DE3709174A1 - Verfahren und vorrichtung zur biologischen reinigung von organisch belasteten abwaessern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur bio­ logischen Reinigung von organisch belasteten Abwässern, bei dem die Abwasserinhaltsstoffe mikrobiell umgesetzt werden und das behandelte Abwasser anschließend von dem biologischen Schlamm abgetrennt wird, und auf eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens.

Bei derartigen Verfahren werden die Abwasserinhalts­ stoffe durch die mikrobielle umsetzung in unschädliche Stoff­ wechselprodukte und körpereigene Substanz umgewandelt. Es ist bekannt, von diesem biologischen Schlamm das solchermaßen behandelte Abwasser durch eine Dichtetrennung in Absetz- oder Flotationsanlagen abzutrennen, wodurch jedoch eine voll­ ständige Fest-Flüssig-Trennung nicht erreichbar ist. Auch sind dabei die erzielbaren Konzentrationen an Biomasse begrenzt, wodurch auch die Leistung der bekannten Verfahren ihre Gren­ ze findet.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend auszu­ bilden, daß durch eine vollständige Fest-Flüssig-Trennung ein sehr hoher Reinigungsgrad bei hoher Leistung erzielt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mikro­ bielle umsetzung unter Überdruck ausgeführt wird und die Abtrennung des behandelten Abwassers vom biologischen Schlamm durch eine Membran- oder Ultrafiltration vorgenommen wird.

Mittels der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen Membran- oder Ultrafiltration wird eine vollständige Fest-Flüssig-Trennung erreicht, die überdies weitgehend unabhängig von den physikalischen Eigenschaften der Mikroorganismen stattfindet. Hierdurch und durch die Überdruckanwendung bei der Umsetzung lassen sich erhöhte Biomassekonzentrationen erzielen, die im Vergleich zu den bekannten Verfahren eine Leistungssteigerung um das Mehr­ fache erlauben. Die vollständige Fest-Flüssig-Trennung ermöglicht die Einhaltung extrem hoher Reinigungsgrade, die bis zur Zurückhaltung sämtlicher Bakterien gehen. Die Druckverhältnisse bei der umsetzung und bei der Filtra­ tion lassen sich weitgehend einheitlich einstellen, so daß die aktive Biomasse keinen zu starken Differenzdrücken ausge­ setzt wird, die zu einer Schädigung der Mikroorganismen führen könnten.

Während bei einer zweckmäßigen Ausführungsform des Verfahrens die mikrobielle umsetzung unter aeroben Be­ dingungen ausgeführt wird, ist es alternativ auch möglich, daß die mikrobielle umsetzung unter anaeroben Bedingungen ausgeführt wird. Dabei erfolgt der Aufbau und die Auf­ rechterhaltung des erforderlichen Überdruckes durch die Einpressung eines geeigneten Gases und durch Pumpen der Abwässer bzw. des biologischen Schlamms. Für die aerobe Behandlung kommt Luft, für die anaerobe Behandlung Faulgas in Betracht.

Hinsichtlich der Bemessung des Überdruckes hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß der Wert des Überdrucks zwischen 1 und 5 Bar beträgt.

Mit besonderem Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt, daß die Abtrennung des biologischen Schlamms bei der Filtration und dessen Rück­ führung zur erneuten Umsetzung kontinuierlich ausgeführt wird. Damit bietet das erfindungsgemäße Verfahren die üblichen Vorteile eines kontinuierlichen Ablaufs. Das bei der Filtration anfallende feststoffreie Permeat wird als gereinigtes Abwasser abgeleitet bzw. einer Verwendung zugeführt. Ebenso kann das durch den abgetrennten biolo­ gischen Schlamm gebildete Konzentrat im Überschußfalle abgeleitet und nur der verbleibende Teil kontinuierlich zur erneuten umsetzung zurückgeführt werden.

Zur Einhaltung einer optimalen Betriebstemperatur ist in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ferner vorgesehen, daß die Betriebstemperatur während des Verfahrensablaufs geregelt wird.

Zur Steigerung der Laufzeit und des Wirkungsgrades sind bei einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung in dem Filtrationsvorgang Spülintervalle vorgesehen.

Während je nach Bedarf und Aufgabenstellung das bei dem Verfahren anfallende Verfahrensabgas, das beispiels­ weise aus dem verbrauchten zugeführten Druckgas und/oder aus bei der umsetzung entstehendem Gas besteht, einer Zwischenspeicherung unterzogen werden kann, ist in einer besonders einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß das Verfahrensabgas desodoriert und/oder gereinigt wird. Für viele Anwendungen ist es sodann möglich, das solchermaßen behandelte Verfahrensabgas unmittelbar an die Atmosphäre abzugeben.

Eine im Rahmen der Erfindung vorgesehene Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen der mikrobiellen umsetzung des organisch belasteten Ab­ wassers dienenden, druckbeaufschlagten Bioreaktor und eine an dem Bioreaktor angeschlossene, den biologischen Schlamm zurückhaltende Membranfilter- oder Ultrafiltereinrichtung auf, der eingangsseitig das behandelte Gemisch aus dem Bioreaktor zugeführt und von der ausgangsseitig das gereinigte Abwasser abgeleitet wird.

Bei diesem Aufbau bilden der Bioreaktor und die ihm nachgeschaltete Membranfilter- oder Ultrafiltereinrich­ tung eine Druckeinheit, die sicherstellt, daß die aktive Biomasse keinen zu starken Differenzdrücken ausgesetzt ist, welche zu einer Schädigung der Mikroorganismen führen könnten. Der an der Filtereinrichtung zur Filtration er­ forderliche Differenzdruck ergibt sich sowohl aus dem Transmembrandruck wie dem Druckgefälle zwischen dieser Druck­ einheit und der Atmosphäre. Eine für einen kontinuierlichen Betrieb besonders geeignete Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Filtereinrichtung längsdurchströmte Rohrmodule aufweist. Das in der Filtereinrichtung kontinuierlich anfallende, von dem abgetrennten biologischen Schlamm gebildete Konzentrat wird dabei kontinuierlich in den Druckbioreaktor zurückgeführt wobei im Überschußfalle vorgesehen sein kann, daß ein Teil als Überschußschlamm abgelassen wird.

Für einen wirkungsvollen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine intensive Vermischung zwischen dem Abwasser, dem biologischen Schlamm und dem verwendeten Druck­ gas, wie Luft oder Faulgas, von Wichtigkeit. In einer bevor­ zugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, daß der Bio­ reaktor eine Mehrstoffdüsen , Injektions- oder statische Mischereinrichtung zur Vermischung des zu behandelnden Abwassers mit dem aus der Filtereinrichtung und/oder dem Bioreaktor abgezogenen biologischen Schlamm und/oder dem Druckgas aufweist. Im einzelnen handelt es sich bei der Injektionseinrichtung um mindestens eine Zweistoffdüse. Das Gemisch aus dem Abwasser und dem biologischen Schlamm wird mittels einer Pumpe durch die Treibstrahldüse gedrückt und reißt dabei das am Injektormantel zugeführte Druckgas mit, was zu der erwünschten intensiven Feinverteilung und Durchmischung führt. Dagegen besteht die statische Mischer­ einrichtung aus mindestens einem starren, wendelförmigen Mischelement, das im allgemeinen in einem Durchströmungsrohr angeordnet ist und an dem die zu mischenden Medien vorbei­ gefördert werden. Auch hierdurch wird eine vollständige und kontinuierliche Durchmischung erzielt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß der nach dem Schlaufenreaktorprinzip arbeitende Druckbioreaktor eine Umwälz- oder Rücklaufpumpe für die umwälzung des Reaktorinhaltes auf­ weist. Hierdurch wird das Abwasser-Schlamm-Gasgemisch während der erforderlichen Reaktionszeit in dem nach dem Schlaufen­ reaktorprinzip arbeitenden Druckbioreaktor umgewälzt.

Um den Betrieb der Vorrichtung an Durchsatzschwan­ kungen anpassen zu können, ist in einer vorteilhaften Aus­ führungsform vorgesehen, daß eine in Abhängigkeit von der Menge des zugeführten, zu behandelnden Abwassers regelnde Regeleinrichtung für die Umwälz- oder Rücklaufpumpe vorge­ sehen ist. Hierdurch wird die Beaufschlagung der Filter­ einrichtung in Abhängigkeit von den schwankenden Anforderungen an die Durchsatzmenge geeignet geregelt.

Zusätzlich oder alternativ läßt sich die Anpassung an Durchsatzschwankungen auch in einer weiteren Ausgestal­ tung der Erfindung erreichen, bei der ein die Filterein­ richtung überbrückender Nebenschlußzweig für das aus dem Bioreaktor zugeführte behandelte Gemisch mit einem Regel­ ventil zur Steuerung der Durchflußmenge des Nebenschluß­ zweiges vorgesehen ist.

Eine weitere Alternative besteht in diesem Zusammen­ hang darin, daß die Filtereinrichtung eine Anzahl selektiv zu- und abschaltbarer Filtermodule aufweist. Hierdurch erfolgt eine besonders wirkungsvolle Anpassung an schwan­ kende Durchsatzmengen.

Gemäß einem anderen Gedanken der Erfindung weist die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Filter­ einrichtung eine Spüleinrichtung auf. Hierdurch kann die Membranfilter- oder Ultrafiltereinrichtung in Intervallen gereinigt und somit die Laufzeit und der Wirkungsgrad der Filtereinrichtung gesteigert werden.

Um die für das erfindungsgemäße Verfahren ange­ strebte optimale Betriebstemperatur auf einfache Weise einstellen zu können, ist in einer zweckmäßigen Ausge­ staltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine der Regelung der Betriebstemperatur dienende Wärmetauscherein­ richtung vorgesehen. Durch diese kann je nach Anwendungs­ gebiet entweder die Reaktionswärme abgeleitet oder die Betriebstemperatur erhöht werden.

Schließlich weist eine Ausführungsform der Vorrich­ tung eine Abgasreinigungseinrichtung für eine Reinigung und/ oder Desodorierung des anfallenden Verfahrensabgases auf. Durch diese Maßnahme ist es bei vielen Anwendungsfällen möglich, das Verfahrensabgas einfach an die umgebende Atmosphäre abzugeben.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens geeignete Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, auf die bezüglich einer erfindungswesentlichen Offenbarung aller im Text nicht erwähnten Einzelheiten ausdrücklich hingewiesen wird, beispielhaft erläutert ist.

Wie aus der einzigen Figur der Zeichnung hervor­ geht, wird organisch belastetes Abwasser 1 mittels einer Zulaufpumpe 2 einer Mischereinrichtung 3 zugeführt, die eine Mehrstoffdüse, einen Injektor oder einen statischen Mischer aufweisen kann. Die Mischereinrichtung 3 wird ferner mittels eines Kompressors 4 mit einem Druckgas 5 beaufschlagt, das im Falle eines aeroben Betriebs bei­ spielsweise Luft und im Falle eines anaeroben Betriebs beispielsweise Faulgas sein kann. Schließlich wird der Mischereinrichtung 3 ein im Verlauf des Verfahrens, wie nachstehend erläutert, anfallendes Schlammkonzentrat 7 zugeführt. Die Mischereinrichtung 3 dient einer intensiven Vermischung des Druckgases mit dem zu reinigenden Abwasser 1 und dem rückgeführten Schlammkonzentrat 7.

Das Gemisch aus der Mischereinrichtung 3 wird einem an die Mischereinrichtung 3 angeschlossenen Bioreaktor 6 zuge­ leitet, der unter einem von dem Kompressor 4 aufgebrachten Überdruck steht. Der Wert des Überdrucks beträgt beispiels­ weise zwischen 1 und 5 Bar. Ein an den Bioreaktor 6 ange­ schlossenes Regelventil 9 dient der Ableitung des bei der in dem Bioreaktor 6 stattfindenden mikrobiellen Umsetzung verbrauchten und/oder des dabei gebildeten Gases 8. Dem Regel­ ventil 9 ist ausgangsseitig eine Abgasreinigungseinrichtung 21 nachgeschaltet, durch die das Abgas desodoriert und/oder gereinigt wird.

An den Bioreaktor 6 ist über eine Umwälz- oder Rück­ laufpumpe 10 eine Membranfilter- oder Ultrafiltereinrichtung 11 angeschlossen, die von der Umwälz- oder Rücklaufpumpe 10 mit biologischem Schlamm 12 aus dem Bioreaktor 6 beschickt wird. In der Membran- oder Ultrafiltereinrichtung 11 erfolgt eine Fest-Flüssig-Trennung des eingangsseitig zugeführten biologischen Schlamms 12 in ausgangsseitig ab­ geleitetes, gereinigtes Abwasser 13 und das zur Mischer­ einrichtung 3 zurückgeführte Schlammkonzentrat 7. Somit be­ steht zwischen dem mit der Umwälz- oder Rücklaufpumpe 10 verbundenen Ausgang des Bioreaktors 6 und seinem mit der Mischereinrichtung 3 verbundenen Eingang ein Umwälzkreis­ lauf des biologischen Schlamms 12, 7. Ein in diesem Kreis­ lauf anfallender Überschußschlamm 14 kann sowohl der Ausgangs­ seite 14/1 des Filterkreislaufs entnommen werden, als auch unmittelbar an einem dafür vorgesehenen Ausgang 14/2 des Bioreaktors 6.

Eine von dem zugeführten, zu reinigenden Abwasser 1 durchströmte, der Mischereinrichtung 3 vorgeschaltete, induk­ tive Durchflußmeßeinrichtung 17 dient zur Ermittlung der Durchsatzmenge. Mit dem solchermaßen ermittelten Meßwert wird ein Regelventil 16 gesteuert, das in einer sich zwischen der von der Umwälz- oder Rücklaufpumpe 10 beschickten Eingangs­ seite und der der Abfuhr des Schlammkonzentrats 7 dienenden Ausgangsseite der Membran- oder Ultrafiltereinrichtung 11 erstreckenden Nebenschlußleitung 15 vorgesehen ist. Die Stellung dieses Regelventils 16 regelt also die Beaufschlagung der Membran- oder Ultrafiltereinrichtung 11 und beeinflußt damit den Durchsatz der gesamten Vorrichtung. Alternativ oder zusätzlich kann das Meßsignal der Durchflußmeßein­ richtung 17 auch dazu verwendet werden, einzelne in der Filtereinrichtung 11 vorgesehene Filtermodule selektiv zu- und abzuschalten.

Ein in der von der Filtereinrichtung 11 zur Mischer­ einrichtung 3 führenden Rücklaufleitung für das Schlamm­ konzentrat 7 vorgesehener Wärmetauscher 20 dient zur Ein­ stellung der optimalen Betriebstemperatur. Je nach Anwen­ dung kann durch den Wärmetauscher 20 Reaktionswärme abge­ führt oder auch die Betriebstemperatur erhöht werden.

Dem Bioreaktor 6 ist eine in der Zeichnung nur durch eine strichpunktierte Linie schematisch angedeutete Meß- und Regeleinrichtung 18 zur Ermittlung weiterer betrieb­ licher Regelgrößen zugeordnet. Hierdurch kann beispiels­ weise eine Füllstandsregulierung des Bioreaktors 6 erfolgen.

Schließlich weist die Filtereinrichtung 11 eine in der Zeichnung durch eine strichpunktierte Linie nur schematisch angedeutete Spüleinrichtung 19 auf. Durch diese erfolgt in gewissen Intervallen eine Spülung, wodurch die Laufzeit und der Wirkungsgrad der Membranfilter- oder Ultrafiltereinrichtung 11 erhöht werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur biologischen Reinigung von organisch belasteten Abwässern, bei dem die Abwasserinhaltsstoffe mikro­ biell umgesetzt werden und das behandelte Abwasser an­ schließend von dem biologischen Schlamm abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrobielle Umsetzung unter Überdruck ausgeführt wird und die Abtrennung des be­ handelten Abwassers vom biologischen Schlamm durch eine Membran- oder Ultrafiltration vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die mikrobielle Umsetzung unter aeroben Be­ dingungen ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrobielle Umsetzung unter anaeroben Be­ dingungen ausgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Überdrucks zwischen 1 und 5 Bar beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des biologischen Schlamms bei der Filtration und dessen Rückführung zur erneuten um­ setzung kontinuierlich ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur während des Verfahrensablaufs geregelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Filtrationsvorgang Spülintervalle vorgesehen sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahrensabgas desodo­ riert und/oder gereinigt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen der mikrobiellen umsetzung des organisch be­ lasteten Abwassers (1) dienenden, druckbeaufschlagten Bioreaktor (6) und eine an dem Bioreaktor (6) angeschlos­ sene, den biologischen Schlamm (14) zurückhaltende Mem­ branfilter- oder Ultrafiltereinrichtung (11), der ein­ gangsseitig das behandelte Gemisch (12) aus dem Bio­ reaktor (6) zugeführt und von der ausgangsseitig das gereinigte Abwasser (13) abgeleitet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Filtereinrichtung (11) längsdurch­ strömte Rohrmodule aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspurch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor (6) eine Mehrstoff­ düsen-, Injektions- oder statische Mischereinrichtung (3) zur Vermischung des zu behandelnden Abwassers (1) mit dem aus der Filtereinrichtung (11) und/oder dem Bioreaktor (6) abgezogenen biologischen Schlamm (7) und/oder dem Druckgas (5) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Schlaufenreak­ torprinzip arbeitende Druckbioreaktor (6) eine Umwälz- oder Rücklaufpumpe (10) für die umwälzung des Reaktor­ inhaltes aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß eine in Abhängigkeit von der Menge des zugeführten zu behandelnden Abwassers (1) regelnde Regeleinrichtung für die Umwälz- oder Rücklauf­ pumpe (10) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß ein die Filtereinrichtung (11) überbrückender Nebenschlußzweig (15) für das aus den Bioreaktor (6) zugeführte behandelte Gemisch (12) mit einem Regelventil (16) zur Steuerung der Durchflußmenge des Nebenschlußzweiges (15) vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (11) eine Anzahl selektiv zu- und abschaltbarer Filtermodule aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (11) eine Spüleinrichtung (19) aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Regelung der Betriebs­ temperatur dienende Wärmetauschereinrichtung (20) vorge­ sehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet daß eine Abgasreinigungseinrich­ tung (21) für eine Reinigung und/oder Desodorierung des anfallenden Verfahrensabgases vorgesehen ist.