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Dokumentenidentifikation DE69015610T2 24.05.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0442157
Titel Verfahren zur Reinigung von verunreinigtem Wasser und Vorrichtung zu dessen Durchführung.
Anmelder Tauw Milieu B.V., Deventer, NL
Erfinder Urlings, Leonardus Gerardus Catherina Mathia, NL-3871 TB Hoevelaken, NL
Vertreter Abitz, W., Dipl.-Ing.Dr.-Ing.; Morf, D., Dr.; Gritschneder, M., Dipl.-Phys.; Frhr. von Wittgenstein, A., Dipl.-Chem. Dr.phil.nat.; Morf, J., Dipl.-Chem.Univ. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69015610
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 27.08.1990
EP-Aktenzeichen 902022995
EP-Offenlegungsdatum 21.08.1991
EP date of grant 28.12.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.05.1995
IPC-Hauptklasse C02F 3/06
IPC-Nebenklasse C02F 3/12   B01D 53/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von verunreinigtem Wasser, das wenigstens flüchtige organische Verbindungen und gegebenenfalls Eisen und Mangan enthält, wobei zugesetzte Luft verwendet wird, und ferner eine Apparatur zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Ein solches Verfahren und eine solche Apparatur sind in der nicht zuvor veröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP-A-0 385 555 beschrieben.

Bei diesem Verfahren werden die zu reinigende Luft und das zu reinigende Wasser gegebenenfalls mit zusätzlicher Luft angereichert, gleichzeitig durch ein aerobes biologisches System geleitet, das Mikroorganismen enthält, die in der Lage sind, die organischen Verbindungen, die als Verunreinigung vorhanden sind, als Energiequelle und/oder Kohlenstoffquelle zu nutzen. Es ist zweckmäßig, eine Apparatur zu verwenden, die eines oder mehrere Kompartimente umfaßt und die am Boden des ersten Kornpartiments mit einem Einlaß für das zu behandelnde Wasser und die zu behandelnde Luft ausgestattet ist.

Die genannte Apparatur kann mit einer Vorrichtung zum Bereitstellen zusätzlicher Luft am Boden ausgestattet sein. Dies ermöglicht es, ein günstiges Verhältnis zwischen Sauerstoff und organischen Verunreinigungen und ein günstiges Verhältnis zwischen Luft und Wasser für eine gute Durchmischung/eine gute Strömung durch das System beizubehalten.

Die Apparatur ist mit einem Überlauf am oberen Ende ausgestattet, wobei das Wasser durch diesen Überlauf zu einem anschließenden Kompartiment weitergeleitet wird, indem es wieder an einem Punkt eingespeist wird, so daß es aufwärts durch das Kompartiment fließt, und wobei dieses Kompartiment mit einem Luftauslaßrohr, durch das die Luft am Boden des anschließenden Kompartiments eingespeist wird, ausgestattet ist. Mit einer solchen Konstruktion wird eine gute Strömung erreicht. Wasser und Luft können getrennt über zwei getrennte Rohrsysteme oder miteinander durch ein Rohr-System in das anschließende Kompartiment eingeleitet werden.

Ein guter Betrieb erfordert es, daß der Abschnitt mit aufwärts gerichtetem Fluß ein Trägermaterial enthält, auf das sich die Mikroorganismen, die die Umwandlung durchführen sollen, heften können.

Durch Bereitstellen eines Gitters am oberen Ende der Kompartimente ist es möglich, daß das Mitschleppen von Trägermaterial durch das hindurchfließende Wasser vermieden wird. Als Ergebnis davon wird deshalb eine gute Trennung zwischen hindurchfließendem Wasser und Luft auf der einen Seite und Trägermaterial auf der anderen Seite erhalten.

Die Patentanmeldung beschreibt ein Verfahren zur Reinigung von Luft und/oder Wasser, bei dem die erfindungsgemaße Apparatur verwendet wird.

Gemaß einer Ausführungsform des genannten Verfahrens werden Nährstoffe, wie Stickstoff, Phosphate und Spurenelemente, nach Bedarf hinzugegeben.

Bei diesem Verfahren werden Wasser und Luft in einer Reaktorkammer gereinigt. Die Verunreinigungen können flüchtige, bedingt flüchtige und ebenso nichtflüchtige Verbindungen sein, die sowohl in der zu behandelnden Luft als auch in dem zu behandelnden Wasser vorhanden sein können. Das gleichzeitige Hindurchleiten der zü reinigenden Luft und des zu reinigenden Wassers durch ein aerobes biologisches System, das Mikroorganismen enthält, die in der Lage sind, die genannten organischen Verbindungen als Energie- und/oder Kohlenstoffquelle zu verwenden, ermöglicht es, die zu entfemende Verunreinigung aus der Wasser- und der Luftphase in einem Reaktor zu entfernen. Eine Anordnung gemäß diesem System kann mehrere Kompartimente umfassen, die nacheinander oder übereinander in einer Reihe angeordnet sind. In das erste Kompartiment werden das zu behandelnde Wasser und die zu behandelnde Luft am Boden eingeleitet. Darüber hinaus kann, wenn erforderlich, an diesem Punkt zusätzliche Luft eingeleitet werden, um genügend Sauerstoff zum aeroben Abbau der Verunreinigungen in das System einzuleiten und auch um ein günstiges Luft/Wasser-Verhältnis zu erzeugen. Der Fluß des Wassers durch das System wird in Figur 1 gezeigt.

Diese Apparatur umfaßt 5 Kompartimente. Es ist klar, daß auch eine andere Anzahl von Kompartimenten verwendet werden kann. Der Wassereinlaß und Lufteinlaß sind am Boden des ersten Kompartiments ((1) bzw. (2)) angebracht. Das Wasser wird über einen Überlauf (3) in das anschließende Kompartiment geleitet, das wieder mit einer Einmündung am Boden ausgestattet ist. Das genannte Kompartiment ist auch mit einem zusätzlichen Lufteinlaß (4) am Boden ausgestattet. Der Überlauf kann ein Rohr umfassen, jedoch kann für den Fall höherer Strömungsgeschwindigkeiten die ganze Wand des Kompartiments als Überlauf ausgestattet sein. Das letzte Kompartiment ist mit einem Auslaß für behandeltes Wasser (5) und einem Auslaß für Luft (6) ausgestattet.

Figur 2 zeigt einen Grundriß der Einlaßrohre mit den Verteilungsdüsen, wie in Figur 1 gezeigt.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die ganze Wand des Kompartiments als Überlauf ausgestattet ist, während die Einmündung und der Einlaß von Luft und Wasser in dem anschließenden Kompartiment über eine Anzahl von Einlässen (7) erfolgen.

Figur 4 stellt ebenfalls einen Grundriß für diesen Fall dar.

Figur 5 erläutert den Weg des Luftstroms. Der Luftstrom durchläuft eine Pumpe (8), die den erforderlichen Druck bereitstellt, und Rohre (4 und 9), mit denen es möglich ist, alle erforderliche zusätzliche Luft einzuleiten, die notwendig ist, um genügend Sauerstoff zuzuführen und um das richtige Wasser/Luft-Verhältnis zu erzielen.

Das Wasser/Luft-Verhältnis muß wenigstens 1 und darf nicht mehr als 40 betragen. Am oberen Ende des ersten Kompartiments wird die Luft gesammelt, um mittels eines Rohres (9) zum Boden des anschließenden Kompartiments übergeführt zu werden. Auf diese Weise läuft der Durchfluß durch alle Kompartimente. Das Wasser wird über Rohr (1) eingeleitet, das auf Wunsch mit einer Pumpe (12) ausgestattet sein kann. (Auf Wunsch kann jedes Kompartiment mit Pumpen ausgestattet sein.)

Figur 6 zeigt eine weitere Möglichkeit, bei der Luft und Wasser miteinander durch ein Rohrsystem zu dem anschließenden Kompartiment geleitet werden. In diesem Fall ist auch Gitter (10) zum Abtrennen von Trägermaterial einerseits und von Wasser/Luft andererseits gezeigt. Am Boden ist ein Schlitzgitter (11) gezeigt, durch das Wasser und Luft hindurchfließen.

Figur 7 ist in diesem Fall eine Draufsicht auf die in Figur 6 gezeigte Apparatur.

Figur 8 zeigt eine Ausführungsform, die vorteilhaft ist, wenn loses Trägermaterial verwendet wird. In diesem Fall ist ein Gitter (13), das beispielsweise ein grobes (verstärkendes) Gitter mit einem darunterliegenden feinen Gitter (zum Trennen von Trägermaterial einerseits und Wasser und Luft andererseits) ist, am oberen Ende jedes Kompartiments bereitgestellt. Figur 8 zeigt das feine Gitter (12) und das grobe Gitter (13). Das Trägermaterial mit Biomasse ist mit (14) gekennzeichnet.

Figur 9 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform, bei der für den Fall, daß Luft- und Wasserstrom getrennt sind, Lufteinlaß (2) unter Wassereinlaß (1) bereitgestellt wird, um eine gute Flüssigkeitsverteilung in jedem Kompartiment zu erhalten.

Figur 10 zeigt eine Draufsicht, in der zwei parallele Reinigungsleitungen gezeigt sind.

Die FR-A-2 190 744 betrifft die Entfernung organischer Verunreinigungen aus Abwasserströmen, die im wesentlichen eine physikalische Behandlung des verunreinigten Wassers umfaßt. Insbesondere wird Industrie-Abwasser vorbehandelt, um suspendierte Verunreinigungen (Sedimentation, Öl/Wassertrennung, Flotation und dergleichen) zu entfernen. Das Abwasser wird dann über eine Reihe von Aktivkohlenbetten geleitet, wobei während dieser Behandlung die Verunreinigungen von der Aktivkohle adsorbiert werden.

Die FR-A-2 190 744 erläutert die Verwendung einer kritischen Menge von Sauerstoff. Dies hat den Zweck zu vermeiden, daß anaerobe Bedingungen, eine Minimalmenge an Sauerstoff von 0,09 kg/kg, erzeugt werden, durch die übelriechende Substanzen (H&sub2;S) von Bakterien produziert werden, die überall vorhanden sind und die sicherlich nicht mit Absicht gemäß der FR-A-2 190 744 verwendet werden. Darüber hinaus hat es den Zweck zu vermeiden, daß zu viel Biomasse entwickelt wird (Maximalmenge an Sauerstoff 0,15 kg/kg), dies in Verbindung mit einer Blockierung der Aktivkohlebetten. Folglich besteht, obgleich die Bakterien einen günstigen Einfluß auf die Wirksamkeit des Verfahrens der FR-A-2 190 744 besitzen können, die wesentliche Maßnahme des bekannten Verfahrens in der Adsorption an Aktivkohle, die so rein wie möglich ist.

Gemaß der FR-A-2 190 744 ist es beabsichtigt, eine möglichst reine Aktivkohle beizubehalten: Wasser wird durch das Aktivkohlebett gespült, um den auf der Aktivkohle angesammelten Bioschlamm zu entfernen.

Es sollte auch auf die bisherige Technik Bezug genommen werden, die im einführenden Teil der FR-A-2 190 744 diskutiert wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, wie in der Präambel beschrieben, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß Wasser, das mit zusätzlicher Luft und kohlenstoffhaltigem Gas angereichert ist, durch ein oder mehrere biologisch aktive Materialien geleitet wird, die Kompartimente mit Mikroorganismen enthalten, die in der Lage sind, die vorhandenen organischen Verbindungen als Energiequelle und/oder Kohlenstoffquelle zu nutzen.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend ein oder mehrere Kompartimente, die übereinander oder nebeneinander angeordnet sind, ausgestattet mit Einlässen und Auslässen für den Zu- und Ablauf, und die teilweise mit einem biologisch aktiven Material gefüllt sind, worin die Einlässe für das zu behandelnde Wasser und die angereicherte Luft und das kohlenstoffhaltige Gas am Boden bereitgestellt werden, wobei die Vorrichtung außerdem mit einem Mittel ausgestattet ist, um das verunreinigte Wasser und die Luft durch das genannte eine oder die genannten mehreren Kompartimente zu leiten, die ein aerobes biologisches System enthalten, das Mikroorganismen enthält, die in der Lage sind, die vorhandenen organischen Verbindungen als Energiequelle und/oder Kohlenstoffquelle zu nutzen.

Weiterhin enthält sie ein Sandfilter und ist so gebaut, daß das Wasser das Sandfilter durchläuft, bevor es in das erste Kompartiment eingeleitet wird, und daß das Wasser und die zu reinigende Luft, die gegebenenfalls mit zusätzlicher Luft und/oder kohlenstoffhaltigen Gasen angereichert sind, gleichzeitig durch ein oder mehrere Kompartimente geleitet werden, die ein aerobes biologisches System enthalten, das Mikroorganismen enthält, die in der Lage sind, die organischen Verbindungen, die als Verunreinigungen vorhanden sind, als Energie- und/oder Kohlenstoffquelle zu nutzen, und daß die Luft, die verwendet wird, um das in dem Wasser aufgelöste Eisen und Mangan zu oxidieren, durch eine biologische Reinigungsanlage geleitet wird.

Bei diesem Verfahren wird vorzugsweise ein Luft/Wasser-Volumenverhältnis von nicht weniger als 0,5 und nicht mehr als 20, insbesondere von nicht weniger als 0,5 und nicht mehr als 10, verwendet. Diese Verhältnisse führen in der Praxis zu guten Ergebnissen.

Das Sandfilter, das dem aeroben biologischen System vorangeht, ist so gebaut, daß die Belüftung des (Grund) -Wassers oberhalb der Sandsäule, die aus mäßig grobem Sand (350 bis 500 um) besteht, erfolgt. Zur Belüftung ist es möglich, inter alia einen perforierten Plattenbelüfter oder Belüftung über Packungskörper wie Raschig-Ringe anzuwenden. Bei diesem Verfahren fließt die Luft entgegengesetzt zu dem abwärts fließenden Wasser. Eisen und Mangan, die in dem Wasser gelöst sind, werden durch atmosphärische Oxidation in Eisen- und Manganverbindungen umgewandelt, die praktisch in Wasser unlöslich sind. Die Luft, die das Sandfilter verlaßt, wird durch das Belüftungselement vorzugsweise des ersten Kompartiments einer kombinierten Luft- und Wasserreinigungsanlage geleitet. Nach Durchlaufen des Sandfilters wird das Wasser ebenfalls zu der kombinierten Luft- und Wasserreinigungsanlage geleitet. Die abwechselnde Verwendung von zwei Sandfiltern macht es unnötig, mit der Reinigung auszusetzen, während ein Sandfilter durch Spülen regeneriert wird.

Das abwechselnde Spülen rnit zwei Sandfiltern kann ferner in Betracht gezogen werden.

Es ist auch möglich, ein Sandfilter mit aufwärts gerichtetem Fluß zu verwenden. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn der Eisen- und/oder Mangangehalt des hochgepumpten Grundwassers sehr hoch ist. Hier besteht das Sandfilter wieder aus mäßig grobem Sand von 350-500 um Durchmesser. Die Belüftung findet in einer getrennten Belüftungskammer im Strom oberhalb des Sandfilters statt, wobei die verwendete Luft in das erste Kompartiment der Reinigungsanlage geleitet wird. Wird von dem genannten Sandfilter mit aufwärts gerichtetem Fluß Gebrauch gemacht, ist es nicht erforderlich, daß ein Spülverfahren zum Regenerieren befolgt wird. Wenn notwendig, kann der Sand nach Ablauf einiger Zeit durch sauberen Sand ersetzt werden.

Sollte sich die Gelegenheit ergeben, kann das (Grund)-Wasser noch mit Hilfe einer Öl- und/oder einer Petroleumfalle vorgereinigt werden.

Wenn erforderlich, kann der Ablauf aus der biologischen Reinigungsanlage mittels Filtration "aufgewertet" werden. Dieses Letztere kann beispielsweise im Fall der (Re-)Infiltration von Wasser zum Zweck der In-situ-Bodenreihigung notwendig werden.

Die Menge des zugegebenen O&sub2; kann auf der Basis von Messungen des O&sub2;-Gehaltes im Auslauf der Apparatur eingestellt werden.

Figur 11 ist ein Beispiel eines Flußdiagramms zur physikalisch/chemischen und biologischen erfindungsgemäßen (Grund)-Wasserreinigung, in der (14) ein Schwimmschicht-Entfernungssystem darstellt, beispielsweise eine Öl- und Petroleumfalle, mit Einlaß (15) und Auslaß (16). (17) ist eine Lüftungsöffnung, und (18) ist ein Sandfilter mit Zwangsbelüftung für das einlaufende Wasser (Lufteinlaß (19)). Nach Passieren des Sandfilters wird das Wasser und die verunreinigte ausdämpfende Luft über dem Sandfilter möglicherweise mit verunreinigter Luft aus einer weiteren Quelle über Rohr (20), das mit einer Pumpe (21) und einem Startventil (22) ausgestattet ist, zum Boden der kombinierten Luft/Wasserreinigungsanlage (23) geleitet. Die Luft wird mit Hilfe der Luftpumpen (24) extrahiert und am Boden der Kompartimente eingeleitet. Die Pumpen werden so eingestellt, daß die Luftströmungsgeschwindigkeitjeder nachfolgenden Pumpe größer ist als die der vorherigen. Auf diese Weise kann reine Umgebungsluft zusätzlich über Einlaß (25), der mit einem Startventil (26) verschlossen sein kann, in die Kompartimente eingeleitet werden. Als Aufbereitungsstufe für das biologisch gereinigte Wasser kann von einem Sandfilter (28) Gebrauch gemacht werden. Das letzte Kompartiment ist mit einer Belüftungsöffnung (27) ausgestattet.

Das Verbinden mehrerer Kompartimente in Reihe erzeugt in der Anlage eine Pfropfenströmung. Dies ist insbesondere zur Entfernung von Verunreinigung aus der Luftphase wichtig. In den ersten Kompartimenten werden insbesondere Verunreinigungen in der wäßrigen Phase abgebaut, jedoch tritt mit dem Abfallen der Konzentration in der wäßrigen Phase eine Massenübertragung der flüchtigen Verunreinigungen aus der Luftphase in die wäßrige Phase auf, als deren Ergebnis letztere ebenfalls abgebaut werden.

In den Kompartimenten wird Trägermaterial, an das sich die Mikroorganismen heften können, in dem Abschnitt mit aufwärts gerichtetem Fluß bereitgestellt. Als Ergebnis davon ist das System auch in der Lage, Durchflüsse von Luft und Wasser mit relativ niedrigen Konzentrationen (< 1 mg/l) zu behandeln. Ein geeignetes Trägermaterial sind beispielsweise kleine Blöcke und/oder feste Platten aus porösem Polyurethan, die gegebenenfalls mit einer Stollenstruktur (beispielsweise Eierschachtelstruktur) ausgestattet sind, oder feiner bis grober Sand (100- 1000 um).

Figur 12 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Sandfilter (28) zusätzlich im aufwärts gerichteten Strom des sogenannten Aufbereitens am Ende der in Figur 11 gezeigten Apparatur angeordnet ist.

Um eine Pfropfenströmung in einem System, das ein oder mehrere Kompartimente umfaßt, die übereinander oder nebeneinander angeordnet sind, zu erhalten, ist eine Ausführungsform wirksam, wie in den Figuren 13 und 14 beschrieben. Diese umfaßt einen im Aufwärtsfluß betriebenen Reaktor, der ein Höhe/Durchmesserverhältnis von 2 zu 8 aufweist, beispielsweise 4 m Höhe und 1 m Durchmesser, gefüllt beispielsweise mit porösem Trägermaterial (29), das auf einer Trägerplatte (30) angeordnet ist.

Wassereinlaß (1) und Lufteinlaß (2) befinden sich am Boden. Wasser und Luft werden miteinander über ein Verteilersystem in den Reaktor eingeleitet. Wenn gewünscht, können Luft und/oder weitere Gase (Naturgas, Methan) zusätzlich über (32) eingeleitet werden. Das System sollte durch paralleles Zusammenschließen mehrerer Module erweitert werden, da das Verhältnis von Höhe/Durchmesser von 2-8 weiterhin erhalten bleiben soll.

Figur 15 zeigt Sand als Trägermaterial (33), wobei als Folge des Betriebes im Aufwärtsfluß, verbunden mit einer weitreichenden Rückführung von Wasser (34) und/oder Luft (35) ein ausgedehntes Sandbett (Ausdehnungsfaktor 11/2 bis 2 1/2) erhalten wird. Der Reaktor (15) wird am Boden mit Kies und Mahlgut (36) ausgestattet, um eine gute Verteilung des eingeleiteten Wassers und Gases zu erhalten. Der Reaktor kann am oberen Ende mit einem Dreiphasenseparator ausgestattet sein, um das Ausspülen von Trägermaterial und daran anhaftenden Mikroorganismen so gering wie möglich zu halten.

Um eine optimale Reinigungswirksamkeit zu erhalten, kann es notwendig sein, Nährstoffe, wie Stickstoff, Phosphat und/oder Spurenelemente, der Anlage zuzugeben. Um bestimmte Verbindungen, wie flüchtige Organochlorverbindungen (Trichlorethylen, Perchlorethylen), abzubauen, ist es wünschenswert, weitere Gase hinzuzufügen. Diese können dann als ergänzende Nährstoffquelle für die Mikroorganismen dienen. Die gewünschten Reaktionen können durch die Auswahl des oder der zuzu< ügenden Gase stimuliert werden. Im Fall der vorstehend erwähnten Organochlorverbindungen ist die Zugabe von Methan oder Naturgas wünschenswert.

Die in Figur 11 gezeigte Öl- oder Petroleumfalle, die ein Koaleszenzfilter besitzt, besitzt beispielsweise eine Kapazität von nicht weniger als 10 1/s. Das Sandfilter weist einen Durchmesser von 1,40 m und eine Höhe von 2,25 m auf und ist ungefähr zu 3/4 mit Sand gefüllt (350-500 um). Die Belüftung des einlaufenden Wassers erfolgt am oberen Ende. Die zum Belüften des Wassers verwendete Luft wird am Boden des ersten Kompartiments eingeleitet. Nach Durchlaufen des Sandfilters wird auch das Wasser an diesen Punkt eingeleitet. Die Volumina der mit Trägermaterial gefüllten Kompartimente betragen nacheinander 2,3, 2,1 und 2,0 m³. Der Luftstrom nimmt bei jedem Kompartiment zu, nicht weniger als 30 m³/h werden im letzten Kompartiment eingeleitet. Wenn erforderlich, kann der Ablauf der biologischen Reinigungsanlage mittels Filtration "aufbereitet" werden. Letzteres kann beispielsweise erforderlich werden bei der (Re)Infiltration von Wasser zum Zweck der In-situ-Bodenreinigung.

Der Reaktor sollte vorzugsweise kompakt im Aufbau sein und in der Lage sein, an mehr als einem Ort verwendet zu werden (er muß deshalb transportabel sein), und er muß flexibel genug sein, um in der Lage zu sein, auch weitere Strömungsgeschwindigkeiten und Materialbeladungen zu handhaben.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können Wasser- und Luftstrom in zwei Teilströme aufgespalten werden, von denen jeder eine Reinigungsleitung durchläuft. Jede Reinigungsleitung umfaßt beispielsweise fünf Kompartimente in Reihe. Als Ergebnis wird erreicht, daß das System flexibel ist (zwei Leitungen) und eine Pfropfenströmung erzeugt wird (fünf Kompartimente in Reihe). Das Prinzip ist in Figur 10 gezeigt. Die Struktur der Reinigungsanlage ist dann wie folgt: Jede Reinigungsleitung umfaßt fünf Kompartimente, wobei jedes eine Fläche von 1 x 1 m² und eine Höhe von 2 m aufweist. Sowohl der Wasserstrom (10-15 m³/h) als auch der Luftstrom (über Luftextraktion aus dem Sandfilter 10 m³/h und über Belüftung 150 m³/h) treten in das erste Kompartiment am Boden ein.

Es wird bevorzugt, daß die Kompartimente so gebaut sind, daß jedes Kompartiment mittels einer Einstiegsöffnung am oberen Ende zugänglich ist. Darüber hinaus wird jedes Kompartiment vorzugsweise mit einer Möglichkeit zur Schlammentfernung ausgestattet. Jedes Kompartiment ist vorzugsweise auch mit einer Möglichkeit ausgestattet, Polyurethanschwämme oder anderes Trägermaterial zu entfernen oder zuzugeben, ohne daß das Trenngitter am oberen Ende des Kompartiments entfernt werden muß. Anstelle würfelförmiger Schwämme können Polyurethanmatten, die eine Stollenstruktur aufweisen, verwendet werden.

Eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf der Grundlage der nachstehenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1 Grundwasser- und Luftreinigung

Zum Zweck der In-situ-Reinigung von mit Erdöl verunreinigtem Erdreich und Grundwasser werden Bodenluft und Grundwasser gleichzeitig extrahiert und in die kombinierte Luft-Wasser-Reinigungsanlage eingeleitet (5 Kompartimente, von denen jedes 2 m³ mißt, ungefähr 2/3 gefüllt mit Wasser, Apparatur gemäß Figur 5).

Zum Zweck der Grundwasser-Rekonditionierung werden 10 bis 15 m³ pro Stunde mit einer Konzentration von Erdöl-Bestandteilen von ungefähr 1 mg/l extrahiert. Eine Luftmenge, die von 2 zu Beginn bis 60 m³ am Ende pro Stunde variiert, wird dem Boden entzogen. Die Menge der Verunreinigung in der Luftphase beträgt zu Beginn ungefähr 100 g/m³ und am Ende l g/m³.

Es wurde gefunden, daß das biologische System mit einer Kohlenwasserstoffbeladung von 300 g/h gut funktioniert. Die Bodenluft-Strömungsgeschwindigkeit wird entsprechend eingestellt (zu Beginn 1,8 bis 4,8 m³/h, später zunehmend bis 60 m³/h). Die maximale Strömungsgeschwindigkeit wird begrenzt durch den maximalen reduzierten Druck, der an den Boden an dieser Stelle angelegt werden kann.

Unter der Annahme, daß die Umwandlung von -CH&sub2;- + 1,5 O&sub2; zu CO&sub2; + H&sub2;O führt, kann in diesem Fall berechnet werden, daß 3,5 g O&sub2; für 1 g Erdöl erforderlich sind. Bei einer Materlalbeladung von 200 g/h werden dann 750 g O&sub2;/h benötigt. Luft enthält ungefähr 250 g O&sub2; pro m³. Die Mindest-Strömungsgeschwindigkeit zur Belüftung des Reaktors beträgt deshalb 3,0 m³/h. Bei der praktischen Anlage ist ein Verhältnis von Luft/Wasser von 4 zu 10 beibehalten worden.

Messungen an der kombinierten Luft-Wasser-Reinigungsanlage ungefähr nach 6 Monaten ab Beginn zeigen die folgenden Ergebnisse.

Grundwasser-Strömungsgeschwindigkeit: 17,0 m³/h

Grundwasserkonzentration: ungefähr 500 mg/m³

Bodenluft-Strömungsgeschwindigkeit: 28,8 m³/h

Bodenluftkonzentration: ungefähr 10 g/m³

Strömungsgeschwindigkeit des austretenden Gases: 248 m³/h

Konzentration an austretendem Gas: < 0,06 g/m³

Konzentration an Ablauf: < 0,15 g/m³

Das Vorstehende ergibt eine Beladung mit folgendem Material:

Wasser Luft gesamt

Der Verlust aus dem Reinigungssystem über die Emissionsströme liegt nicht über den folgenden Werten:

Wasser Luft gesamt

Dies deutet auf einen Reinigungswirkungsgrad von über 94 % hin.

Messungen an der kombinierten Luft-Wasser-Reinigungsanlage nach ungefähr 11 Monaten Betrieb liefern folgende Daten:

Grundwasser-Strömungsgeschwindigkeit: 15,0 m³/h

Grundwasserkonzentration: ungefähr 500 mg/m³

Bodenluft-Strömungsgeschwindigkeit: 63 m³/h

Bodenluftkonzentration: 2,8 g/m³

Strömungsgeschwindigkeit des austretenden Gases: 270 m³/h

Konzentration an austretendem Gas: < 0,01 g/m³

Konzentration an Ablauf: < 0,15 g/m³

Das Vorstehende führt zu einer Beladung mit eingeschlossenem biologischem Material von

Wasser Luft gesamt

Die Verluste aus dem Reinigungssystem über die Emissionsströme liegen nicht über

Wasser Luft gesamt

Dies deutet auf eine Reinigungsausbeute von mehr als 97 % hin.

die Analysenergebnisse, wie sie für die Bodenluft (LOF) und das austretende Gas von dem unabhängigen VEG-Gasinstitut in Apeldoorn gemessen wurden, sind nachstehend wiedergegeben.

Analyse der Luftprobe auf Hauptkomponenten.

Verfahren

Die Analyse wurde auf der Grundlage der 150 6974-1984 durchgeführt: "Natural gas - Determination of hydrogen, inert gases and hydrocarbons up to C8 - gaschromatographic method".

Die Berechnungen wurden in Übereinstimmung mit der ISO 6976 durchgeführt: "Natural gas - Calculation of calorific value, density and relative density."

Beschreibung der Proben

Name der Proben: Bodenluft, Code-Nr. 6145A M 12106

austretendes Gas, Code-Nr. 6166A M 12107

Probenverfahren: evakuierter Aluminiumzylinder

Proben, gesammelt durch: Tauw Infra Consult bv

ANALYSENBERICHT Analyseergebnis

Probe-Nr. M 12106

Gasproben-Codierung: Bodenluft-Nr. 6145A

Die Analyse lieferte die folgenden Ergebnisse:

Komponentengehalt in mol ppm Benzol 49 Toluol 254 C-5-Alkane 51 C-6-Alkane 128 C-7-Alkane 102 C-8-Alkane 46 C-9-Alkane 56 Cycloalkane 18

Die relative Genauigkeit der Bestimmung beträgt 10 %.

Erfassungsgrenze des analytischen Verfahrens: 0,1 mol ppm

C-N-Alkan: ein Teil des Gehaltes an Alkanen ist in N Kohlenstoffatomen enthalten. C-N-Cycloalkane: ein Teil des Gehaltes an Cycloalkanen ist in N Kohlenstoffatomen enthalten, wobei nur die folgenden Bestandteile eingeschlossen sind: m-c-Pentan, c-Hexan, e-c-Hexan, di-m-c-Hexan, e-c-Hexan und ein tri-m-c-Hexan.

(c: Cyclo, m: Methyl und e: Ethyl)

Analyseergebnis

Probe-Nr.: M 12107

Gasproben-Codierung: austretendes Gas Nr. 6166A

In der Gasprobe wurden keine höheren Kohlenwasserstoffe nachgewiesen.

Beispiel 2 Grundwasser-Reinigung

Die Reinigung von mit Erdöl und Öl verunreinigtem Grundwasser wird mit einer Grundwasserdrainage von 15 m³/h durchgeführt. Die Konzentration der verunreinigenden Bestandteile beträgt zu Beginn 3 und später 1 g/m³.

Das Grundwasser wird in ein Reinigungssystem eingeleitet (3 Kompartimente, von denen jedes 2 m³ mißt, ungefähr 2/3 gefüllt mit Wasser: Apparatur gemäß Figur 11).

Die Gesamtbeladung des Systems beträgt zu Beginn 75 und später 15 g/h, so daß 55 bis 265 g O&sub2; pro Stunde benötigt werden. Die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit zur Reaktorbelüftung beträgt nicht weniger als 0,25 bis 1,1 m³/h. In der Praxis wird eine Strömungsgeschwindigkeit zur Belüftung von ungefähr 30 m³/h angewendet, als deren Ergebnis das Verhältnis von Luft/Wasser 2 beträgt.

Messungen an dem Reinigungssystem liefern das folgende Ergebnis:

Grundwasser-Strömungsgeschwindigkeit: 12-15 m³/h

Strömungsgeschwindigkeit für Belüftung: 30 m³/h

Kohlenwasserstoff-Konzentration, mg/l Reinigung Zulauf Ablauf Wirkungsgrad (%) Datum

Die Konzentration an Aromaten in dem austretenden Gas beträgt < 0,6 mg/l. Dies bedeutet, daß die Entfernung der Kohlenwasserstoffe aus dem Grundwasser vollständig das Ergebnis des biologischen Abbaus ist.

Umfassendere Analyseergebnisse des Grundwassers sind in der folgenden Tabelle angegeben.

Tabelle 1 Analyseergebnisse für Grundwasserproben: Wasser-Strömungsgeschwindigkeit: 12-15 m³/h Gehalte in ug/l
Tage Datum Zulauf Datum Ablauf Mineralöl (%) flüchtige Aromaten gesamt Benzol Toluol Ethylbenzol p- und m-Xylol o-Xylol 1,3,5-Trimethylbenzol 1,2,4-Trimethylbensol cyclische aromatische Kohlenwasserstoffe Naphthalin

Beispiel 3 Grundwasser-Reinigung

Die Reinigung von mit Aromaten und PAHs verunreinigtem Grundwasser wird im kleinen Maßstab bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 100-200 l/h getestet. Das Grundwasser enthält ungefähr 1000 mg/l PAHs (16 EPA), ungefähr 500 mg/l Aromaten und 10 mg/l Ölbestandteile. Die Gesamtbeladung des Systems (1 Kompartiment mit 47 l, 3/4 gefüllt mit Polyurethan, Apparatur gemäß Figur 11) betrug deshalb ungefähr 1-2g/h.

Mit dieser Beladung beträgt der O&sub2;-Bedarf nicht weniger als 3,5 bis 7,0 g/h oder 14 bis 28 l Luftpro Stunde.

Das Verhältnis von Luft/Wasser betrug jedoch 3 bis 4.

Messungen an dem System lieferten die folgenden Resultate.

Grundwasser-Strömungsgeschwindigkeit: 164 l/h

Zulauf-Konzentration an PAHs: 1300 mg/l

Aromaten: 296 mg/l

Öl: 7,0 mg/l

Strömungsgeschwindigkeit für Belüftung: 553 l/h

Ablaufkonzentration an PAHs: 10 mg/l

Aromaten: < 2,8 mg/l

Öl: < 0,3 mg/l

Austrittsgaskonzentration

an Aromaten: < 1,5 mg/l

Öl: < 0,05 mg/l

Der Wirkungsgrad der Reinigung beträgt deshalb mehr als 96 %, < 0,6 % werden durch Abbau entfernt.

Beispiel 4

Das Einfügen eines durch Spülen regenerierbaren Sandfilters stromabwärts, betrieben im Abwärtsstrom, zum "Aufbereiten" des Ablaufs des biologisch gereinigten Wassers führen.

Zusätzlich zur Entfernung ungelöster Bestandteile (beispielsweise Eisenoxid und Schlammflocken) werden auch noch gelöste Verunreinigungen biologisch abgebaut.

Die nach stehende Tabelle zeigt die Analyseergebnisse von biologisch vorgereinigtern Grundwasser vor und nach der Sandfiltration.

Datum Zulauf Ablauf (1 Monat später) Benzol Toluol Ethylbenzol o-Xylol m-p-Xylol Naphthalin

Die erfindungsgemäße kombinierte Wasser- und Luftreinigung kann infer alia zur Entfernung von Verunreinigungen von Tankstellen und in chemischen Industrien verwendet werden. Durch Extrahieren von Grundwasser und Bodenluft ist es möglich, flüchtige und nichtflüchtige Komponenten aus dem Boden zu extrahieren, so daß Aushubtechniken vermieden werden können. Die extrahierte Bodenluft und das extrahierte Grundwasser sollten jedoch vor dem Ablassen gereinigt werden. Das erfindungsgemäße System bietet eine gute Möglichkeit, Luft und Wasser gleichzeitig zu reinigen.

Standorte früherer Gaswerke können (teilweise) mit diesem System gereinigt werden. Insbesondere können Naphthalin und Phenole und teilweise aromatische Kohlenwasserstoffe durch Grundwasserextraktion aus dem Boden entfernt werden, während flüchtige Aromaten (Benzol, Ethylbenzol und Xylol) durch Extrahieren der Bodenluft entfernt werden können. Wasser- und Luftstrom können dann gleichzeitig durch das erfindungsgemäße Verfahren biologisch gereinigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet darüber hinaus die Bildung neuer Abfallströme, wie gesättigter Kohle, die bei der Aktivkohle-Filtration anfällt. Zusätzlich bietet die Kombination der biologischen Luft- und Wasserreinigung die Möglichkeit, flüchtige und weniger flüchtige Bestandteile in einem System zu behandeln.

Das erfindungsgemaße Verfahren kann darüber hinaus von großem Nutzen für die chemische Industrie sein, in der viel Arbeit auf potentiell biologisch abbaubare Lösungsmittel verwendet wird, wobei es auch möglich ist, zusätzlich zu Boden-Rekonditionierungsaktivitäten, an Schutzmaßnahmen zu denken. Durch Absaugen von Luft und Extrahieren von Wasser kann die Verwendung einer erfindungsgemäßen Apparatur auch Verunreinigungen unschädlich machen , bevor sie den Untergrund und das tiefere Grundwasser verunreinigen können. Die Erfindung ist sehr geeignet, wenn Verfahren der In-situ-Bodenreinigung angewendet werden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Reinigung von verunreinigtem Wasser, das wenigstens flüchtige organische Verbindungen und gegebenenfalls Eisen und Mangan enthält, unter Verwendung von zugesetzter Luft, dadurch gekennzeichnet, daß das mit zusätzlicher Luft und kohlenstoffhaltigem Gas angereicherte Wasser durch ein oder mehrere biologisch aktive Materialien geleitet wird, die Kompartimente enthalten, die Mikroorganismen enthalten, die in der Lage sind, die vorhandenen organischen Verbindungen als Energiequelle und/oder Kohlenstoffquelle zu nutzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das verunreinigte Wasser Eisen und Mangan enthält, wobei bei dem Verfahren das verunreinigte Wasser zur Vorbehandlung zunächst einen Sandfilter mit Druckluft auf das einlaufende Wasser durchläuft, um Eisen und Mangan zu oxidieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Druckluft verwendete Luft durch das biologisch aktive Material geleitet wird, das das (die) Kompartiment(e)enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem die Luft mit Methan als kohlenstoffhaltiges Gas angereichert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem die Nährstoffe, wie Stickstoff, Phosphat und Spurenelemente, je nach Bedarf zugegeben werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-5, umfassend ein oder mehrere Kompartimente, die übereinander oder nebeneinander angeordnet sind, ausgestattet mit Einlaß- und Auslaßvorrichtungen für den Zu- und Ablauf, und die teilweise mit einem biologisch aktiven Material gefüllt sind, worin die Einlaßvorrichtungen für das zu behandelnde Wasser und die angereicherte Luft und das kohlenstoffhaltige Gas am Boden bereitgestellt werden, wobei die Vorrichtung außerdem mit einem Mittel ausgestattet ist, um das verunreinigte Wasser und die Luft durch das genannte eine oder die genannten mehreren Kompartimente zu leiten, die ein aerobes biologisches System enthalten, das Mikroorganismen enthält, die in der Lage sind, die vorhandenen organischen Verbindungen als Energiequelle und/oder Kohlenstoffquelle zu nutzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2-6, worin ein Sandfilter vor dem ersten Kompartiment vorhanden ist, und die außerdem ein Mittel umfaßt, um die Luft, die zur Oxidation von Eisen und Mangan verwendet wird und in Wasser gelöst ist, in die biologische Reinigungsanordnung zu leiten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, worin die zu behandelnde Luft und zusätzliche Luft und/oder weitere Gase an einer Vielzahl von Positionen (32) der Vorrichtung eingeleitet werden können.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, worin das Trägermaterial, auf das die Mikroorganismen sich heften können, in dem Abschnitt mit Aufwärtsströmung bereitgestellt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Vorrichtung so gebaut ist, daß solche Mikroorganismen während des Betriebs zugegeben werden können.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-10, worin eine Filtrationsvorrichtung stromabwärts von der biologischen Reinigung vorhanden ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, die am oberen Ende mit einem Überlauf ausgestattet ist, um Wasser und Luft an ein anschließendes Kompartiment weiterzuleiten, in dem der Überlauf an einem solchen Punkt angeschlossen wird, daß Wasser und Luft aus dem Überlauf durch das Kompartiment nach oben strömen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-12, worin ein Gitter, das das Trägermaterial von dem Wasser und der Luft, die hindurchfließen, abtrennt, am oberen Ende des (der) Kompartiments(Kompartimente) bereitgestellt wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-13, worin das in der Apparatur verwendete Trägermaterial aus geschäumtem Kunststoff mit einer offenzelligen Struktur besteht, der eine hohe spezifische Oberfläche (200-500 m²/m³) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-13, worin das in der Apparatur verwendete Trägermaterial, das in einem Kompartiment enthalten ist, aus feinem bis mäßig grobem Sand (100-1000 um) besteht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, die mit einem Mittel zur Wasser-Rezirkulation und/oder Wiederverwendung von Sauerstoff, der in dem Abgas oder in den anderen Gasen (Methan) vorhanden ist, ausgestattet ist.







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