Verfahren und Anlage zur Reinstwassererzeugung Process and plant for ultrapure water production
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinstwassererzeugung aus Rohwasser, insbesondere Oberflächenwasser, mit einer eine Membran-Filtration einschließenden Endbehandlungsstufe, der mindestens eine biologische Behandlungsstufe (Biosorptionsstufe) vorgeschaltet ist.The invention relates to a method for producing ultrapure water from raw water, in particular surface water, with a final treatment stage including a membrane filtration, which is preceded by at least one biological treatment stage (biosorption stage).
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anlage zur Reinstwassererzeugung, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist.The invention further relates to a plant for producing ultrapure water, which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
Zur Herstellung von Reinstwasser aus Rohwässern ist es bekannt, Verfahren einzusetzen, in denen die Rohwässer zunächst mittels herkömmlicher Schlammkontaktverfahren und/oder Entkarbonisierungsprozesse sowie durch Filtration chemisch bzw. physikalisch weitgehend von ungelösten und gelösten organischen und anorganischen Stoffen befreit werden. Die so vorgereinigten Rohwässer werden anschließend mittels Membranfiltration in herkömmlichen Membranfilteranlagen von dem gemäß Reinstwasserklassifizierung abzuscheidenden stofflichen Bestandteilen ungelöster, gelöster, ionaler, organischer oder anorganischer Provenienz zu Reinstwasser aufgereinigt.For the production of ultrapure water from raw water, it is known to use processes in which the raw water is first chemically or physically largely freed from undissolved and dissolved organic and inorganic substances by means of conventional sludge contact processes and / or decarbonization processes and by filtration. The raw water pre-cleaned in this way is then purified by membrane filtration in conventional membrane filter systems from the constituents of undissolved, dissolved, dissolved, ionic, organic or inorganic provenance to be separated according to ultrapure water classification to ultrapure water.
Solche Verfahren weisen den Nachteil auf, daß die Membranmodule der Endbehandlungsstufe in der Regel binnen weniger Wochen verblocken und erneuert bzw. aufwendig chemisch gereinigt werden müssen. Ursache dieser Modulverblockung ist ein als Bio-Fouling bezeichneter Prozeß, welcher dadurch bedingt wird, daß die vorgereinigten Rohwässer nach wie vor eine Vielzahl ge- löster und ungelöster biologisch abbaubarer organischer Stoffe aufweisen, die
als Substrat für Mikroorganismen dienen. Die Konzentration dieser, bei der Membranfiltration auf der Prozeßseite der Membran verbleibenden Substrate, steigt naturgemäß zur prozeßseitigen Oberfläche der Membranmodule hin an. Infolgedessen kommt es hier zu einer gesteigerten Vermehrung und Ansiedlung von sich von dem Substrat ernährenden Mikroorganismen, welche sich als Biofilm auf der Prozeßseite der Membran ansiedeln und so eine Modulverblockung bewirken. Das Störbild solcher Modulverblockungen besteht in einem Differenzdruckanstieg und in Folge in einem starken Rückgang der Durchsatzleistung der Membranfilteranlagen.Such methods have the disadvantage that the membrane modules of the finishing stage usually block within a few weeks and have to be renewed or chemically cleaned in a complex manner. The cause of this module blocking is a process called bio-fouling, which is caused by the fact that the pre-cleaned raw water still has a large number of dissolved and undissolved biodegradable organic substances which serve as a substrate for microorganisms. The concentration of these substrates, which remain on the process side of the membrane in membrane filtration, naturally increases towards the process-side surface of the membrane modules. As a result, there is an increased multiplication and settlement of microorganisms which feed on the substrate and which settle as biofilm on the process side of the membrane and thus cause module blocking. The disturbance pattern of such module blockages consists in an increase in differential pressure and, as a result, in a sharp decrease in the throughput of the membrane filter systems.
Um diese leistungsmindemde Störung während des Produktionsbetriebes zu vermeiden, werden im Stand der Technik verschiedene Verfahren zur Unterbindung des Bio-Foulings eingesetzt. Konventionelle Verfahren stellen dabei auf eine vollständige Entkeimung des in die Membranfilteranlage gelangenden Wassers (Feed) ab. Die Entkeimung wird dabei mittels Chlor, Chlordioxid oder ähnlichen oxidierend wirkenden Entkeimungsmitteln innerhalb der Vorreinigungsstufen, bzw. dem der Membranfiltration vorgeschalteten Filtratbecken durchgeführt.In order to avoid this performance-reducing disturbance during production operation, various methods for preventing bio-fouling are used in the prior art. Conventional processes are based on complete disinfection of the water entering the membrane filter system (feed). The disinfection is carried out using chlorine, chlorine dioxide or similar oxidizing disinfectants within the pre-cleaning stages or the filtrate basin upstream of the membrane filtration.
Ein erheblicher Schwachpunkt dieser Verfahren liegt darin, daß die Restkonzentration von oxidierenden Mitteln z. B. Chlor, Wasserstoffperoxid o.a. vor der Durchführung der Membranfiltration mittels Natriumbisulfit reduziert werden muß, um eine oxidierende Schädigung der Membranmodule auszuschließen. In Folge dieser Oxidationmittelüberschuß-Reduzierung entsteht eine Toxizitäts- lücke, innerhalb der es zur starken Vermehrung der nicht abgetöteten Mikroorganismen kommt. Diesen stehen dabei nicht nur die ohnedies im voraufge- reinigten Rohwasser gelösten und ungelösten organischen Verunreinigungen, sondern zudem auch die durch die oxidierende Entkeimung abgetöteten Mikroorganismen und deren Fragmente als Substrat zur Verfügung, woraufhin es wiederum zu einem intensiven Biowachstum auf der prozeßseitigen Oberfläche der Membranmodule kommt.A significant weakness of this method is that the residual concentration of oxidizing agents such. B. chlorine, hydrogen peroxide or the like must be reduced using sodium bisulfite before membrane filtration to prevent oxidizing damage to the membrane modules. As a result of this reduction in the excess of oxidant, there is a toxicity gap within which there is a large increase in the number of microorganisms which have not been killed. Not only are the organic impurities already dissolved and undissolved in the pre-treated raw water available, but also the microorganisms and their fragments killed by the oxidizing disinfection, as a substrate, which in turn leads to intensive biological growth on the process-side surface of the membrane modules ,
Neuere Entkeimungsverfahren setzen Brom-formulierte Organobiozide ein, welche direkt in das Feed zur Membranfiltrationsanlage kontinuierlich oder diskontinuierlich dosiert werden, um so innerhalb der Anlage ein keimfreies Milieu
zu erzeugen. Zwar vermindern diese Organobiozide das Bio-Fouling zum großen Teil, jedoch wirken sich diese aufgrund ihres Redox-Potentiales oxidativ auf die Elemente der Anlagen, insbesondere die Membranmodule aus und können so ihrerseits zu einer Verringerung der Halbwertzeit der Membranmodule beitragen. Überdies ist der Zusatz der Organobiozide mit erheblichen Kosten verbunden.Newer disinfection processes use bromine-formulated organobiocides, which are metered directly into the feed to the membrane filtration system continuously or discontinuously, in order to create a germ-free environment within the system to create. Although these organobiocides reduce bio-fouling to a large extent, due to their redox potential, they have an oxidative effect on the elements of the systems, in particular the membrane modules, and in turn can thus contribute to a reduction in the half-life of the membrane modules. In addition, the addition of organobiocides is associated with considerable costs.
Aufgrund der mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme besteht die Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens, sowie einer Anlagen-Kombination, welche die möglichst kostengünstige Erzeugung von Reinstwasser aus Rohwasser ermöglicht, indem sie eine weitestgehende Unterbindung des Bio-Foulings bewirken, und zwar ohne Zusatz von bioziden Wirkstoffen oder sonstigen chemischen Stoffen.Because of the problems associated with the prior art, the object of the invention is to provide a method and a system combination which enables the most cost-effective generation of ultrapure water from raw water by largely preventing bio-fouling, specifically without the addition of biocidal agents or other chemical substances.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Rohwasser in der Biosorptionsstufe mit einem Inokulum versetzt und inkubiert wird, welches durch externe Vermehrung zumindest eines Teils der im Rohwasser enthaltenen Biozönose erzeugt wird.This object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned in the introduction, in which the raw water is mixed and incubated with an inoculum in the biosorption stage, which is generated by external multiplication of at least part of the biocenosis contained in the raw water.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine große Menge an Substrat notwendige Voraussetzung eines intensiven Biowachstums ist. Diese Erkenntnis wird dahingehend genutzt, daß in Abkehr von dem Dogma, daß das in die Mem- branfilteranlage geführte Feed möglichst keimfrei sein muß, zur Vermeidung von Bio-Fouling das verfügbare Substrat weitestgehend entfernt wird. Statt, wie im Stand der Technik bekannt, das Feed mittels chemischer Behandlungsmethoden (oder auch Bestrahlung, wie ebenfalls im Stand der Technik angewandt) durch Abtötung der im Rohwasser enthaltenen Biozönose möglichst von Keimen zu befreien, wird gemäß der Erfindung eine intensive Erhöhung der im Rohwasser enthaltenen Keimzahl angestrebt, um vor der Membran-Filtration den im Rohwasser befindlichen Substratgehalt auf ein Minimum zu reduzieren.The invention is based on the knowledge that a large amount of substrate is a prerequisite for intensive bio-growth. This knowledge is used in such a way that, in departure from the dogma that the feed fed into the membrane filter system must be as germ-free as possible, the available substrate is largely removed to avoid bio-fouling. Instead of ridding the feed of germs as possible by chemical treatment methods (or also radiation, as also used in the prior art) by killing the biocenosis contained in the raw water, according to the invention there is an intensive increase in the raw water germ count contained in order to reduce the substrate content in the raw water to a minimum before membrane filtration.
Es hat sich überraschend herausgestellt, daß die beim Stand der Technik angestrebte Keimfreiheit des Milieus innerhalb des Membranfiltrationsprozesses nur schlecht geeignet ist, Bio-Fouling wirksam zu unterbinden. Stattdessen wird beim Verfahren gemäß der Erfindung durch den Zusatz des Inokulums das im
Rohrwasser enthaltene Substrat (d. h. biologisch assimilierbare Substanzen, insbesondere gelöster Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphatverbindung) assimiliert und in Biomasse umgesetzt, worauf es zu einem Substratmangel kommt („substratgezehrtes Wasser"). Durch den Substratmangel gehen die biozöno- tischen Mikroorganismen in einen endogenen Atmungszustand über, bei dem die Veratmung der eigenen Zellsubstanz (Katabolismus, d. h. Stoffwechsel durch Abbau organismeneigener Biomasse zur Energieerzeugung) als bakterielle Überlebensstrategie wirksam wird. Infolgedessen können die vorhandenen Organismen keine zur Anheftung auf der Modulmembranoberfläche notwen- digen Schleimsubstanzen aufbauen und sind auch nicht fähig, sich auf der Modulmembranoberfläche zu vermehren, weil es dort zu keiner ausreichenden Konzentration assimilierbarer Substrate kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert somit auf dem Prinzip, daß vor der Membran-Filtration der bioverfügbare und assimilierbare Anteil des DOC, der sogenannte AOC (assimi- lated organic carbon), durch einen intensiven, mikrobiellen Stoffwechselprozeß in den vorgeschalteten biologischen Vorreinigungsstufen weitestgehend eliminiert wird.It has surprisingly been found that the sterility of the environment sought in the prior art within the membrane filtration process is only poorly suited to effectively prevent bio-fouling. Instead, in the method according to the invention, the addition of the inoculum in the Substrate containing pipe water (ie biologically assimilable substances, in particular dissolved carbon, nitrogen and phosphate compound) assimilated and converted into biomass, which leads to a lack of substrate ("substrate-depleted water"). Due to the lack of substrate, the biocenotic microorganisms change into an endogenous respiratory state , in which the respiration of one's own cell substance (catabolism, ie metabolism through the degradation of organism's own biomass for energy generation) is effective as a bacterial survival strategy. As a result, the existing organisms cannot build up any mucus substances necessary for attachment to the module membrane surface and are also not able to rely on themselves to increase the module membrane surface because there is not a sufficient concentration of assimilable substrates The method according to the invention is therefore based on the principle that the bioavailable and assimilable portion before membrane filtration of the DOC, the so-called AOC (assimilated organic carbon), is largely eliminated by an intensive, microbial metabolic process in the upstream biological pre-cleaning stages.
Diese möglichst vollständige Substratzehrung wird durch den Zusatz des Ino- kulums erreicht, wobei zur Herstellung des Inokulums ein möglichst großer Teil, d. h. möglichst viele der unterschiedlichen, in der Biozönose des Rohwassers enthaltenen Mikroorganismen eingesetzt werden. Bei dem Inokulum handelt es sich somit im wesentlichen um die (möglichst vollständige), im Rohwasser enthaltene Biozönose in vervielfachter Keimzahl, welche naturgemäß dieselben Substratvorlieben und Nährstoffanforderungen hat, wie die Biozönose des Roh- wassers. Nach Zugabe der angereicherten Biozönose kommt es so durch die starke Erhöhung der Keimzahl zu einem verstärkten Abau der Substrate im Rohwasser. Da weiterhin keine organobioziden Substanzen eingesetzt werden, bleibt auch die Freisetzung neuer Substrate in Folge eines massiven Ab- sterbens der biozönotischen Organismen aus.The most complete possible substrate depletion is achieved by adding the inoculum. H. as many of the different microorganisms contained in the biocenosis of the raw water are used. The inoculum is therefore essentially the (as complete as possible) biocenosis contained in the raw water in multiples of the bacterial count, which naturally has the same substrate preferences and nutrient requirements as the biocenosis of the raw water. After adding the enriched biocenosis, the strong increase in the number of bacteria leads to an increased degradation of the substrates in the raw water. Since no organobiocidal substances are still used, there is also no release of new substrates as a result of a massive death of the biocenotic organisms.
Wichtig ist es dabei, die Inkubationszeit des Rohwassers mit dem Inokulum so zu dimensionieren, daß es einerseits zu einer ausreichenden Substratzehrung kommt, andererseits aber auch ein massives Absterben der biozönotischen Organismen, bedingt durch den Nährstoffmangel, ausbleibt. Diese Dimensio-
nierung kann vom zuständigen Fachmann durch herkömmliche Maßnahmen, beispielsweise Messung des bioverfügbaren DOC-Gehaltes und von Stoff- wechselparamtem einerseits und mikroskopische Untersuchungen des sich in den Vorreinigungsstufen befindlichen Rohwassers andererseits einfach bestimmt werden.It is important to dimension the incubation time of the raw water with the inoculum so that there is sufficient substrate consumption on the one hand, but on the other hand there is no massive death of the biocenotic organisms due to the lack of nutrients. This dimension nation can be easily determined by the competent specialist using conventional measures, for example measuring the bioavailable DOC content and metabolic parameters on the one hand and microscopic examinations of the raw water in the pre-treatment stages on the other.
Bei der Belastung des Rohwassers mit besonders schwer abbaubaren Stoffen, welche von der dem Rohwasser eigenen Biozönose nicht abbaubar sind (und somit zwar auch kein Biowachstum der Biozönose bewirken können, aber ein Umweltproblem darstellen), kann gegebenenfalls auch noch ein Zusatz von SpezialOrganismen erfolgen, welche auf den Abbau bestimmter Giftstoffe spezialisiert sind. Solche SpezialOrganismen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt.When the raw water is contaminated with substances that are particularly difficult to degrade and which are not degradable by the biocenosis inherent in the raw water (and thus cannot cause bio-growth of the biocenosis, but represent an environmental problem), special organisms can also be added if necessary, which specialize in breaking down certain toxins. Such special organisms are well known in the prior art.
Um eine ausreichende Substratzehrung des Rohwassers zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, die Keimzahl der im Rohwasser enthaltenen Biozönose durch den Zusatz der angereicherten Biozönose auf mehr als das 10-fache, vorzugsweise mehr als das 50-fache und besonders bevorzugt auf mehr als das 100-fache anzureichern.In order to enable sufficient substrate consumption of the raw water, it is expedient to increase the bacterial count of the biocenosis contained in the raw water by adding the enriched biocenosis to more than 10 times, preferably more than 50 times and particularly preferably more than 100 to enrich.
Besonders zweckmäßig ist es, die Inkubationszeit des Rohwassers mit dem Inokulum und/oder die Zahl der zugesetzten Keime in Abhängigkeit von der Stoffwechselbilanz des Rohwassers zu dimensionieren. Die variable Dimensionierung der Inkubationszeit kann dabei durch die Aufenthaltszeit des mit der angereicherten Biozönose versetzten Rohwassers in der oder den der Endbe- handlungsstufe vorgeschalteten biologischen Behandlungsstufen variiert werden. Eine weitere Möglichkeit, zusätzlich zu vorgenanntem Zwecke der Variation der Inkubationszeit, ist der Zusatz der angereicherten Biozönose in unterschiedlichem (zeitliche und örtlichen) Abstand vor der Endbehandlungs- stufe. Im Sonderfall ist auch eine ausschließliche Inokulum-Dosierung in den Feed-Strom unmittelbar vor dem Membranfiltrationsprozeß vorgesehen. Die zur unterschiedlichen Dimensionierung der Inkubationszeit notwendige Quantifi- zierung des bioverfügbaren DOC's kann durch dem zuständigen Fachmann hinlänglich bekannte Meß- und Analyseverfahren für das eingehende und das sich in der Vorreinigung befindende Rohwasser festgestellt werden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Endbehandlungsstufe mehrere Verfahrensstufen vorgeschaltet sind. Dies können sowohl der Biosorptionsstufe zugeordnete Verfahrensstufen sein (d. h. Verfahrensstufen bei denen alleine oder zusätzlich zu weiteren Verfahrensmaßnahmen die Inkubation mit der ange- reicherten Biozönose erfolgt) wie auch Verfahrensstufen, welche nicht der Biosorptionsstufe zugeordnet werden (in denen also allein chemische oder physikalische Aufreinigungsprozesse ablaufen).It is particularly expedient to dimension the incubation time of the raw water with the inoculum and / or the number of added germs depending on the metabolic balance of the raw water. The variable dimensioning of the incubation time can be varied by the residence time of the raw water mixed with the enriched biocenosis in the biological treatment stage or stages preceding the final treatment stage. Another possibility, in addition to the aforementioned purpose of varying the incubation period, is to add the enriched biocenosis at different (temporal and local) intervals before the final treatment stage. In a special case, an exclusive inoculum dosage into the feed stream is also provided immediately before the membrane filtration process. The quantification of the bioavailable DOC's required for the different dimensioning of the incubation time can be determined by the person skilled in the art, well known measuring and analysis methods for the incoming and the raw water being pre-cleaned. It is particularly advantageous if the finishing stage is preceded by several process stages. These can be process steps assigned to the biosorption step (ie process steps in which incubation with the enriched biocoenosis takes place alone or in addition to other process measures) as well as process steps which are not assigned to the biosorption step (in which chemical or physical purification processes only take place) ,
Die der Endstufe vorgeschalteten Verfahrensstufen können dabei zweckmäßigerweise eine oder mehrere Schlammkontaktstufen, insbesondere Entkarboni- sierungsverfahren, Verfahren zur Flockung (vorzugsweise saure Flockung) und Sedimentation und/oder Klarwasserbecken-Vorreinigungsverfahren, sowie Mehrschichtfiltrationsverfahren umfassen.The process stages upstream of the final stage can expediently comprise one or more sludge contact stages, in particular decarbonization processes, processes for flocculation (preferably acid flocculation) and sedimentation and / or clear water basin pre-cleaning processes, as well as multi-layer filtration processes.
In Verfahren mit einer Biosorptionsstufe, die sich ihrerseits aus mehreren Verfahrensstufen zusammensetzt, ist die Variation der Inkubationszeit des Inoku- lums besonders einfach dadurch möglich, daß der Zusatz der angereicherten Biozönose wahlweise zu einer oder mehreren der der Bioreaktionsstufe zugeordneten Verfahrensstufen erfolgt.In processes with a biosorption stage, which in turn is composed of several process stages, the incubation time of the inoculum can be varied particularly simply by adding the enriched biocoenosis optionally to one or more of the process stages assigned to the bioreaction stage.
Die Herstellung des Inokulums erfolgt separat und nicht in den Aufreinigungsstufen selbst, um auszuschließen, daß die zur Vermehrung der biozönotischen Organismen notwendigen, von außen zugesetzten Nährstoffe in das Reinigungsverfahren getragen werden. Eine Anreicherung der im Rohwasser enthaltenen Biozönose durch bloßen Zusatz von Nährstoffen während des Reinigungsprozesses oder in einer direkt vorgeschalteten Stufe würde lediglich zu einer neuen Gleichgewichtseinstellung zwischen Keimzahl und Substrat führen, so daß es zu keiner Substratzehrung kommen könnte. Erfindungsgemäß wird deshalb die Herstellung des Inokulums separat durchgeführt.The inoculum is produced separately and not in the purification stages themselves, in order to rule out that the nutrients which are necessary for the multiplication of the biocenotic organisms and are added from outside are carried into the cleaning process. An enrichment of the biocenosis contained in the raw water by simply adding nutrients during the cleaning process or in a directly upstream stage would only lead to a new equilibrium between the bacterial count and the substrate, so that there could be no substrate depletion. According to the invention, the production of the inoculum is therefore carried out separately.
Dabei wird vorzugsweise ein Teil des dem Verfahren zuzuführenden oder des sich im Verfahren befindlichen Rohwassers in einen separaten Inkubator überführt, wo durch Zusatz von Nährstoffen und gegebenenfalls weitere wachs- tumsfördernde Maßnahmen die Anreicherung der Biozönose durch Vermehrung der im Rohwasser enthaltenen biozönotischen Organismen durchgeführt wird.
An den Zusatz der Nährstoffe schließt sich die intensive (logarithmische) Vermehrung an, bei der kein weiterer Nährstoff zugesetzt wird, aber eine intensive Sauerstoffzufuhr stattfindet. Diese Stufe gewährleistet die Verstoffwechslung der zugesetzten Nährstoffe und deren Umsetzung in arteigene Masse und wird so- lange durchgeführt, bis die Organismen des Inokulums in den stationären Atmungszustand übergehen. Dies kann von dem zuständigen Fachmann durch herkömmliche Maßnahmen, beispielsweise mikroskopische Analysen zur Bestimmung von Morphologie und Proliferationsrate der biozönotischen Organismen, insbesondere mit einer Stoffwechselbilanzierung bzw. mit dem quantita- tiven Nachweis der sich noch im Wasser befindenden analysierbaren Nährstoffe erfolgen.Part of the raw water to be fed into the process or of the raw water in the process is preferably transferred to a separate incubator, where the addition of nutrients and possibly other growth-promoting measures leads to the enrichment of the biocenosis by increasing the biocenotic organisms contained in the raw water. The addition of the nutrients is followed by the intensive (logarithmic) multiplication, in which no further nutrients are added, but an intensive supply of oxygen takes place. This stage guarantees the metabolism of the added nutrients and their conversion into species-specific mass and is carried out until the organisms of the inoculum change to the steady state of respiration. The person skilled in the art can do this by conventional measures, for example microscopic analyzes for determining the morphology and proliferation rate of the biocenotic organisms, in particular with a metabolic balance or with the quantitative detection of the analyzable nutrients still in the water.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, welche eine Membranfiltrationsanlage und mindestens eine, vorzugsweise mehrere der Membran- filtrationsanlage vorgeschaltete Einrichtungen zum biologischen AOC-Abbau durch das Inokulum (Biosorptionsstufe) aufweist, mit einem Inkubator zur Herstellung des Inokulums, der zumindest mit der ersten Biosorptionsstufe, vorzugsweise mit mehreren und insbesondere mit allen Biosorptionsstufen durch Zuleitungen und Ableitungen verbunden ist. Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird ein Teil des aufzureinigenden Rohwassers über die Zuleitungen in den Inkubator überführt und dort zur Herstellung des Inokulums eingesetzt, welches dann über die Ableitungen in eine oder mehrere Biosorptionsstufen eingeleitet wird.Another object of the invention is a system for carrying out the method according to the invention described above, which has a membrane filtration system and at least one, preferably several devices upstream of the membrane filtration system for biological AOC degradation by the inoculum (biosorption stage), with an incubator for producing the inoculum , which is connected at least to the first biosorption stage, preferably to several and in particular to all biosorption stages by means of supply lines and discharge lines. In the system according to the invention, part of the raw water to be purified is transferred to the incubator via the feed lines and is used there to produce the inoculum, which is then introduced into one or more biosorption stages via the discharge lines.
Der Inkubator ist Teil der Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Er kann grundsätzlich jedoch auch andernorts installiert sein, so daß die Erzeugung des Inokulums nicht nur separat von der Wasseraufbereitung, sondern auch extern der Anlage zur Reinstwassererzeugung erfolgt.The incubator is part of the system for carrying out the method according to the invention. In principle, however, it can also be installed elsewhere, so that the generation of the inoculum not only takes place separately from the water treatment, but also externally of the system for ultrapure water production.
Ist der Inkubator Teil der Anlage, so ist es besonders zweckmäßig, wenn er mehrere Ableitungen aufweist, welche unabhängig beaufschlagbar sind, so daß die Inkubationszeit des Rohwassers mit der zugesetzten angereicherten Biozönose in Abhängigkeit von der DOC- bzw. AOC-Fracht variiert werden kann. Die unabhängige Beaufschlagung ermöglicht zum einen, eine Biosorptionsstufe
zu beschicken oder nicht. Zum anderen können so auch mehrere Biosorptionsstufen gleichzeitig oder nacheinander mit dem Inokulum beaufschlagt werden.If the incubator is part of the system, it is particularly expedient if it has several discharge lines which can be acted upon independently, so that the incubation time of the raw water with the added enriched biocenosis can be varied depending on the DOC or AOC load. The independent loading enables, on the one hand, a biosorption stage to load or not. On the other hand, several biosorption stages can be applied to the inoculum simultaneously or in succession.
Es ist zweckmäßig, wenn die Vorrichtung zur Reinstwassererzeugung weiterhin eine oder mehrere der Biosorptionsstufe vorgeschaltete physikalische oder chemische Reinigungseinrichtungen, insbesondere Schlammkontaktanlagen (z. B. Entkarbonisierungsanlagen und/oder solche zur sauren Flockung und/oder Sedimentation) aufweist.It is expedient if the device for ultrapure water production also has one or more physical or chemical cleaning devices upstream of the biosorption stage, in particular sludge contact plants (e.g. decarbonization plants and / or those for acid flocculation and / or sedimentation).
Zweckmäßig sind in der oder den Biosorptionsstufen großflächige Biozönoseträgersysteme angeordnet, die vorzugsweise aus rückspülbaren Einbauten in den Klarwasser- und Speicherbecken bestehen. Diese Biozönoseträgersysteme können auch aus einer Mehrschichtenfilteranlage bestehen, die eine fixierte Biozönose enthält.Expediently large biocoenosis carrier systems are arranged in the biosorption stage or stages, which preferably consist of backwashable internals in the clear water and storage tanks. These biocoenosis carrier systems can also consist of a multi-layer filter system that contains a fixed biocoenosis.
Die Biozönoseträgersysteme einschließlich einer als solche eingesetzten Filteranlage sind durch die homogene Belegung mit einem großflächigen biosorptiven bakteriellen Film gekennzeichnet, der durch Einstellung besonderer, variabler Betriebsparameter entwickelt und betrieben wird. Diese Betriebscharakteristik ist weit entfernt von den üblichen Betriebsparametern mechanischer bzw. chemisch/mechanischer (Flockungsfiltration) arbeitender Filteranlagen.The biocoenosis carrier systems including a filter system used as such are characterized by the homogeneous coating with a large-area biosorptive bacterial film, which is developed and operated by setting special, variable operating parameters. This operating characteristic is far from the usual operating parameters of mechanical or chemical / mechanical (flocculation filtration) filter systems.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Inkubator mehrere Zonen oder Räume aufweist, insbesondere eine Belebungszone oder einen Belebungsraum sowie eine Belüftungszone bzw. einen Belüftungsraum. Ein solcher Inkubator ermöglicht im Belebungsraum die Einleitung der exponentiellen Vermehrung der zugeführten biozönotischen Organismen durch Zusatz von Nährstoffen und Sauerstoff sowie gegebenenfalls mit Hilfe weiterer Maßnahmen, die dem zu- ständigen Fachmann hinlänglich bekannt sind.It is particularly advantageous if the incubator has several zones or rooms, in particular an activation zone or an activation room and an aeration zone or an aeration room. Such an incubator enables the exponential multiplication of the supplied biocenotic organisms to be initiated in the aeration room by adding nutrients and oxygen and, if appropriate, with the aid of further measures which are well known to the person skilled in the art.
Nach Passage des Belebungsraums, wird die so generierte angereicherte Biozönose in den Belüftungsraum überführt, wo kein weiterer Zusatz von Nährstoffen erfolgt. Stattdessen erfolgt Sauerstoffzufuhr durch Belüftung, was zur Verstoffwechslung eines wesentlichen Anteils der zugeführten C-N-P-Nährstoffe führt. Die Verweildauer in dem in mehrerer Kammern aufgeteilten Belüftungs-
räum wird dabei vorzugsweise so dimensioniert, daß die Organismen in einen stationären Atmungszustand übergehen. Die Nachschaltung des Belüftungsraumes gewährleistet dabei, daß es bei Zusatz der angereicherten Biozönose in das Rohwasser nicht zu einem übermäßigem Nährstoffeintrag kommt. Nur so ist die gewünschte Verschiebung des Biozönose-Substrat-Verhältnisses aus dem im Rohwasser herrschenden Gleichgewichtszustand hin zu einem extremen Biozönoseüberschuß bzw. einem Substratmangel möglich.After passage through the aeration room, the enriched biocenosis generated in this way is transferred to the aeration room, where there is no further addition of nutrients. Instead, oxygen is supplied through aeration, which leads to the metabolism of a substantial proportion of the CNP nutrients supplied. The dwell time in the ventilation divided into several chambers Space is preferably dimensioned so that the organisms change to a steady state of breathing. The connection of the ventilation space ensures that the enriched biocenosis in the raw water does not lead to excessive nutrient input. This is the only way to achieve the desired shift in the biocoenosis-substrate ratio from the state of equilibrium in the raw water to an extreme excess of biocenosis or a lack of substrate.
Zur Bestimmung der DOC-Konzentration, der bakteriellen Populationsdichte und/oder der Überwachung der prozeßseitigen Stoffwechselparameter ist es zweckmäßig, wenn mindestens eine, vorzugsweise mehrere, verteilt angeordnete Meßeinrichtungen über die verschiedenen Anlagen bzw. Einrichtungen der Reinstwassererzeugungsanlage (incl. Inkubator) verteilt sind.To determine the DOC concentration, the bacterial population density and / or the monitoring of the process-side metabolic parameters, it is expedient if at least one, preferably several, distributed measuring devices are distributed over the various systems or facilities of the ultrapure water production system (including the incubator).
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in dem Verfahrensfließbildes veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment illustrated in the process flow diagram.
Das aufzubereitende Rohwasser 1 gelangt zunächst in eine Entkarbonisie- rungsanlage 2, in welcher ihm durch Zugabe von Kalkmilch die Karbonhärte entzogen wird. Ebenso erfolgt eine Reduzierung des DOC-Wertes durch Eliminierung organischer Karboxylverbindungen. Anschließend wird das Wasser in eine Flockungs- und Sedimentationsanlage 3 überführt, in der der pH-Wert des Wassers durch Eisen (III) Chloridzusatz abgesenkt wird, wodurch es zu einem Unterschreiten des isoelektrischen Punktes vieler organischer Verbindungen kommt, was zu einer Koagulation führt. Die koagulierten Substanzen werden durch Flockung und Sedimentation abgeschieden. Das Klarwasser fließt in ein Klarwasserbecken 4 der Vorreinigungsstufe ab. Das Klarwasserbecken 4 kann mit großflächigen, spülbare Biozönoseträgereinbauten ausgerüstet sein.The raw water 1 to be treated first goes to a decarbonization plant 2, in which the carbon hardness is extracted from it by adding lime milk. The DOC value is also reduced by eliminating organic carboxyl compounds. The water is then transferred to a flocculation and sedimentation system 3, in which the pH of the water is reduced by the addition of iron (III) chloride, which causes the isoelectric point of many organic compounds to fall below, which leads to coagulation. The coagulated substances are separated by flocculation and sedimentation. The clear water flows into a clear water basin 4 of the pre-cleaning stage. The clear water basin 4 can be equipped with large, flushable biocoenosis support internals.
Von dort gelangt das voraufbereitete Wasser in eine Mehrschichtfilteranlage 5, wo eine weitgehende mechanische Abscheidung ungelöster Partikel mit einer Korngröße ca. 20 bis 100 μm erfolgt. Die Mehrschichtfiltrationsanlage kann als offene oder geschlossene Anlage ausgeführt sein und enthält eine fixierte Bio- zönose. Nach der Mehrschichtfiltration wird das vorgereinigte Wasser in eine Filtratbecken 6 überführt, welches zur Mengenpufferung der fließenden Welle
dient. Aus dem Filtratbecken 6 wird das vorgereinigte Wasser ohne konventionelle Entkeimung in eine als Endstufe dienende Membranfiltrationsanlage 7 geleitet, welche im vorliegenden Fall eine Umkehrosmose darstellt und als Filtrat Reinstwasser 8 liefert. Auch das belüftete Filtratbecken 6 kann mit groß- flächigen, spülbaren Biozönoseträgereinbauten und mit einer Belüftungseinheit ausgestattet werden.From there, the pre-treated water reaches a multi-layer filter system 5, where extensive mechanical separation of undissolved particles with a grain size of approximately 20 to 100 μm takes place. The multi-layer filtration system can be designed as an open or closed system and contains a fixed biocenosis. After the multi-layer filtration, the pre-cleaned water is transferred to a filtrate basin 6, which is used to buffer the quantity of the flowing wave serves. The pre-cleaned water is passed from the filtrate basin 6 without conventional disinfection into a membrane filtration system 7 which serves as a final stage, which in the present case represents a reverse osmosis and delivers ultrapure water 8 as a filtrate. The ventilated filtrate basin 6 can also be equipped with large, flushable biocoenosis support internals and with an aeration unit.
Die Herstellung des adaptierten Inokulums erfolgt in einem in die Reinstwasser- aufbereitungsanlage integrierten Inkubator 9, welcher mehrere Belüftungskammern aufweist. Zur Anzüchtung des Inokulums wird vorgereinigtes, pH- neutrales Wasser aus der Vorreinigung entnommen, im vorliegenden Fall aus dem Klarwasserbecken 4 der Vorreinigung und/oder aus dem Filtratbecken 6. Dieses Medium wird kontinuierlich durch den Inkubator 9 geleitet, wobei C/N/P- Nährstoffe zugesetzt werden, um ein exponentielles Wachstum der im Wasser enthaltenen Biozönose einzuleiten. Bei der Durchleitung durch den Inkubator 9 kommt es zur Verstoffwechselung der zugeführten Nährstoffe und zur Proliferation der biozönotischen Organismen. Die Nährstoffzufuhr sowie Aufenthalt und Anreicherung der Biozönose im Inkubator 9 wird dabei von korrespondierenden Stoffwechselparametern sowie der erforderlichen bakteriellen Populationsdichte des Biosorptionsprozesses abhängig gemacht.The adapted inoculum is produced in an incubator 9 which is integrated in the ultrapure water treatment system and has several aeration chambers. To grow the inoculum, pre-cleaned, pH-neutral water is taken from the pre-cleaning, in the present case from the clear water tank 4 of the pre-cleaning and / or from the filtrate tank 6. This medium is continuously passed through the incubator 9, with C / N / P- Nutrients are added to initiate an exponential growth of the biocenosis contained in the water. When it is passed through the incubator 9, the nutrients supplied are metabolized and the biocenotic organisms proliferate. The nutrient supply and residence and enrichment of the biocenosis in the incubator 9 are made dependent on corresponding metabolic parameters and the required bacterial population density of the biosorption process.
Durch Messung der Keimdichte und Bestimmung der noch im Wasser vorhandenen Nährstoffkonzentration wird dabei gewährleistet, daß der Vermehrungsstopp nicht durch eine zu hohe Keimdichte verursacht wird, sondern durch Nährstoffmangel.By measuring the microbial density and determining the nutrient concentration still present in the water, it is ensured that the multiplication stop is not caused by too high a microbial density, but by a lack of nutrients.
Das so hergestellte Inokulum wird schließlich an einer oder mehreren in dem Verfahrensfließbild dargestellten Stellen dem Wasser in Abhängigkeit von dessen DOC-Gehalt und/oder eines anderen korrespondierenden Stoffwechselparameters zugesetzt. Ein Teilstrom des Inokulums wird erneut in den Belebungsraum des Inkubators zur Beschleunigung des Biosyntheseprozesses zurückgeführt.The inoculum thus produced is finally added to the water at one or more points shown in the process flow diagram depending on its DOC content and / or another corresponding metabolic parameter. A partial stream of the inoculum is returned to the activation room of the incubator to accelerate the biosynthesis process.
Bei einer besonders hohen DOC-Fracht des eingehenden Rohwassers 1 ist es zweckmäßig, die im Rohwasser 1 enthaltene Biozönose durch Zusatz einer be-
sonders großen Menge an Inokulum besonders stark anzureichern, um die DOC/Biomassekonversion auch bei einer extremen Belastung sicherzustellen. Dabei wird zweckmäßigerweise in einem besonders frühen Stadium, insbesondere schon im Eingang zur Rohwasservorreinigung Inokulum zugesetzt.If the incoming raw water 1 has a particularly high DOC load, it is appropriate to add the biocoenosis contained in the raw water 1 by adding a particularly large amount of inoculum to be enriched to ensure DOC / biomass conversion even under extreme loads. Inoculum is expediently added at a particularly early stage, in particular at the entrance to the raw water pre-treatment.
Meßeinrichtungen vor, nach und in den unterschiedlichen Anlagen und Einrichtungen der Reinstwassererzeugungsanlage gewährleisten die online- Bestimmung von DOC-Gehalt und korrespondierender Stoffwechselparameter. Ebenfalls wird die Keimzahl - Ganglinie - über die einzelnen Aufbereitungsstufen bis zur Membranfiltration analytisch erfaßt. Vor der Membranfiltrations- anläge 7 wird außerdem ein speziell für die Überwachung und die Bilanzierung des Membranverkeimungsprozesses entwickeltes Prüfgerät installiert.Measuring devices before, after and in the different plants and facilities of the ultrapure water production plant guarantee the online determination of the DOC content and corresponding metabolic parameters. The bacterial count - curve - is also recorded analytically over the individual preparation stages up to membrane filtration. In addition, a test device specially developed for monitoring and balancing the membrane germination process is installed in front of the membrane filtration system 7.
Da die DOC-Biomassekonversion bis zur Filteranlage 5 (Primärbeimpfung) noch nicht gänzlich abgeschlossen sein kann, wird auch dem Filtratbecken 6 Inokulum (Sekundärbeimpfung) zugeführt.Since the DOC biomass conversion cannot be completely completed up to the filter system 5 (primary vaccination), the filtrate basin 6 is also supplied with an inoculum (secondary vaccination).
Aufgrund des damit erzeugten extremen Biomasseüberschusses zum vorhandenen Rest-Substrat können die im Wasser enthaltenen Organismen die Synthese von Schleimstoffen (extrazelluläre Polysaccharide) zur Adhäsion an der prozeßseitigen Membranoberfläche der Membranfiltrationsanlage nicht abwickeln. Gleichzeitig wird wegen des im Feed herrschenden Kohlenstoffquellen- Defizites eines Proliferation von Keimen an der prozeßseitigen Oberfläche unterbunden.Due to the extreme biomass excess to the existing residual substrate generated in this way, the organisms contained in the water cannot handle the synthesis of mucilages (extracellular polysaccharides) for adhesion to the process-side membrane surface of the membrane filtration system. At the same time, due to the deficiency of carbon sources in the feed, the proliferation of germs on the surface of the process is prevented.
Durch Einsatz von Querstromfiltrationsmodulen in der Membranfiltrationsanlage 7 wird weiterhin die Belagbildung an der prozeßseitigen Oberfläche der Modulmembranen unterbunden, welcher die Bildung eines Biofilmes unter- stützen könnte. Durch die Verschiebung des Gleichgewichtes zwischen Substratkonzentration und Populationsdichte der biozönotischen Organismen zugunsten der Keimzahl wird somit ohne Zugabe von chemischen Additiven das Bio-Fouling auf der prozeßseitigen Oberfläche der Membranfiltrationsmodule verhindert.
By using crossflow filtration modules in the membrane filtration system 7, the formation of deposits on the process-side surface of the module membranes is further prevented, which could support the formation of a biofilm. By shifting the equilibrium between substrate concentration and population density of the biocenotic organisms in favor of the number of bacteria, bio-fouling on the process-side surface of the membrane filtration modules is prevented without the addition of chemical additives.