DE69403140T2

DE69403140T2 - Verfahren zur biologischen Aufbereitung von Wasser

Info

Publication number: DE69403140T2
Application number: DE69403140T
Authority: DE
Inventors: Pavel Chudoba; Michele Pannier; Roger Pujol
Original assignee: Degremont SA
Current assignee: Suez International SAS
Priority date: 1993-06-23
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2014-06-10
Also published as: DE69403140D1; EP0630862A1; FR2706883A1; DE630862T1; EP0630862B1; CA2126522A1; ES2065305T3; JPH0716584A; ATE153006T1; ES2065305T1; FR2706883B1; BR9402497A; AU671367B2; KR950000583A; GR950300004T1; AU6465894A; US5480551A

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Behandlung von Wasser.
Es ist bekannt, daß die neuesten Verfahren zur Behandlung von Wasser sich mehr und mehr der bindungsfähigen Kulturen bedienen. Ist die Biomasse an ein Trägermaterial gebunden, so erlaubt dies eine höhere Biomassenkonzentration pro Volumeneinheit in der Anlage zur biologischen Behandlung. Auf die Art laufen die biologischen Reaktionen und der Massenfluß im allgemeinen mit höheren Reaktionsgeschwindigkeiten ab.
Außerdem ist bekannt, daß die Aktivität der Biomasse eine gewichtige Rolle im biologischen Abbauprozeß spielt. Immer öfter werden granuläre Materialien als Trägermaterial verwendet, die in turbulenten Fließbettreaktoren bevorzugt im 3-Phasenmilieu (gasförmig-flüssigfest) expandiert, bewegt, turbulent durchströmt und fluidisiert werden. So offenbart die internationale Anmeldung WO92/19548 einen biologischen Reaktor zur Nitrifikation/Denitrifikation für die Behandlung von Abwasser, der eine Trägerbiomasse einsetzt, die aus porösen Partikeln, insbesondere aus zermahlenem Ton mit einer mittleren Korngröße von 200 µm und einer spezifischen Dichte zwischen 1700 und 3000 kg/m³, besteht. Der Reaktor wird mit einer inneren Rückführung der Partikel betrieben.
Es ist ebenfalls bekannt, daß die Bewegungen der Partikel mehr oder weniger häufige und starke Kollisionen zwischen den Gasblasen und diesen Partikeln hervorrufen. Diese Kollisionen tragen verstärkend zu einer besseren Kontrolle des feinen und auf der Oberfläche der Biopartikel aktiven Biofilms bei (Reibungs- und Scherkräfte). Im Einsatz bestimmter Verfahren ist ein äußeres System zur Trennung Trägermaterial/Biomasse notwendig.
Die Oberfläche des für das Binden der Biomasse verfügbaren Trägermaterials ist das die Effektivität des Verfahrens bestimmende Element, wobei dies entweder die Auswahl eines feinkörnigen Materials (womit folglich eine vergrößerte Oberfläche einhergeht) oder die Verwendung eines gröberen Materials erfordert, das auch den erhöhten Füllungsgrad des biologischen Reaktors ermöglicht.
Die mit der Verwendung von feinkörnigem Material verbundene Unzulänglichkeit liegt in einem Verlustrisiko dieses Materials durch ein Austragen während dem Reaktorbetrieb. Die Verwendung gröberen Trägermaterials, mit der ein erhöhter Füllungsgrad im Reaktor einhergeht, zieht hydrodynamische Beanspruchungen nach sich, die insbesondere mit einem verringerten Sauerstofftransport, sowie einem erhöhten Energieverbrauch verbunden sind. Ungeachtet dieser Unzulänglichkeiten setzen die Verfahren zur biologischen Behandlung von Wasser immer öfter grobkörniges Material als Trägermaterial für die Biomasse ein, wobei dieses Material dann wohldefinierte Korngrößen aufweist.
Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur biologischen Behandlung von Wasser bereitzustellen, das für die Biomasse ein Trägermaterial mit geeigneter Korngröße verwendet, wobei dieses Verfahren eine Autoselektion des Trägermaterial während dem biologischen Prozeß der Wasserbehandlung sicherstellt.
Dieser Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zu bewerkstelligen.
Nach einem Merkmal der vorliegenden Erfindung weist das verbrauchbare pulvrige Material eine verfügbare Oberfläche im Bereich von 800 bis 5000 m²/m³ auf.
Die Beschickung des verbrauchbaren pulvrigen Materials kann gemäß der Erfindung kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
Ebenso versteht es sich, daß das Verfahren gemäß der Erfindung folglich auf einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Beschickung eines geeigneten biologischen Reaktors mit feinkörnigem Material beruht, der eine Kultur von Mikroorganismen (Inoculum) enthält. Der biologische Reaktor wird mit dem zu behandelnden Wasser gespeist, wobei die Zufuhr feiner/mittelgroßer Luftblasen über eine Belüftungsvorrichtung sichergestellt ist. Im sauerstoffreien Milieu (Denitrifikation) oder anaeroben Milieu (Dephosphatisierung) ist die Belüftungsvorrichtung selbstverständlich außer Betrieb. Die Bewegung der flüssigen und gasförmigen Fluide erfolgt im aufsteigendem Gleichstrom (infolge der festgelegten Gas- und Flüssigkeitsgeschwindigkeiten). Der Reaktor kann ebenfalls mechanische Mittel zum Umrühren aufweisen (Rührwerksreaktor).
Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt es, eine Vor-Selektion der Korngrößen des granulären Materials zu erhalten, welches geeignet ist, zur Bildung von Biopartikeln sehr rasch einen feinen und aktiven Biofilm zu binden; diese Biopartikel stellen ungefähr die Gesamtmenge der Biomasse im System dar, wobei die hydrodynamischen Bedingungen und die äußerst kurzen Verweilzeiten die Entwicklung einer freien Biomasse verhindern.
Die sehr feinkörnigen Mineralpartikel werden mit der während der biologischen Reaktion im Reaktor produzierten Biomasse ausgetragen. Diese freigelegte Biomasse bewirkt Kollisionen zwischen ihren Partikeln und den Gasblasen. Auf die Art stellt sich nach einiger Zeit ein Gleichgewicht im System ein, wobei ein Teil des feinkörnigen Materials mit der produzierten Biomasse ausgetragen wird und regelmäßiges Zuführen neuen Materials die Aufrechterhaltung des notwendigen Füllungsgrads im biologischen Reaktor sicherstellt. Dieser Prozeß wird nach Maßgabe eines vorgegebenen Füllungsgrads periodisch wiederholt.
Die ungefähre Gesamtmenge der Biomasse (autotroph und heterotroph) wird auf den Biopartikeln gebunden, wobei die durch den erhaltenen feinen Biofilm hervorgerufenen Wechselwirkungen hohe Reaktionsgeschwindigkeiten und infolgedessen kurze Verweilzeiten des Wassers im Reaktor bewirken.
Im Hinblick auf die energetische Bewegung im Milieu zeigt der Biofilm die Tendenz, sich nicht "statistisch" zu vergrößern, da die Phänomene der Reibung und Scherung äußerst einflußreich sind. Dennoch können sich die Partikel aus dem einen oder anderen Grund an diese Bedingungen anpassen und infolgedessen kann das Anwachsen der Kultur eine Zunahme der Dicke des Biofilms hervorrufen, was zu einem Anstieg des Durchmessers der Biopartikel und zu einer nachfolgenden Verminderung seiner Dichte führt, wobei dies ein Austragen der Biopartikel im System zur Folge hat.
Im Verfahren gemäß der Erfindung werden die Verluste über periodische oder kontinuierliche Injektionen frischen Materials ausgeglichen, wobei die rasche Bildung dieser Biopartikel den vorher erreichten Gleichgewichtszustand kaum beeinflußt. Mit anderen Worten, selbst wenn die Konzentration der Biopartikel im System um einen vorgegebenen Wert schwankt, würden sich die Wirkungsgrade kaum ändern und sehr erhöht bleiben.
Außerdem erlaubt es das Verfahren gemäß der Erfindung, den Füllungsgrad leicht in Abhängigkeit der Temperatur zu justieren, erforderlichenfalls auch in Abhängigkeit eines vorhersehbaren Bedarfs (Zonen mit schwankender Bevölkerungsdichte, saisonaler Industriebetrieb usw.), um Schwankungen der Reaktionskinetik auszugleichen und so einen konstanten und für das Verfahren maximalen Wirkungsgrad beizubehalten.
Auf die Art wird eine geeignete Teilmenge des verbrauchbaren pulvrigen Rohmaterialss, die eine große Oberfläche zur Bindung anbietet, in einem wohldefinierten weiten Korngrößenbereich selektiert und durch das Verfahren gemäß der Erfindung zurückgehalten.
Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen ist ein Blockdiagramm, das die unterschiedlichen Verfahrensschritte gemäß der Erfindung zeigt. Dieses Diagramm ist in ausreichender Weise seibsterklärend, so daß keine ergänzenden Kommentare hierzu notwendig sind.
Die Auswahl des verbrauchbaren pulvrigen Materials bewirkt zum einen eine sehr rasche Kolonisierung der frisch injizierten Teilmenge durch die Mikroorganismen und zum anderen bestimmt es die geringen Kosten des benutzten Rohprodukts.
Das in den biologischen Reaktor injizierte feinkörnige Material besteht aus Kaolin-Abfällen.
Die bereits vorhergehend angeführten Eigenschaften dieses Materials sind nachfolgend dargestellt:
- kleine Korngröße (0 - 500 µm)
- Dichte > 1.500 kg/m³
- geringer Füllungsgrad (unterhalb 5 % des Volumens)
- erweiterte verfügbare Oberfläche (800 bis 5.000 m²/m³)
- große Oberflächenrauheit des Materials
- "verbrauchsfähig"; akzeptable Verluste, die ersetzt werden können.
Nachfolgend wird nun zur Orientierung und ohne jede Einschränkung ein Beispiel der Anlage beschrieben, nach welchem ein Verfahren gemäß der Erfindung bewerkstelligt werden kann. Diese Beschreibung bezieht sich auf die Fig. 2 und 3 der beiliegenden Zeichnungen, die eine Anlage zur biologischen Behandlung von Wasser mit jeweils einem 3-Phasen-Reaktor (Fig. 2) und einem 2-Phasen- und 3-Phasen- Reaktor (Fig. 3) wiedergeben.
Aus den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß die für das Bewerkstelligen des Verfahrens gemäß der Erfindung erwünschte Vorrichtung im wesentlichen entweder aus einem 3-phasigen biologischen turbulenten Fließbettreaktor 2 (Nitrifikation - Fig. 2) oder aus einem 2-phasigen Fließbettreaktor 7 (Denitrifikation) und aus einem 3-phasigen turbulenten Fleißbettreaktor 2 (Nitrifikation) wie in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht. Des weiteren weist diese Vorrichtung einen Separator 4 für Wasser und Schlamm/Biopartikel, sowie ein abschließendes Klärbecken 5 oder ein Flotte auf.
Das zu behandelnde Wasser 1 wird entweder in den Reaktor 2 oder in den Reaktor 7 gepumpt, wo es mit den Biopartikeln 3 in Berührung gebracht wird, wobei dies entweder bei gleichzeitiger Anwesenheit (3- Phasen-Reaktor 2) oder Abwesenheit (2-Phasen-Reaktor 7) von Luft erfolgt. Im Gegensatz zu derzeitig angewandten Verfahren benötigen diese Reaktoren 2 und 7 einen sehr geringen Füllungsgrad unterhalb 5 Volumen-%.
Nachdem das Wasser von der Verunreinigung (C/N) befreit wurde, wird es im Separator 4 von den Biopartikeln getrennt, der entweder im Inneren oder außerhalb des biologischen Reaktors angeordnet werden kann. Das behandelte Wasser, das aufgeschwemmtes Material und insbesondere feine Partikel des Trägermaterials enthält, wird anschließend zum Klärbecken 5 übergeleitet, in welchem die Klärung des Wassers und die Entnahme der feinen Partikel, sowie der produzierten Biomasse erfolgt. Danach wird das gereinigte Wasser in die natürliche Umgebung entlassen.
Die im Separator 4 zurückgehaltenen Biopartikel werden im Anschluß für einen neuen Behandlungszyklus über einen Rücklauf 6 in den Reaktor 2 zurückgeführt. Nach dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel stellt ein zweiter Rückführungskreislauf 8 die Zufuhr von Nitraten zu Anfang der Inbetriebnahme des Reaktors 7 sicher, wo diese durch die Biopartikel 3 in gasförmigen Stickstoff 9 umgewandelt werden.
Erfindungsgemäß werden die Verluste der systematisch abgeführten Partikel über periodische Beschickungen des 3-Phasen-Reaktors (Fig. 2) und/oder des 2-Phasen-Reaktors 7 (Fig. 3) mit frischem Material 10 ausgeglichen. Die Entnahme der während des biologischen Prozesses anfallenden Biomasse findet im abschließenden Klärbecken 5, beispielsweise mit Hilfe eines Ventils 11, statt.
Im folgenden sind die Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung aufgeführt:
- Auswahl eines Trägermaterials für die entsprechenden Mikroorganismen, ausgehend von einem Rohprodukt mit einer weiten Korngrößenverteilung;
- Verwendung eines erneuerbaren und verbrauchbaren Materials mit einem geringen Herstellungspreis in der Größenordnung des 50 bis 100fachen unterhalb des Preises für in solchen Verfahren zur biologischen Behandlung üblicherweise verwendeten Materialien (Salz, Aktivkohle, Biolit...);
- erhöhte bindungsfähige Oberfläche und erhöhte Wechselwirkung bei gleichzeitig geringem Füllungsgrad;
- erhöhte Reaktionsgeschwindigkeiten (bis zu 20 mal oberhalb derjenigen von Aktivschlamm);
- gut handhabbarer Schlamm (der gering verschleppt wird und ein geringes Verhältnis Volumen/Konzentration aufweist; man erhält hochkonzentrierte Schlämme, was deren Qualität verbessert);
- erhöhter Massenfluß (bis zu 600 kg/m³ pro Stunde) im Vergleich zu Aktivschlämmen (5 bis 10 kg/m³ pro Stunde);
- weiter Anwendungsbereich zur Behandlung von Wasser:
Stickstoff (tertiäre Nitrifikation): 3-phasiges turbulentes Fließbett 2 (Fig. 2);
Kohlenstoff/Stickstoff (Nitrifikation): 3-phasiges turbulentes Fließbett;
Kohlenstoff/Gesamtstickstoff (Nitrifikation/Denitrifikation): Koppeln der 2-phasigen (7) und 3-phasigen (2) turbulenten Fließbettreaktoren (Fig. 3);
Phosphor: wenn das System mit einem Denitrifikationsbereich und einem anaeroben Bereich ausgestattet ist.
In der nachstehenden Tabelle ist ein Vergleich der Reaktionsgeschwindigkeiten des Verfahrens gemäß der Erfindung mit anderen bekannten Verfahren wiedergegeben. Tabelle
Selbstverständlich bleibt vorliegende Erfindung nicht auf die Anwendungsbeispiele oder Ausführungen beschränkt, die hier beschrieben und/oder vorgestellt sind.

Claims

1. Verfahren zur biologischen Behandlung von Wasser, bei dem ein biologischer, eine Kultur von Mikroorganismen, die an ein granuläres Trägermaterial aus Biomasse gebunden sind, enthaltender Reaktor zum Einsatz kommt, und bei dem man in diesen Reaktor ein verbrauchbares, pulvriges Trägermaterial injiziert, dadurch gekennzeichnet, daß dieses pulvrige Material aus Kaolin-Abfällen mit einer Dichte über 1500 kg/m³ gebildet ist und daß es in diesen Reaktor in nichtselektierter Rohform, mit einem Korngrößenbereich zwischen 0 und 500 µm, vorzugsweise zwischen 0 und 200 µm injiziert wird, wobei der Füllgrad des biologischen Reaktors für das Trägermaterial niedriger als 5 Vol.-% ist, um eine Autoselektion und eine Autoregulierung der Korngröße des Trägermaterials sicherzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verbrauchbare, pulvrige Rohmaterial eine verfügbare Oberfläche im Bereich von 800 bis 5.000 m²/m³ aufweist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion des verbrauchbaren pulvrigen Materials kontinuierlich stattfindet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion des verbrauchbaren pulvrigen Materials diskontinuierlich stattfindet.