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Dokumentenidentifikation DE4337228C1 14.06.1995
Titel Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Behandlung von Mehrphasengemischen
Anmelder Kunz, Peter, Prof. Dr., 76185 Karlsruhe, DE
Erfinder Kunz, Peter M., Prof. Dr., 76185 Karlsruhe, DE;
Büttner, Klaus, Dipl.-Ing. (FH), 67227 Frankenthal, DE;
Weller, Jan, Dipl.-Ing. (FH), 68199 Mannheim, DE;
Linzner, Andreas, Dipl.-Ing. (FH), 67593 Westhofen, DE;
Jung, Michael, Dipl.-Ing., 66123 Saarbrücken, DE
DE-Anmeldedatum 30.10.1993
DE-Aktenzeichen 4337228
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 14.06.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.06.1995
IPC-Hauptklasse C02F 3/08
Zusammenfassung Die Abscheidung von leichteren Phasen als Wasser erfolgt derzeit in der Regel in genormten Leichtstoffabscheidern, die infolge von hohen oder schwankenden Temperaturen im Abwasser nur mäßig funktionieren und über kurz oder lang aufgrund fehlenden Sauerstoffzutritts anaerob werden, so daß üble Gerüche austreten.
Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems sieht deshalb eine biologische Behandlung derartiger Abwässer mit leichteren Phasen als Wasser in einem biologisch wirksamen Mehrphasenreaktor vor, der über einen Anstieg des Flüssigkeitsspiegels im biologisch wirksamen Reaktionsraum in Verbindung mit adsorbierenden Flächen eine Entkoppelung der leichteren von der Wasserphase herbeiführt und über einen erfindungsgemäßen Bypass die permanente selbstgängige Rückführung von leichteren Phasen in den Kopfbereich des biologisch wirksamen Reaktors solange betreibt, bis die Ursachen des Dichteunterschieds biologisch abgebaut sind, so daß die verbleibende Wasserphase unter einer Tauchwand abfließen kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung flüssiger und angelöster Phasen mit unterschiedlicher Dichte und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung. Das Verfahren ist ebenfalls geeignet, feste organische Stoffe zu dispergieren und so in der flüssigen Phase zu verteilen, daß in realistischen Zeiten ein biologischer Stoffumsatz erfolgen kann.

Das Abwasser verläßt mindestens vorgereinigt die Anlage, um entweder in einer kommunalen Kläranlage oder einer weiteren biologischen oder vergleichbar wirksamen Stufe nachbehandelt zu werden.

Es ist bekannt, Abwasser biologisch mit Hilfe von immobilisierten oder suspendierten Mikroorganismen in Form von Tropfkörper-Rieselfilm-Systemen oder in suspendierter Form in sogenannten Belebungsanlagen - auch mit eingetauchten Trägermaterialien in Form von Scheiben, Waben, "Lockenwickler"-Paketen oder Pellets unterschiedlicher Ausprägung von Aktivkohle bis zu Schaumstoffwürfeln - zu reinigen (s.d. ausführlich KUNZ, P.: Behandlung von Abwasser - Kapitel 5 Vogelverlag, Würzburg; 3. Auflage 1992).

Bekannt ist auch der Einsatz von Rotationsscheiben-Reaktoren, deren Scheiben-Oberflächen besondere Strukturmerkmale zur Anheftung von Biofilmen aufweisen, wobei auch aufgesetzte Strukturen aus gewebten, gewirkten oder gestrickten textilen, Flächenmaterialien, Vliesen oder Gelegen gebildetes Material verwendet werden (DE-P 41 17 056 C2).

Weiterhin ist bekannt, daß Abwasser mit unterschiedlichen Phasen in sogenannten Leichtstoff-Abscheidern nach DIN 1999 oder DIN 4040 bzw. in Sedimentern oder. Kläreindickern abgeschieden werden können. Die Einrichtung von Leichtstoffabscheidern ist beispielsweise vorgeschrieben in Betrieben der Nahrungs- und Genußmittelindustrie, in Tankstellen oder auch Garagenanlagen. Die leichten Phasen müssen regelmäßig abgeräumt werden, weil der Sauerstoffzutritt in die Leichtstoffabscheider nach Ausbildung einer geschlossenen Oberfläche begrenzt ist. Bei abbaubaren Abwasserinhaltsstoffen findet trotzdem ein biologischer Abbau durch die an den Wänden sitzenden und im Abwasser mitschwimmenden submersen Mikroorganismen statt, der unter anaeroben Bedingungen zur Geruchsbildung führt.

Die Betreiber derartiger Anlagen bedrängen deshalb und vor allem wegen der hohen Kosten für die Abfuhr der aufgerahmten Stoffe die Anlagenbauer, geeignetere Verfahren vorzuschlagen.

Nach DIN 4040, Teil 2 ist der Einsatz von biologischen Zusätzen (Bakterien, Enzyme) zur sogenannten Selbstreinigung in Abscheideranlagen nicht zulässig. Ohnehin haben Studien am Fraunhofer- Institut für Systemtechnik, Karlsruhe unter Mitwirkung des Verfassers gezeigt, daß in einem Fettabscheider konventioneller Bauweise selbst unter der Einwirkung von zudosierten Enzymen oder Mikroorganismen nicht mit einem wesentlichen Fettabbau zu rechnen ist.

Angesichts der verschärften Anforderungen an die Abwassereinleitung aus Industrie und Gewerbe, aber auch an Bewirtungs- und Beherbergungsbetriebe liegt der Erfindung konkret die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die Mehrphasen-Gemische biologisch in räumlichen Größenordnungen von konventionellen Leichtstoffabscheidern soweit behandeln kann, daß eine unbeschadete Ableitung des vorbehandelten Abwassers in eine öffentliche Kanalisation möglich ist und die behördliche Zustimmung findet. Als Zielgrößen sollen definiert werden: CSB kleiner 600 mg/l, Fettgehalte nach DEV H17 kleiner 100 mg/l.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Behälter ein biologisch wirksamer Reaktionsraum untergebracht wird, dessen entscheidende Merkmale gegenüber allen vergleichbaren Versuchen der biologischen Behandlung von Stoffen mit geringerer Dichte als Wasser die beiden Faktoren

  • - ständige Anhebung der Flüssigkeitsoberfläche längs des Fließweges ohne Längsrückvermischung und
  • - ständige Entnahme der an der Flüssigkeits-Oberfläche aufkonzentrierteren, leichten Phasen und auch ggf. schwimmender Feststoffe sind.


Realisiert werden die beiden Faktoren über bewegliche Einbauten - vergleichbar einem Schneckenförderer. Die einzubauenden Grundelemente weisen Mitnahmeelemente auf, die sowohl längs des Fließweges zu einer Anhebung des Wasserspiegels führen, als auch eine Vergrößerung der Oberfläche der Grundelemente herbeiführen, wodurch über Sorptionseffekte die Flüssigkeits-Oberfläche immer wieder freigeräumt wird.

Bei den Mitnahmeelementen handelt es sich um konzentrisch auf die Grundelemente aufgesetzte Leitschaufeln die sich von innen nach außen vergrößern. Die Leitschaufeln machen die Grundelemente zu einem Zwangsförderer, ähnlich einer Schneckenpumpe.

Die Leitschaufeln können auch Schöpfkellen-artig ausgebildet oder die Welle schräg gestellt (s. u.) sein.

Die Überläufe am Ende des biologisch wirksamen Reaktionsraumes bzw. zwischen den Kaskadeneinbauten stellen Wehre dar, über die das in Behandlung befindliche Mehrphasen-Gemisch durch die Zwangsförderung gehoben werden, so daß das Abwasser nicht mehr zurückströmen kann.

Im Gegensatz zur DE 41 17 056 C2 dienen die an der Oberfläche aufgesetzten Elemente primär der Mitnahme/Förderung von Wasser und nicht der Vergrößerung der Oberfläche.

Die Mitnahmeelemente reißen gleichzeitig bei ihrem Wiedereintauchen aufgrund anhaftender Luftblasen Sauerstoff aus der Umgebungsluft in die submerse Phase und sorgen dort zunächst für aerobe Zonen. Allfällige Mikroorganismen in der submersen Phase beteiligen sich ebenfalls am biologischen Stoffumsatz, ohne daß es zu einer Anaerobie kommt. Wesentliches Element dieses Verfahrens ist die Unterbindung der Längsrückvermischung im biologisch wirksamen Reaktor durch Kaskadierung - bspw. durch Einbau von Lochblechen - und räumliche Anpassung der beweglichen Einbauten zur Begrenzung des Reaktionsraumes.

Die beweglichen Einbauten sitzen erfindungsgemäß vorzugsweise auf einer einzigen Welle, die entweder horizontal oder auch schräg, wie beim Schneckenhebewerk, eingesetzt sein kann.

Die beweglichen Einbauten sollen erfindungsgemäß gute Adsorptionseigenschaften für Leichtstoffe (meist hydrophob) und/oder für das Aufwachsen von Biomasse aufweisen.

Die Gestaltung des biologisch wirksamen Reaktionsraumes erfolgt erfindungsgemäß weiterhin so, daß in Fließrichtung gegen Ende des biologisch wirksamen Reaktionsraumes eine Beruhigung in der Flüssigkeitsbewegung eintreten kann, so daß sich die unterschiedlichen Phasen entsprechend ihrer Dichte trennen können.

Für den Fall, daß längs des Fließweges noch nicht alle Inhaltsstoffe des Abwassers, die für den Dichteunterschied verantwortlich sind, abgebaut oder zumindest auf den festen Oberflächen sorbiert sind, werden diese erfindungsgemäß wieder an den Kopf der Anlage zurückgeführt. Dies kann je nach Anwendungsfall über Rohrleitungen im freien Gefälle, über Skimmer oder gar über Pumpen erfolgen. Erfindungsgemäß ist, daß das vorgestellte Verfahren ermöglicht, die leichtere Phase als Wasser solange im Kreis im biologisch wirksamen Reaktionsraum zu fahren, bis die Leichtstoffe biologisch abgebaut sind.

Die Entkopplung der Phasen und die permanente Kreislaufführung ermöglichen eine weitgehende Mineralisierung der organischen Substanzen, so daß auch mit weitgehender Autoxidation der Biomasse und geringem Schlammanfall zu rechnen ist. Sollten schwerere Phasen in den Reaktor gelangen oder dort entstehen, können diese erfindungsgemäß über einen einfachen integrierten Schwerstoffsammelraum im Sumpf des biologisch wirksamen Reaktionsraumes aufkonzentriert, unter weiterer Sauerstoffzufuhr stabilisiert und von Zeit zu Zeit entnommen werden. Dies ist insofern einfach möglich, als durch die walzenförmige Vorwärtsbewegung das Sediment zum Ende des biologisch wirksamen Reaktionsraumes transportiert wird und dort infolge der erhöhten Wasserspiegellage ein erhöhter hydrostatischer Druck ansteht, so daß eine getaktete Entnahme über ein Syphonsystem ausreicht, den Schlamm ggf. in die ohnehin vorhandenen Schlammfänge zu entfernen.

Zur Verbesserung des Abbaus können vor die Anlage noch Homogenisatoren (vgl. Fleischwolf-Prinzip) und Dispergatoren (Mischelemente) sowie Belüftungseinrichtungen (bis hin zu Kompressoren) ohne oder in Verbindung mit der durchgehenden Welle (über Riemenantriebe und/oder Getriebe) angeordnet sein, wenn es der jeweilige Fall erfordert.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen auf der Hand: In einfacher Weise können in einem Reaktionsraum die wesentlichen beiden Phasen getrennt und unterschiedlich lange im System gehalten werden. Das Geruchsproblem ist durch die ständige Versorgung mit Sauerstoff unter Vermeidung von Totzonen gelöst. An Schlamm fällt allenfalls ein geringer weiterer Anteil an, der in die ohnehin in der Regel vor den Leichtstoffabscheidern befindlichen Schlammfänge untergebracht werden kann.

Anhand Fig. 1 läßt sich die Vorrichtung (A), die vollständig gekapselt werden kann, und das Verfahren im Detail erklären:

Das Abwasser strömt über den Zulauf in die Dispergierzone (B) ein und wird über Dispergierelemente (1), die auf der über einen Motor angetriebenen Welle (4) sitzen, verteilt. Die Leitbleche (3) verhindern die Kurzschlußströmung und sorgen für eine bessere Verweilzeitverteilung durch Kaskadierung und Strömungsumlenkung. In den Abschnitten (C bis E) wird das zu behandelnde Abwasser über auf in diesem Fall auf Scheiben (2) sitzende Quertraversen angehoben und belüftet, wobei sich hydrophobe und andere gelöste Inhaltsstoffe auf die festen, von Mikroorganismen besiedelten Oberflächen sorbieren. Im Segment (F) beruhigt sich der Abwasserstrom, so daß bis zu drei Phasen entstehen, die in unterschiedlicher Höhe abgenommen werden können. Der Rückfluß gelangt wieder in Zone (B), der Schlammabfluß in einen vorgeschalteten Schlammfang und das gereinigte Abwasser verläßt über den Abfluß die Anlage.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur biologischen Behandlung von Mehrphasen-Gemischen, dadurch gekennzeichnet, daß der biologische Reaktionsraum eine fluidmechanische Entkoppelung der Verweilzeiten der flüssigen Phasen unterschiedlicher Dichte über eine stetig steigende Wasserspiegellage längs des Fließweges schafft und die leichtere Phase als Wasser von der Flüssigkeitsoberfläche stetig über bewegliche, feste Oberflächen abgeräumt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu behandelnde Abwasserstrom mit Phasen unterschiedlicher Dichte gegenüber Wasser im wesentlichen in drei Phasen dergestalt aufgesplittet wird, daß die leichtere Phase als Wasser, die in der Regel hydrophobe Eigenschaften aufweist, sich auf die beweglichen Einbauten aufzieht und deren Inhaltsstoffe über die auf den Einbauten aufwachsende Biomasse abgebaut werden, während die Wasser-Phase über die beweglichen Einbauten belüftet wird und ein biologischer Abbau der darin gelösten Stoffe submers erfolgen kann, wobei die Schwebe- und Sinkstoffe in Folge der Mineralisierung in eine Sedimentzone eintreten, aus der sie zeitweise ausgetragen werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im zu behandelnden Abwasserstrom enthaltenen Feststoffe zunächst durch eine Zerkleinerungsstufe in Portionen mit großer Oberfläche zerteilt werden und der gesamte Abwasserstrom homogenisiert wird und eine Disproportionierung/ Dispergierung längs des Fließweges über Strömungsteiler eingeleitet wird.
  4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Einbauten eine schöpfende Wirkung aufweisen und zeitweise aus der Flüssigkeit auftauchen.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Segmentierung/Kaskadierung eine direkte Längsrückvermischung unterbunden wird.
  6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Abfluß des biologisch wirksamen Reaktionsraumes ein Umlauf angeflanscht und/oder im biologisch wirksamen Reaktionsraum geschaffen wird, der die an der Flüssigkeitsoberfläche verbliebene leichtere Phase an den tiefer liegenden Kopf des biologisch wirksamen Reaktionsraumes selbsttätig zurückführt.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser-Phase den biologisch wirksamen Reaktionsraum unter einer Tauchwand hindurch verläßt.
  8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schwerere Phase als Wasser aus dem Sumpf abgezogen und zeitweise oder permanent entweder einem Vorabscheider oder einem Schlammstapelbehälter zugeführt werden kann.
  9. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Einbauten auf einer horizontal oder schräg gestellten Welle sitzen.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Einbauten eine hohe Adsorptionsneigung für die spezielle leichtere Phase im Anwendungsfall besitzen.
  11. 11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4, 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Einbauten aus Scheiben, Platten, Waben oder Gestricken unterschiedlicher Werkstoffe mit diversen aufgesetzten Elementen der unterschiedlichsten Geometrien zusammengesetzt sind.
  12. 12. Vorrichtung nach den vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß alle beweglichen Einbauten auf einer einzigen Welle angebracht sind und direkt oder über Riemenantriebe alle Homogenisier-, Dispergier-, Belüftungs- und Förderaufgaben bewerkstelligt werden.






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