WO2005042418A1 - Reaktor und verfahren zur anaeroben abwasserbehandlung - Google Patents

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WO2005042418A1
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Walter Herding
Urs Herding
Kurt Palz
Rainer THÜRAUF
Stephan Prechtl
Rainer Scholz
Ralf Schneider
Johann Winter
Rolf Jung
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Herding Gmbh Filtertechnik
ATZ-EVUS Entwicklungszentrum für Verfahrenstechnik
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Definitions

  • This invention relates to a reactor and a method for anaerobic wastewater treatment.
  • Municipal wastewater is comparatively low contaminated with a chemical oxygen demand (COD) of approx. 500 mg / l and is usually treated with aerobic activated sludge processes.
  • COD chemical oxygen demand
  • UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket
  • An internal biomass enrichment takes place in UASB reactors in the form of a developing and very well granulating sludge.
  • the microorganisms aggregate into so-called pellets. These are aggregates with a size of approx. 1 to 3 mm.
  • the reactors are operated in upflow mode, ie the waste water flows through the reactor from bottom to top.
  • the metabolic degradation of organic contaminants creates gases that adhere to the pellets in the form of gas bubbles. As a result, the pellets rise which leads to mixing in the system.
  • a separator system is provided in the upper area of the UASB reactor, which serves to retain the pellets in the reactor.
  • Another high-performance process uses fixed bed reactors, whereby inert carrier materials as beds, packs or also fixed carrier materials, e.g. in the form of plate-shaped carrier elements, colonized by microorganisms.
  • inert carrier materials as beds, packs or also fixed carrier materials, e.g. in the form of plate-shaped carrier elements, colonized by microorganisms.
  • Such a reactor is described in patent DE 43 09 779 by the same applicant.
  • Very heavily polluted wastewater with COD concentrations of over 80 g / l can be treated in fixed bed reactors.
  • a disadvantage of the fixed bed reactor is that the costs are high, especially in the case of high-performance carrier materials.
  • fluidized bed reactors are also known in which the biomass is immobilized on a fluidized fixed bed, for example activated carbon or sand, which is swirled in the reactor. This requires a high energy requirement to maintain the fluidized bed, which also results in a high load on the reactors.
  • the design of fluidized bed reactors is accordingly technically demanding and complex.
  • the invention has for its object to provide a reactor and a method for anaerobic wastewater treatment, which is suitable for heavily polluted wastewater and works with little interference and is comparatively inexpensive.
  • the reactor can be cylindrical, other reactor geometries are also possible, e.g. cylindrical arrangements with an elliptical or polygonal base or cuboid arrangements.
  • the room in the lower area can hold waste water with microorganism pellets suspended in it.
  • the microorganisms develop metabolic gases that adhere to the pellets as bubbles and thereby carry the pellets upwards.
  • Bacteria of the Gat- are preferred as microorganisms
  • a separator system is preferably arranged in the upper area, which retains microorganisms suspended in the waste water in the reactor.
  • the reactor preferably has a recirculation system, which has an extractor for waste water and a feeder for waste water for discharging the flow into the central flow channel.
  • the extractor preferably comprises a gap between two plattenar- 125 • term elements and a beginning in the intermediate space conduit has.
  • the discharge system for the final discharge of treated wastewater is positioned a little above the extractor of the recirculation system.
  • the sepaprator system can be used to separate the gases 135 generated as well as to retain the biomass.
  • the separator system preferably has a partition wall at a distance above the upper end of the central flow channel, which covers a large part of the reactor cross section and leaves an outer annular surface free.
  • the extractor of the recirculation system is preferably positioned on the top of the partition. In the space above the tapping point of the recirculation system, a flow-calmed zone is created that supports the discharge of treated waste water without biomass discharge, especially since - as mentioned above - it is preferred that the discharge system for the final discharge of treated waste water is one piece is positioned above the extractor of the recirculation system.
  • the partition of the separator system preferably runs in some areas non-horizontally and forms a gas collection space in a highest area.
  • the partition wall - roughly speaking - runs obliquely outwards downwards and obliquely inwards downwards.
  • a first discharge line 165 for gas formed in the reactor preferably begins in the upper region of the reactor.
  • a second discharge line for gas formed in the reactor begins in the area of the partition.
  • Support elements are provided in the reactor.
  • the carrier elements can be designed in the form of plates.
  • the carrier elements are preferably arranged parallel to one another.
  • the plates can be arranged in packages, the plates being arranged within the packages in the tangential direction of the reactor.
  • the support elements are arranged above the space in the lower area, 175 so that the pellets floating upward flow between the plates.
  • microorganism growth forms on the support elements. It is preferred that there is a distance of 3-6 cm, preferably 3.5-5.5 cm, between the carrier elements.
  • the carrier elements can consist of an inert material with a large surface. They preferably consist of a flow-porous material.
  • the carrier elements particularly preferably consist essentially of plastic particles and expanded clay particles combined with one another. Polyethylene particles are preferred, with other plastics being possible.
  • 185 gansimes can settle in the pores of the expanded clay and in the pores between the particles and form a film-like or lawn-like growth on the carrier elements.
  • the microorganism film is destroyed.
  • the microorganisms can quickly get out of the pores of the porous carrier material
  • the plates of the support elements can be coated with a variety of microorganisms, e.g. Bacteria to be colonized. It is possible to populate the carrier elements with different species at the same time.
  • the carrier elements can be populated with the same species as free floating aggregates or pellets
  • the carrier elements can be populated with other species than those which form or form the pellets. This allows the advantages of the UASB method to be combined with the advantage of a greater variety of usable microorganisms.
  • the carrier elements can be populated with sessile microorganisms. In particular, they can be populated with the genera Sytrophobacter, Sytrophomas, Methanotrix, Methanosarcina and Methanococcus.
  • the inventors have found that the synergy effects (high performance 205 with stable operation) from the combination of a fixed bed reactor and a UASB reactor already occur with a relatively small proportion of carrier plates based on the reactor volume. It is therefore preferred that the proportion of the reactor volume covered with carrier plates is 15 to 40%. The proportion is particularly preferably 20 to 30%.
  • a flow deflector is preferably positioned on the wall in the lower region of the reactor. This flow deflector has the task of releasing the wastewater flow from the reactor wall and directing it to the carrier elements in a more uniform manner.
  • the reactor can preferably have at least one propulsion jet outlet which ends below the lower end of the central flow channel. This serves to whirl up microorganisms that have settled on the reactor floor.
  • the mouth can have a nozzle at its end
  • the object of the invention is further achieved by a method for anaerobic wastewater treatment in a reactor in which wastewater to be treated circulates, such that wastewater
  • the microorganisms floating in the treatment room are preferably present in the form of pellets.
  • microorganisms suspended in wastewater are retained by a separator system.
  • different types of microorganisms can be provided as microorganisms immobilized on the carrier elements on the one hand and as floating microorganisms on the other hand.
  • Different species of microorganisms can be found on the carrier elements
  • the reactor and process of the present invention can be used to treat waste water, particularly anaerobic treatment of waste water.
  • wastewater from the beverage, feed or food industry is treated, such as wastewater from starch-processing plants and plants, beverage companies, breweries, spirits distilleries, dairies, wastewater from meat and 260 fish-processing companies.
  • the process according to the invention and the reactor are also suitable for treating waste water from the paper and textile industry.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the reactor for waste water treatment according to the invention.
  • FIG. 2A is a schematic illustration of an embodiment of a waste water extractor of the reactor according to the invention.
  • 2B is a schematic representation of an alternative embodiment of a wastewater extractor of the reactor according to the invention.
  • FIG. 2C is a schematic illustration of a further alternative embodiment of a wastewater extractor of the reactor according to the invention.
  • 2D is a schematic illustration of an extraction system of the reactor according to the invention.
  • An embodiment of the reactor according to the invention was constructed and used for the treatment of waste water in a brewery.
  • the schematic structure of the reactor 10 is shown in FIG. 1.
  • the reactor is designed as a loop reactor.
  • the dimensions of the cylindrical reactor are designed so that the height is between 2.0 and 5.0 m and that the diameter is between 1.5 and 2.5 m.
  • the amount of waste water to be treated is between 10 and 20 m 3 / d.
  • FIG. 1 290 components in relation to the overall dimensions can be seen from FIG. 1.
  • This reactor is for trial operation.
  • Technical designs for large-scale reactors have significantly larger dimensions, e.g. 5 to 9 m in diameter and 8 to 12 m in height.
  • Other reactor geometries are also possible, e.g. cylindrical arrangements with elliptical or
  • the reactor housing 1 1 is, as is known from the prior art, essentially made of stainless steel sheets.
  • a central tube 20 is formed in the axial direction, which begins a piece from the upper end of the reactor and opens into the lower region 30.
  • the central tube 20 is hexagonal in cross section. This hexagonal shape is inexpensive to manufacture and packages with carrier elements 50 can be arranged to match the hexagonal shape. Other geometries are also possible, for example circular or polygonal with a different number of corners.
  • the lower region 30 is designed as a space in which the floating microorganisms are present during operation.
  • a central region 40 in which plate-shaped carrier elements 50 are arranged in parallel, so that flow paths in the vertical direction are present between these carrier elements.
  • This arrangement of the carrier elements serves as a fixed bed for the settlement of microorganisms.
  • the carrier elements are flow-porous and made of a material which is essentially formed from plastic and expanded clay particles combined with one another. Such a material is described in the aforementioned patent DE 43 09 779 by the same applicant.
  • the plates preferably have a distance of 3 to 6 cm, in particular a distance of 3.5 to 5.5 cm is preferred.
  • the carrier elements viewed in the top view of the reactor cross section, are arranged tangentially in packages which form hexagon segments. Other arrangements are also conceivable, e.g. Arrangements of rectangular packages, packages with the basic shape of a polygon or arrangements with curved plates.
  • a separator system 90 is arranged in the reactor, which is formed from inclined guide elements 91, 92, 93, 94.
  • These guide elements prevent the discharge of solid particles, for example gas-laden pellets.
  • Other arrangements of the line elements are conceivable.
  • the guide elements 91, 92, 93, 94 can the top view be modeled on the hexagonal or polygonal fixed bed shape or be round.
  • the flow guidance can be seen from the arrows k, I, m, n, o, p, q and r.
  • the wastewater to be treated is essentially supplied via the feed line 60 and draws in liquid from the outer space 40 and flows during operation through the central pipe 20 into the lower region 30, where floating microorganisms are present in the form of pellets.
  • a partial flow is optionally supplied via the pipe 80 and additionally mixes the lower part of the reactor 30.
  • a flow obstacle 120 which runs around the inner reactor wall and is arranged in the lower region 30 of the reactor serves to separate the flow, and the waste water to be treated cannot be preferred Flow on the container wall.
  • the microorganisms used belong to the genus Methanotrix.
  • the wastewater to be treated is guided past the microorganisms on the carrier elements and brought into contact with them.
  • the pellets are retained on a dividing wall formed by guide elements 91, 92, 93, release the gas bubbles due to the agitation occurring on the guide elements and can then return to the lower region through the central pipe 20 due to their higher density than the waste water 30 drop.
  • the partition wall forms a gas collection space 96, in which gas collects and can be discharged via a first gas discharge line 98.
  • This dividing wall formed from the guide elements 91, 92, 93 covers the majority of the reactor cross section and leaves an annular surface free between its outer edge and the reactor wall. Part of the flow along the support elements is branched off at the outer edge of the partition wall, 91, 92, 93, and is drawn off from the upper region above the partition wall 91, 92, 93 and below the guide elements 94 by a wastewater extractor 100, 101 and via a recirculation system 130 recirculated to the reactor.
  • the guide elements 94 form a calming zone in the upper region of the reactor above the 365 partition 91, 92, 93 and above the extractor of the recirculation system, from which waste water treated via an exhaust system 70 can be removed from the reactor.
  • the resulting gases can be removed via a second gas discharge line 110 at the upper 370 end of the reactor.
  • Preferred taps of the recirculation system are shown in Figures 2A, 2B and 2C.
  • Fig. 2A shows the so-called double plate deduction. It consists of two circular plates, one above the other, 40 to 70 mm apart, between which the liquid is drawn off centrally. This arrangement ensures peeling at slow flow speed on the outer periphery of the plates.
  • FIG. 2B A ring line with holes is shown in FIG. 2B.
  • the holes as shown in FIG. 2, are designed with different sizes.
  • FIG. 385 A star-shaped pipe outlet is shown in FIG. 2 C, as a result of which the liquid is withdrawn at six points. If the pipe ends are provided with T-pieces (shown with a broken line), the liquid can be drawn off at 12 points.
  • FIG. 2D a fume cupboard system with a submerged flume with flue holes is shown. The size and number of holes are selected so that the treated waste water is evenly discharged.
  • Waste water to be fed to the reactor for the first time can be introduced into the system via line 132.
  • a portion of the incoming or circulating wastewater is directed via the pipe 80 as a driving jet into the lower region of the reactor in order to whirl up the biomass (the microorganism pellets) present there.
  • several propulsion jet orifices can be provided in order to stir up the biomass.

Abstract

Ein Reaktor (10) zur anaeroben Abwasserbehandlung ist als Schlaufenreaktor mit einem zentralen Strömungskanal (20) ausgebildet. In dem Ringraum (40) zwischen dem zentralen Strömungskanal (20) und der Reaktorwand sind Trä­gerelemente (50) zum Immobilisieren von Mikroorganismen positioniert, wobei zwischen benachbarten Trägerelementen (50) Durchströmungswege vorhan­den sind. Der untere Bereich des Reaktors (30), unterhalb der Trägerelemente, ist als Raum ausgebildet, der dafür bestimmt ist, beim Betrieb des Reaktors (10) Abwasser mit darin schwebenden Mikroorganismen aufzunehmen. Beim Be­trieb sind sowohl schwebende Mikroorganismen als auch auf den Trägerele­menten immobilisierte Mikroorganismen vorgesehen. Das zu behandelnde Ab­wasser strömt zentral nach unten und entlang der Trägerelemente (40) wieder nach oben, wobei die Strömung teilweise durch die Gasentwicklung der Mikroorganismen erzeugt wird. Mit dem Reaktor wird ein Verfahren zur anaeroben Abwasserbehandlung durchgeführt, der Reaktor ist geeignet für die Abwasser­behandlung in der Lebens- und Futtermittelindustrie sowie in der Papier- und Textilindustrie.

Description

Reaktor und Verfahren zur anaeroben Abwasserbehandlung
Diese Erfindung betrifft einen Reaktor und ein Verfahren zur anaeroben Abwasserbehandlung.
Zur Behandlung organisch verschmutzter Abwässer ist es bekannt, anaerobe Verfahren bzw. anaerob arbeitende Abwasserbehandlungssysteme zu verwenden. Die im Abwasser enthaltene Schmutzfracht wird bei Einsatz der Anaerob- technik mit Hilfe von entsprechenden Mikroorganismen in den regenerativen Energieträger Biogas überführt, der Einsparungen beim Energiebezug ermög- licht. Die dazu verwendeten Verfahren beinhalten sowohl einfache Verfahren ohne Biomasseanreicherung als auch Hochleistungsverfahren mit in der Regel interner Biomasseanreicherung.
Kommunale Abwässer sind vergleichsweise gering belastet mit einem chemi- sehen Sauerstoffbedarf (CSB) von ca. 500 mg/l und werden in der Regel mit aeroben Belebtschlammverfahren behandelt. In der Lebensmittelindustrie treten erheblich höher organisch belastete Abwässer mit CSB von über 1 000 und bis zu 100 000 mg/l und mehr auf. Zur Reinigung solcher Abwässer kommen Hochleistungsverfahren zum Einsatz.
Das am meisten verbreitete Verfahren ist das sogenannte UASB-Verfahren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Verfahren). In UASB Reaktoren findet eine interne Biomasseanreicherung in Form eines sich ausbildenden und sehr gut granulierenden Schlamms statt. Die Mikroorganismen aggregieren zu soge- nannten Pellets. Das sind Aggregate mit einer Größe von ca. 1 bis 3 mm. Die Reaktoren werden im Upflow- Betrieb betrieben, d.h. die Abwässer strömen von unten nach oben durch den Reaktor. Durch den stoffwechselbedingten Abbau der organischen Verunreinigungen entstehen Gase, die in Form von Gasbläschen an den Pellets haften. Infolgedessen steigen die Pellets nach oben, was zur Durchmischung im System führt. Im oberen Bereich des UASB Reaktors ist ein Separatorsystem vorgesehen, welches dazu dient, die Pellets in dem Reaktor zurückzuhalten. Ein Vorteil dieser Reaktoren ist, daß sie eine relativ einfache Konstruktion, z.B. als Schlaufenreaktor aufweisen können. Ein solcher Reaktor ist in DE 43 33 176 beschrieben. Ein Nachteil dieser Technik ist, daß bei hohen CSB-Konzentrationen ab etwa 20 bis 30 g/l die Gasentwicklung so stark wird, daß die Pellets sehr schnell nach oben steigen und daß trotz der Separatorsysteme ein erheblicher Verlust an Biomasse eintritt. Dies wird als "Wash- Out- Effekt" bezeichnet. Hinzukommt, daß diese Systeme relativ empfindlich gegen Vergiftung (gegen einen sogenannten toxischen Stoß) sind. Diese Sy- steme können nach einer Havarie des Reaktors zwar relativ schnell hochgefahren werden, indem man wieder mit neuer Biomasse animpft, allerdings stellt dies einen Kostenfaktor dar. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist, daß nur Mikroorganismen verwendet werden können, die Pellets bilden, was die Auswahl an Mikroorganismen stark einschränkt. In der Regel werden methanogene Bakterien hauptsächlich der Gattung Methanotrix verwendet.
Ein anderes Hochleistungsverfahren verwendet Festbettreaktoren, wobei inerte Trägermaterialen als Schüttungen, Packungen oder auch fixierte Trägermaterialien, z.B. in Form von plattenförmigen Trägerelementen, von Mikroorganis- men besiedelt werden. Ein solcher Reaktor ist im Patent DE 43 09 779 der gleichen Anmelderin beschrieben. In Festbettreaktoren können sehr stark verschmutzte Abwässer mit CSB-Konzentrationen von über 80 g/l behandelt werden. Ein Nachteil des Festbettreaktors ist, daß vor allem bei Hochleistungs- strägermaterialien die Kosten hoch sind.
Daneben sind auch Wirbelbettreaktoren bekannt, in dem die Biomasse auf einem fluidisierten Festbett, z.B. Aktivkohle oder Sand, immobilisiert ist, welches im Reaktor verwirbelt wird. Dies bedingt einen hohen Energiebedarf zur Aufrechterhaltung des Wirbelbetts, woraus auch eine hohe Belastung der Reakto- ren resultiert. Die Konstruktion von Wirbelbettreaktoren ist dementsprechend technisch anspruchsvoll und aufwendig. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor und ein Verfahren zur anaeroben Abwasserbehandlung zur Verfügung zu stellen, der , bzw. das, für stark belastete Abwässer geeignet ist und störungsarm arbeitet sowie vergleichsweise kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktor zur anaeroben Abwasserbe- handlung, aufweisend folgende Merkmale:
(a) ein zentraler, von oben nach unten führender Strömungskanal, der oben mit einem ersten Abstand von der oberen Reaktorbegrenzung endet und unten mit einem zweiten Abstand von der unteren Reaktor- begrenzung endet; (b) in dem Ringraum zwischen dem zentralen Strömungskanal und der Reaktorwand sind für die gesamte Höhe des Strömungskanals oder für einen Teil der Höhe des Strömungskanals Trägerelemente zum Immobilisieren von Mikroorganismen in Form eines strukturierten, geordne- ten Festbetts positioniert, wobei zwischen benachbarten Trägerelementen Durchströmungswege vorhanden sind; (c) ein unterer Bereich des Reaktors zwischen seiner unteren Begrenzung und den Trägerelementen ist als Raum ausgebildet, der dafür bestimmt ist, beim Betrieb des Reaktors Abwasser mit darin schwebenden Mi- kroorganismen aufzunehmen; (d) ein oberer Bereich des Reaktors zwischen seiner oberen Begrenzung und den Trägerelementen; (e) der Reaktor ist hinsichtlich seiner Inneπströmung als Schlaufenreaktor ausgebildet derart, dass enthaltenes Abwasser durch den zentralen Strömungskanal nach unten, dann durch den Raum im unteren Bereich, dann an den Trägerelementen entlang nach oben, und schließlich wieder in den zentralen Strömungskanal zirkuliert werden kann. (f) eine Zuleitung für erstmalig in den Reaktor einzubringendes, zu behandelndes Abwasser; (g) ein Abzugssystem zum abschließendem Ausbringen von behandeltem Abwasser aus dem Reaktor. Die Erfindung schafft einen Hybrid-Reaktor (bzw. ein Hybrid-Verfahren), welcher (bzw. welches) die Vorteile von Festbettreaktoren und UASB Reaktoren 105 vereint.
Der Reaktor kann zylinderförmig ausgebildet sein, andere Reaktorgeometrien sind ebenfalls möglich, z.B. zylinderartige Anordnungen mit elliptischer oder mehreckiger Grundfläche oder quaderförmige Anordnungen.
110 Der Raum im unteren Bereich kann Abwasser mit darin schwebenden Mikroorganismen-Pellets aufnehmen. Die Mikroorganismen entwickeln stoffwechselbedingt Gase, die als Bläschen an den Pellets haften und dadurch die Pellets nach oben tragen. Als Mikroorganismen werden bevorzugt Bakterien der Gat-
115 tung Methanotrix verwendet.
Bevorzugt ist im oberen Bereich ein Separatorsystem angeordnet, welches im Abwasser schwebende Mikroorganismen im Reaktor zurückhält.
120 Ferner weist der Reaktor bevorzugt ein Rezirkulationssystem, auf welches einen Entnehmer für Abwasser und einen Zuführer für Abwasser zur Strömungsabgabe in den zentralen Strömungskanal aufweist.
Der Entnehmer weist bevorzugt einen Zwischenraum zwischen zwei plattenar- •125 tigen Elementen und eine in dem Zwischenraum beginnende Leitung aufweist. .
Es ist besonders bevorzugt, dass das Abzugssystem zum abschließenden Ausbringen von Behandelten Abwasser ein Stück oberhalb des Entπehmers des Rezirkulationssystems positioniert ist.
130 Mikroorganismen-Pellets, welche in den oberen Bereich des Reaktors aufsteigen werden vom Separatorsystem zurückgehalten, geben die anhaftenden Gasbläschen ab und sinken aufgrund ihrer größeren Dichte wieder nach unten ab. Das Sepapratorsystem kann sowohl zum Abscheiden der entstanden Gase 135 als auch zum Zurückhalten der Biomasse dienen. Das Separatorsystem weist bevorzugt eine Trennwand mit Abstand oberhalb des oberen Endes des zentralen Strömungskanals auf, welche einen Großteil des Reaktorquerschnitts überdeckt und eine äußere Ringfläche freilässt.
140 Bevorzugt ist der Entnehmer des Rezirkulationssystems an der Oberseite der Trennwand positioniert. Im Raum oberhalb des Entnehmers des Rezirkulationssystems wird so eine strömungsberuhigte Zone geschaffen, die ein Ausbringen von behandeltem Abwasser ohne Biomasseaustrag unterstützt, insbe- 145 sondere, da es - wie oben erwähnt - bevorzugt ist, dass das Abzugssystem zum abschließenden Ausbringen von Behandelten Abwasser ein Stück oberhalb des Entnehmers des Rezirkulationssystems positioniert ist.
Es wird betont, daß das beschriebene Rezirkulatioπssystem sowie die be- 150 schriebene Trennung von Entnehmer des Rezirkulationssystems und Abzugssystem einerseits eine bevorzugte Weiterbildung der offenbarten Erfindung darstellen, aber andererseits auch ohne die Merkmale (oder nur mit einem Teil der Merkmale) des Anspruchs 1 technisch verwirklichbar sind. Ein typisches Beispiel ist die Verwirklichung bei einem UASB-Reaktor, der nicht ein Hybrid- 155 Reaktor im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist.
Bevorzugt verläuft die Trennwand des Separatorsystems bereichsweise nichthorizontal und bildet in einem höchsten Bereich einen Gassammlungsraum.
160 Ferner ist es bevorzugt, dass von dem höchsten Bereich die Trennwand - grob gesprochen - schräg nach aussen abwärts und schräg nach innen abwärts verläuft.
Im oberen Bereich des Reaktors beginnt vorzugsweise eine erste Abführungs- 165 leitung für in dem Reaktor gebildetes Gas.
Es ist ferner bevorzugt, dass im Bereich der Trennwand eine zweite Abführungsleitung für in dem Reaktor gebildetes Gas beginnt. 170 Im Reaktor sind Trägerelemente vorgesehen. Die Trägerelemente können in Form von Platten ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Trägerelemente parallel zueinander angeordnet. Die Platten können in Paketen angeordnet sein, wobei die Platten innerhalb der Pakete in Tangeπtialrichtung des Reaktors angeordnet sind. Die Trägerelemente sind über dem Raum im unteren Bereich angeordnet, 175 so daß die nach oben schwebenden Pellets zwischen den Platten hindurch strömen. Auf den Trägerelementen bildet sich beim Betrieb des Reaktors ein Mikroorganismenbewuchs. Es ist bevorzugt, daß zwischen den Trägerelementen ein Abstand von 3-6 cm, vorzugsweise 3,5 - 5,5 cm, vorhanden ist.
180 Die Trägerelemente können aus einem inertem Material mit großer Oberfläche bestehen. Bevorzugt bestehen sie aus einem durchströmungsporösen Material. Besonders bevorzugt bestehen die Trägerelemente im wesentlichen aus miteinander vereinigten Kunststoff— Teilchen und Blähton-Teilchen. Polyethylen- teilchen sind bevorzugt, wobei andere Kunststoffe möglich sind. Die Mikroor-
185 gansimen können in den Poren des Blähtons und in den poren zwischen den Teilchen siedeln und auf den Trägerelementen einen film- oder rasenartigen Bewuchs bilden. Im Falle einer Havarie des Reaktors, z.B. aufgrund eines toxischen Stosses, wird der Mikroorganismenfilm zwar zerstört. Aus den Poren des porösen Tragermaterials heraus können die Mikroorganismen allerdings schnell
190 wieder wachsen und den Film auf den Platten regenerieren. Die Platten der Trägerelemente können mit einer Vielzahl von Mikroorganismen, z.B. Bakterien, besiedelt werden. Es ist möglich die Trägerelemente gleichzeitig mit unterschiedlichen Spezies zu besiedeln. Die Trägerelemente können mit der gleichen Spezies besiedelt werden, welche freie schwebende Aggregate bzw. Pellets
195 bildet. Ebenso können die Trägerelemente mit anderen Spezies besiedelt werden als Jenen, welche die Pellets bildet bzw. bilden. Dadurch können die Vorteile des UASB-Verfahrens mit dem Vorteil einer größeren Vielfalt verwendbarer Mikroorganismen kombiniert werden.
200 Die Trägerelemente können mit sessilen Mikroorganismen besiedelt werden. Insbesondere können sie besiedelt werden mit den Gattungen Sytrophobacter, Sytrophomas, Methanotrix, Methanosarcina und Methanococcus. Die Erfinder haben gefunden, daß die Synergieeffekte (hohe Leistungsfähigkeit 205 bei stabilem Betrieb) aus der Kombination eines Festbettreaktors und eines UASB Reaktors bereits bei einem relativ geringen Anteil von Trägerplatten bezogen auf das Reaktorvolumen auftreten. Es ist daher bevorzugt, daß der Anteil des Reaktorvolumens der mit Trägerplatten belegt ist, 15 bis 40% beträgt. Besonders bevorzugt beträgt der Anteil 20 bis 30%. 210 Bevorzugt ist im unteren Bereich des Reaktors ein Strömungsumlenker an der Wand positioniert. Dieser Strömungsumlenker hat die Aufgabe, den Abwasserstrom von der Reaktorwand zu lösen und vergleichmäßigt zu den Trägerelementen zu leiten.
215 Der Reaktor kann bevorzugt mindenstens eine Treibstrahlmüπdung aufweisen, die unterhalb des unteren Endes des zentralen Strömungskanals endet. Diese dient dazu, Mirkoorganismen, die sich auf dem Reaktorboden abgesetzt haben, aufzuwirbeln. Die Mündung kann anihrem Ende eine Düse aufweisen
220 Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur , anaeroben Abwasserbehandlung in einem Reaktor, in welchem zu behandelndes Abwasser zirkuliert, dergestalt, daß Abwasser
225 (a) zentral von oben nach unten strömt;
(b) dann in einem Raum im unteren Bereich des Reaktors mit in dem Abwasser schwebenden Mikroorgansimen in Kontakt ist;
230 (c) dann in einem darüber befindlichen Raum des Reaktors an Mikroorganismen entlang strömt, die in Form eines strukturierten geordneten Festbetts auf Trägerelementen angeordnet sind;
(d) und schließlich wieder in die zentrale Strömung von oben nach unten 235 übergeht. Nach Entlaπgstrόmeπ an den Mikroorganismen auf den Trägerelementen wird bevorzugt ein Teil des Abwassers abgezweigt und in den zentralen Strö- 240 mungskanal eingepumpt. Dadurch wird eine umlaufende Rezirkulation des Abwassers verbessert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die im Behandlungsraum schwebenden Mikroorganismen bevorzugt in Form von Pellets vorhanden. Die im
245 Abwasser schwebenden Mikroorganismen werden durch ein Separatorsystem zurückgehalten. Bei dem Verfahren können als auf den Trägerelementen im- mobiliserte Mikroorganismen einerseits und als schwebende Mikroorganismen andererseits unterschiedliche Arten von Mikroorganismen vorgesehen sein. Auf den Trägerelerhenten können unterschiedliche Spezies von Mikroorganismen
250 vorgesehen sein.
Reaktor und Verfahren der vorliegenden Erfindung können zur Behandlung von Abwässern, insbesondere zu anaeroben Behandlung von Abwässern verwendet werden.
255 Erfindungsgemäß werden insbesondere organisch belastete Abwässer aus der Getränke-, Futtermittel- oder Lebensmittelindustrie behandelt, wie z.B. Abwässer aus Stärke-verarbeitenden Betrieben und Anlagen, Getränkebetrieben, Brauereien, Spirituosen-Brennereien, Molkereien, Abwässer aus Fleisch- und 260 Fisch— verarbeitenden Betrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren und der Reaktor sind auch zur Behandlung von Abwässern aus der Papier- und Textilindustrie geeignet.
Im Folgenden wird eine Ausführuπgsform der Erfindung anhand der Zeichnuπ- 255 gen beispielhaft dargestellt.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors zur Abwasserbehandlung.
270 Fig. 2A ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Entnehmers von Abwasser des erfindungsgemäßen Reaktors.
Fig. 2B ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Entnehmers von Abwasser dies erfindungsgemäßen Reaktors.
275 Fig. 2C ist eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Entnehmers von Abwasser des erfindungsgemäßen Reaktors.
Fig. 2D ist eine schematische Darstellung eines Abzugssystems des erfin- 280 dungsgemäßen Reaktors.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors wurde konstruiert und zur Behandlung von Abwässern in einem Brauereibetrieb eingesetzt.
285 In Fig. 1 ist der schematische Aufbau des Reaktors 10 dargestellt. Der Reaktor ist als Schlaufenreaktor konzipiert. Die Maße des zylinderförmigen Reaktors sind so ausgelegt, daß die Höhe zwischen 2,0 und 5,0 m beträgt und daß der Durchmesser zwischen 1,5 und 2,5 m beträgt. Die zu behandelnde Abwassermenge beträgt zwischen 10 und 20 m3/d. Die Ausmaße der anderen Reaktor-
290 bestandteile werden in Relation zu den Gesamtausmaßen anhand von Fig. 1 ersichtlich. Dieser Reaktor ist für den Versuchsbetrieb. Technische Ausführungen für Reaktoren im Großmaßstab haben deutlich größere Abmessungen, z.B. 5 bis 9 m Durchmesser und von 8 bis 12 m Höhe. Andere Reaktorgeometrien sind ebenfalls möglich, z.B. zylinderartige Anordnungen mit elliptischer oder
295 mehreckiger Grundfläche oder quaderförmige Anordungen. Das Reaktorgehäuse 1 1 ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, im wesentlichen aus Edelstahlblechen. Im Reaktor 10 ist in axialer Richtung ein zentrales Rohr 20 ausgebildet, welches ein Stück vom oberen Ende des Reaktors beginnt und in den unteren Bereich 30 mündet. Das zentrale Rohr 20 ist im Querschnitt sechseckig ausgebildet. Diese sechseckige Form ist in der Herstellung günstig und Pakete mit Trägerelementen 50 können der sechseckigen Form angepasst angeordnet sein. An- dere Geometrien sind ebenfalls möglich, z.B. kreisrund oder polygonal mit anderer Eckenzahl. Der untere Bereich 30 ist als Raum ausgebildet, in welchem bei Betrieb die schwebenden Mikroorganismen vorhanden sind. Über dem unteren Bereich 30 ist ein mittlerer Bereich 40, in welchem plattenförmige Trägerelemente 50 parallel angeordnet sind, so daß zwischen diesen Trägerele- menten Durchströmungswege in vertikaler Richtung vorhanden sind. Diese Anordnung der Trägerelemente dient als Festbett zur Ansiedlung von Mikroorganismen.
Die Trägerelemente sind durchströmungsporös und aus einem Material, das im Wesentlichen aus miteinander vereinigten Kunststoff— und Blähtonteilchen gebildet ist. Ein solches Material ist in der bereits erwähnten Patentschrift DE 43 09 779 der gleichen Anmelderin beschrieben.
Die Platten besitzen bevorzugt einen Abstand von 3 bis 6 cm, insbesondere ist ein Abstand von 3,5 bis 5,5 cm bevorzugt. Die Trägerelemente sind, in der Draufsicht auf den Reaktorquerschnitt betrachtet, tangential in Paketen, welche Sechsecksegmente bilden, angeordnet. Andere Anordnungen sind ebenfalls denkbar, z.B. Anordnungen von rechteckigen Paketen, von Paketen mit der Grundform eines Vielecks oder Anordnungen mit gekrümmten Platten.
Um einen ausreichenden Biomasserückhalt sicherzustellen, ist im Reaktor ein Separatorsystem 90 angeordnet, welches aus schräggestellten Leitelementen 91, 92, 93, 94 gebildet ist. Diese Leitelemente verhindern einen Austrag von Feststoffteilchen, z.B. von gasbehafteten Pellets. Andere Anordnungen der-Lei- telemente sind denkbar. Die Leitelemente 91, 92, 93, 94 können der Draufsicht der sechseckigen bzw. vieleckigen Festbettform nachempfunden sein oder rund ausgeführt sein.
Die Strömungsführung ist anhand der Pfeile k, I, m, n, o, p, q und r ersichtlich. Das zu behandelnde Abwasser wird im Wesentlichen über die Zuleitung 60 zugeführt und saugt Flüssigkeit aus dem Außenraum 40 an und strömt beim Betrieb durch das zentrale Rohr 20 in den unteren Bereich 30, wo schwebende Mikroorganismen in Form von Pellets vorhanden sind. Ein Teilstrom wird wahlweise über das Rohr 80 zugeführt und durchmischt zusätzlich den unteren Teil des Reaktors 30. Ein an der inneren Reaktorwand umlaufendes Strömungshindernis 120, welches im unteren Bereich 30 des Reaktors angeordnet ist, dient zur Strömungsablösung, das zu behandelnde Abwasser kann so nicht bevorzugt an der Behälterwand aufströmen. Die verwendeten Mikroorganismen gehören zur Gattung Methanotrix. Aufgrund ihres Stoffwechsels bilden diese Bakterien Gase, welche in Form kleiner Bläschen an den Pellets haften. Dadurch steigen die Pellets auf und erzeugen eine zusätzliche Strömung des Abwassers. Dabei wird das zu behandelnde Abwasser an den Mikroorganismen auf den Trägerelementen vorbeigeführt und mit diesen in Kontakt gebracht. An einer aus Leitelementen 91, 92, 93 gebildeten Trennwand werden die Pellets zurück- gehalten, geben die Gasbläschen aufgrund der an den Leitelementen erfolgenden Agitation ab und können dann aufgrund ihrer im Vergleich zum Abwasser höheren Dichte durch das zentrale Rohr 20 wieder in den unteren Bereich 30 absinken. Die Trennwand bildet einen Gassammlungsraum 96, in welchem sich Gas sammeln und über eine erste Gasableitung 98 abgeführt werden kann.
Diese aus den Leitelementen 91, 92, 93 gebildete Trennwannd überdeckt den Großteil des Reaktorquerschnitts und läßt zwischen ihrem äußeren Rand und der Reaktorwand eine Ringfläche frei. Ein Teil der Strömung entlang der Trägelemente wird am äußeren Rand der Trennwand, 91, 92, 93 abgezweigt, und aus dem oberen Bereich oberhalb der Trennwand 91, 92, 93 und unterhalb der Leitelemente 94 durch einen Entnehmer für Abwasser 100,101 abgezogen und über ein Rezirkulationssystem 130 im Umlauf wieder dem Reaktor zugeführt. Die Leitelemente 94 bilden im oberen Bereich des Reaktors oberhalb der 365 Trennwand 91,92, 93 und oberhalb des Entnehmers des Rezirkulationssystems eine Beruhigungszone aus welcher über ein Abzugsystem 70 behandeltes Abwasser aus dem Reaktor entnommen werden kann.
Die entstandenen Gase können über eine zweite Gasableitung 1 10 am oberen 370 Ende des Reaktors abgeführt werden.
Bevorzugte Entnehmer des Rezirkulationssystems sind in den Fig. 2A, 2B und 2C gezeigt.
375 Fig. 2A zeigt den sogenannten Doppelplattenabzug. Er besteht aus zwei im Abstand von 40 bis 70 mm übereinander angeordneten kreisförmigen Platten, zwischen denen zentral die Flüssigkeit abgezogen wird. Diese Anordnung gewährleistet ein Abziehen bei langsamer Strömungsgeschwindigkeit am Außenumfang der Platten.
380 In Fig. 2B ist eine Ringleitung mit Löchern dargestellt. Um einen gleichmäßigen Flüssigkeitsabzug zu gewährleisten sind die Löcher, wie in Fig. 2 dargestellt, mit unterschiedlicher Größe ausgeführt.
385 In Fig. 2 C ist ein sternförmiger Rohrabzug dargestellt, wodurch die Flüssigkeit an 6 Stellen entnommen wird. Wenn die Rohrenden mit T-Stücken versehen werden (mit unterbrochener Linie dargestellt), kann die Flüssigkeit an 12 Stellen abgezogen werden.
390 In Figur 2D ist ein Abzugssystem mit einer getauchten Abzugrinne mit Ab- zuglöcherπ dargestellt. Die Lochgröße und Anzahl der Löcher sind so gewählt, dass eine gleichmässige Abführung des behandelten Abwassers sichergestellt ist.
395 Die notwendige Umlaufwassermenge für die Zuleitung bei 60 wird über das Rezirkulationssystem 130 genommen. Erstmalig dem Reaktor zuzuführendes Abwasser kann über die Leitung 132 in das System eingeführt werden. Bei Be- darf, bzw. in periodischen Abständen wird ein Teil des zu- bzw. umlaufenden Abwassers über das Rohr 80 als Treibstrahl in den unteren Bereich des Reak- tors geleitet, um die dort vorhandene Biomasse (die Mikroorganismen-Pellets) aufzuwirbeln. Bei größeren Reaktoren können mehrere Treibstrahlmündungen vorgesehen sein, um eine Aufwirbelung der Biomasse zu erreichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 405
1. Reaktor zur anaeroben Abwasserbehandlung, aufweisend folgende Merkmale: (a) ein zentraler, von oben nach unten führender Strömungskaπal, der 410 oben mit einem ersten Abstand von der oberen Reaktorbegrenzung endet und unten mit einem zweiten Abstand von der unteren Reaktorbegrenzung endet; (b) in dem Ringraum zwischen dem zentralen Strömungskanal und der Reaktorwand sind für die gesamte Höhe des Strömungskanals oder für
415 einen Teil der Höhe des Strömungskanals Trägerelemente zum Immobilisieren von Mikroorganismen in Form eines strukturierten, geordneten Festbetts positioniert, wobei zwischen benachbarten Trägerelementen Durchströmungswege vorhanden sind; (c) ein unterer Bereich des Reaktors zwischen seiner unteren Begrenzung 420 und den Trägerelementen ist als Raum ausgebildet, der dafür bestimmt ist, beim Betrieb des Reaktors Abwasser mit darin schwebenden Mikroorganismen aufzunehmen; (d) ein oberer Bereich des Reaktors zwischen seiner oberen Begrenzung und den Trägerelementen;
425 (e) der Reaktor ist hinsichtlich seiner Innenströmung als Schlaufenreaktor ausgebildet derart, dass enthaltenes Abwasser durch den zentralen Strömungskaπal nach unten, dann durch den Raum im unteren Bereich, dann an den Trägerelementen entlang nach oben, und schließlich wieder in den zentralen Strömungskanal zirkuliert werden kann.
430 (f) eine Zuleitung für erstmalig in den Reaktor einzubringendes, zu behandelndes Abwasser; (g) ein Abzugssystem zum abschließenden Ausbringen von behandeltem Abwasser aus dem Reaktor.
435
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum im unteren Bereich dafür bestimmt ist, Abwasser mit 'darin schwebenden Mikroorganismen- Pellets aufzuπeh- 440 men.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass plattenförmige Trägerelemente vorgesehen sind.
445 4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang des Reaktors verteilt mehrere Pakete von Trägerelementen angeordnet sind, wobei jeweils innerhalb des Pakets die plattenförmigen Trägerelemente parallel zueinander 450 und in Tangentialrichtung des Reaktors angeordnet sind.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungswege zwischen benachbarten Trägerelementen 3 bis 6 cm, bevorzugt 3,5 bis 5,5 cm, breit sind.
455 6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durchströmungsporöse Trägerelemente vorgesehen sind.
460 7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Trägerelemente vorgesehen sind, die im wesentlichen aus miteinander vereinigten Kunststoff— Teilchen und Blähton-Teilchen bestehen.
465 8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Rezirkulationssystem, welches einen Entnehmer für Abwasser und einen Zuführer für Abwasser zur Strömungsabgabe in den zentralen Strömungskanal aufweist.
470 Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Entnehmer einen Zwischenraum zwischen zwei plattenartigen Elementen und eine in dem Zwischenraum beginnende Leitung aufweist.
475 10. Reaktor nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abzugssystem ein Stück oberhalb des Entnehmers des Rezirkulationssystems positioniert ist.
480 1 1. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Bereich des Reaktors, unterhalb des Abzugssystems, ein Separatorsystem vorgesehen ist, das dem Zurückhalten der im Abwasser schwebenden Mikroorganismen in dem Reaktor dient.
485 12. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Separatorsystem eine Trennwand mit Abstand oberhalb des oberen Endes des zentralen Strömungskanals aufweist, welche einen Großteil des Reaktorquerschnitts überdeckt und eine 490 äußere Ringfläche freilässt.
13. Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand bereichsweise nicht-horizontal verläuft und in einem höchsten Bereich einen Gassammlungsraum 495 bildet.
14. Reaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass von dem höchsten Bereich die Trennwand - grob gesprochen - schräg nach ausseπ abwärts und schräg nach innen 500 abwärts verläuft.
15. Reaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Entnehmer des Rezirkulationssystems an der Oberseite der Trennwand positioniert ist.
505 16. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Bereich des Reaktors eine erste Abführungsleitung für in dem Reaktor gebildetes Gas beginnt.
510 17. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Trennwand eine zweite Abführungsleitung für in dem Reaktor gebildetes Gas beginnt.
18. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
515 dadurch gekennzeichnet, dass in 15 bis 40%, vorzugsweise 20 bis 30%, des Reaktorvolumens Trägerplatten positioniert sind.
19. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich des Reaktors ein Strö- 520 mungsumlenker an der Wand positioniert ist.
20. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet, durch mindenstens eine Treibstrahlmündung, die unterhalb des unteren Endes des zentralen Strömungskanals endet.
525 21. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass er so ausgelegt ist, dass als immobilisierte Mikroorganismen einerseits und als schwebende Mikroorganismen andererseits unterschiedliche Arten von Mikroorganismen vorgesehen sind.
530 22. Verfahren zur anaeroben Abwasserbehandlung in einem Reaktor, in welchem zu behandelndes Abwasser zirkuliert, dergestalt, daß Abwasser
(a) zentral von oben nach unten strömt;
535 (b) dann in einem Raum im unteren Bereich des Reaktors mit in dem Abwasser schwebenden Mikroorganismen in Kontakt ist; (c) dann in einem darüber befindlichen Raum des Reaktors an Mikroorga- 540 nismen entlang strömt, die in Form eines strukturierten geordneten Festbetts auf Trägerelementen angeordnet sind;
(d) und schließlich wieder in die zentrale Strömung von oben nach unten übergeht. 545
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass nach Entlangströmen an den Mikroorganismen auf den Trägerelementen ein Teil des Abwassers abgezweigt und in den zentralen Strömungskanal eingepumpt wird.
550 24. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Behandlungsraum schwebende Mikroorganismenpellets vorhanden sind.
555 25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die im Abwasser schwebenden Mikroorganismen durch ein Separatorsystem in dem Reaktor zurückgehalten werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25,
560 dadurch gekennzeichnet, dass als immobilisierte Mikroorganismen einerseits und als schwebende Mikroorganismen andererseits unterschiedliche Arten von Mikroorganismen vorgesehen sind.
27. Verwendung des Reaktors gemäß einer der Ansprüche 1 bis 21 oder des 565 Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 22 bis 26 zur anaeroben Abwasserbehandlung einer Anlage der Getränke-, Futtermittel- oder Lebensmittelindustrie.
28. Verwendung des Reaktors gemäß einer der Ansprüche 1 bis 21 oder des 570 Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 22 bis 26 zur anaeroben Abwasserbehandlung einer Anlage der Papier- oder Textilindustrie.
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