model concentration permeate degradation rate total concentration waste water in the system elimination quasi-steady state
AOX [mg/l] 1 720 155,8 6,34 90,6 % 99,6 % CSB [mg/l] 10000 3850 153 61 ,5 % 98,47 %
AOX [mg / l] 1 720 155.8 6.34 90.6% 99.6% COD [mg / l] 10000 3850 153 61.5% 98.47%