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Dokumentenidentifikation DE102006011951A1 20.09.2007
Titel Verfahren zur anaeroben Aufbereitung von Abwasser
Anmelder Meri Entsorgungstechnik für die Papierindustrie GmbH, 81673 München, DE
Erfinder Menke, Lucas, 81545 München, DE;
Troubounis, George, 80331 München, DE
Vertreter Lewinsky & Partner GbR, Pat.- und Rechtsanwälte, 80689 München
DE-Anmeldedatum 15.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006011951
Offenlegungstag 20.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.09.2007
IPC-Hauptklasse C02F 3/28(2006.01)A, F, I, 20060315, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C02F 1/24(2006.01)A, L, I, 20060315, B, H, DE   C12M 1/107(2006.01)A, L, I, 20060315, B, H, DE   C12P 5/02(2006.01)A, L, I, 20060315, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur anaeroben Aufbereitung von Abwasser, bei dem das Abwasser einem mit Mikroorganismus-Pellets versetzten Reaktorbehälter zugeführt wird, im Reaktorbehälter durch Einwirkung von anaeroben Mikroorganismen mit dem Abwasser Reaktionsgase erzeugt werden, welche durch Anhaftung die Mikroorganismus-Pellets am Absinken hindert, und im oberen Reaktorbereich eine Ableitung von Gas und biologisch gereinigtem Wasser erfolgt, wobei zumindest ein Teil des gereinigten Wassers einem Druckentspannungsflotationsschritt unterzogen wird, bei dem durch Zuführung eines pH-Regulierstoffes mindestens 40% des gelösten Kalks aus dem Wasser entfernt und mindestens ein Teil des entkalkten Wassers wieder dem Reaktionsbehälter zugeführt wird.
Dies hat den Vorteil, dass durch die Entkalkung mittels Druckentspannungsflotation und Rückführung des so entkalkten Wassers bewirkt wird, dass der Kalkgehalt im Anaerob-Reaktor sinkt und damit das Schwebeverhalten der Pellets durch Regulation deren spezifischen Gewichts kontrolliert werden kann, ohne den Nachteil der höheren Rezirkulationsmengen in Kauf nehmen zu müssen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur anaeroben Aufbereitung von Abwasser, insbesondere zur Prozesswasseraufbereitung in einer Papierfabrik, wobei das Abwasser einem mit Mikroorganismen-Pellets operierenden Reaktorbehälter zugeführt wird, im Reaktorbehälter durch Einwirkung der Mikroorganismen mit dem Abwasser Methangas erzeugt wird, welches durch Anhaftung die Mikroorganismen-Pellets am Absinken hindert, wobei im oberen Reaktorbereich eine Ableitung von Gas, biologisch gereinigtem Wasser und Bioschlamm erfolgt.

Bei der Abwasseraufbereitung werden oft anaerobe Reinigungsstufen vorgesehen, um im Abwasser enthaltene organische Stoffe durch den Einsatz anaerober Mikroorganismen unter Bildung von Biomasse, insbesondere Methangas und Bioschlamm, zu reduzieren. Insbesondere ist es dabei Ziel, den sog. chemischen Sauerstoffbedarf (CSB-Wert) so weit wie möglich zu reduzieren, was durch den Einsatz anaerober Reinigungsstufen weitgehend erreicht werden kann. Derartige Anlagen werden unter anderem auch bei der Prozesswasseraufbereitung von Papierfabriken eingesetzt.

Dabei wird das anaerob zu behandelnde Abwasser häufig vorher einem Vorversäuerungsreaktor zugeführt, wo enzymatische Hydrolyse und Acidogenese stattfindet. (Bei der enzymatischen Hydrolyse werden Biopolymere (Polysaccharide, Polypeptide & Fette) durch Exoenzyme von Mikroorganismen in Monomere (Zucker, Aminosäuren & Fettsäuren) zerlegt. Diese Monomere werden in der acidogenen Phase durch acidogene Mikroorganismen in orgenische Säuren, Alkohole, Aldehyde und andere Verbindungen sowie in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt). Im Vorversäuerungsreaktor erfolgt auch eine Nährstoff-(und Spurenelementzugabe, um das stöchiometrische Verhältnis C:N:P eizustelllen welches für optimales Wachstum der Mikroorganismen erforderlich ist. Z.B. Papierabwasser ist arm an Stickstoff und Phosphorverbindungen und diese müssen zugeführt werden. Als Nährstoffe werden insbesondere K, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu, Vitamine etc. zugegeben. Ferner erfolgt eine pH-Werteinstellung (um optimale Wachstumsbedingungen bzw. Mileaubedingungen für die Mikroorganismen zu erzielen).

Ein Anaerob-Reaktor ist beispielsweise in der DE 691 048 37 beschrieben. Im unteren Bereich wird das zu reinigende Abwasser aus dem Vorversäuerungsreaktor eingeleitet. Im Reaktor befinden sich sogenannte Mikroorganismen-Pellets, das sind. Im oberen Bereich des Reaktors oder je nach Ausführung auch zwischendurch befinden sich drei-phasen Separatoren, die das Biomasse-Gas-Wasser-Gemisch separieren und getrennten Ausgängen zuführen. In dem Reaktorbehälter befinden sich Mikroorganismen-Pellets in der Schwebe, die als Biomasseträger und Aufwuchsflächen der Mikroorganismen dienen. Pellets sind empfindlich gegen Kalkabscheidungen, die einerseits eine Erhöhung des spezifischen Gewichts bewirken aber auch die Aktivität der Mikroorganismen an die Pellets stark herabsetzen.

Sofern in diesem Text von Mikroorganismen-Pellets oder kurz Pellets die Rede ist, werden darunter granulatförmige Ausbildungen von Mikroorgenismenaggregaten (mikrobakterielle Lebensgemeinschaften) verbunden mit fein Material aus dem Abwasser verstanden. Beispiele dafür sind in der Veröffentlichung IPW 7/2005, Seite 50–57 beschrieben.

Dabei ist es für die Funktion des Anaerob-Reaktors wichtig, dass die Mikroorganismen-Pellets in Schwebe gehalten werden. Um diese in der Schwebe zu halten, wird durch Abwasserrezirkulation versucht, eine Verwirbelung und Durchmischung zu erreichen, wie beispielsweise in der DE 19815616 beschrieben.

Die Größe und das spezifische Gewicht der Mikroorganismen-Pellets werden einerseits durch das Wachstum der Mikroorganismen, andererseits durch Ablagerungen, insbesondere Kalkablagerungen, beeinflusst. Denn die Stoffwechseltätigkeit der anaeroben Mikroorganismen bewirkt eine Verschiebung des Kalkkohlensäure Gleichgewichts durch die Erzeugung u.a. von Hydrogenkarbonat (HCO3-) in Richtung Kalkausfällung. Der Auftrieb der Pellets entsteht durch Haftung von Gasbläschen (z.B. CH4, CO2) an den Pellets und der hydraulischen Auftriebskraft. Die Haftung der Gasbläschen an die Pellets setzt relativ ruhige Strömungsverhältnisse voraus. Je größer und schwerer die Pellets sind bzw. werden, desto mehr Auftrieb ist erforderlich, um diese in Schwebe zu halten. D.h. größere Rezirkulationsmengen werden benötigt. Der Rezirkulationsmenge sind aber einerseits durch die hydraulische Kapazität der Separatoren andererseits durch die Notwendigkeit die Strömung um die Pellets quasi laminar zu halten, Grenzen gesetzt. Höhere Rezirkulationsmengen bewirken außerdem durch die Entstehung von Druckgradienten saug- und druckseitig der Pumpe in der Rezirkulationsleitung das Entweichen von CO2 und dadurch eine weitere Verschiebung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts in Richtung Kalkausfällung.

Zur Lösung dieses Problems wird beispielsweise in der Publikation "Anaerobe Behandlung von Abwässern der Papierindustrie mit thermophilen Mikroorganismen" von Bobek et. al. in IPW 7/2005 vorgeschlagen, Verkrustungsinhibitoren zuzuführen. Dies hat zum einen den Nachteil, dass dadurch der anorganische Anteil der Pellets weiter steigt und durch die Zuführung der Verkrustungsinhibitoren im Betrieb erhebliche zusätzliche Kosten entstehen.

Eine andere bekannte Lösung dieses Problems besteht darin, das CO2 in nachfolgenden aeroben Reaktoren zu entfernen, wobei der ausgefällte Kalkschlamm in der aeroben Stufe die Belüftungsaggregate durch Verstopfen in deren Funktion beeinträchtigen kann, und sich andererseits große Bauvolumina und eine energieintensive Behandlung ergeben.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welches einen verbesserten Betrieb des Anaerob-Reaktors ermöglicht, bei dem die Pellets in der Schwebe gehalten werden können und somit ein optimierter Betrieb des Anaerob-Reaktors erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Entkalkung mittels Druckentspannungsflotation und Rückführung des so entkalkten Wassers bewirkt wird, dass der Kalkgehalt im Anaerob-Reaktor sinkt und damit das Schwebeverhalten der Pellets durch Regulation deren spezifischen Gewichts kontrolliert werden kann, ohne den Nachteil der höheren Rezirkulationsmengen in Kauf nehmen zu müssen. Denn die Menge an rückgeführten entkalkten Wassers gemäß der Erfindung ist 20–95% geringer als im herkömmlichen Prozess, wo in der Größenordnung von 100 der Zulaufmenge Wasser rezirkuliert werden muss. Die Entkalkung erfolgt dabei vorzugsweise durch die Zuführung von Natronlauge.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt:

1 eine Anordnung nach dem Stand der Technik,

2 eine erste und zweite bevorzugte Ausführung gemäß der Erfindung;

3 eine dritte bevorzugte Ausführung gemäß der Erfindung.

1 zeigt eine herkömmliche anaerobe Reinigungsstufe, beispielsweise für die Prozesswasseraufbereitung in einer Papierfabrik, bestehend aus einem Vorversäuerungsreaktor 10 und einem Anaerob-Reaktor 20. Dem Vorversäuerungsreaktor 10 wird das zu reinigende Ab- oder Prozesswasser über eine Zuleitung 12 zugeführt. Mittels einer oder mehrerer Zusatzstoffzuleitungen 14 werden pH-Regulierstoffe, vorzugsweise NaOH bzw. Nährstoffe und Spurenelemente, beispielsweise Urea (technische Stickstoffquelle) KH2PO4 (technische Phosphorquelle) um die Lebensbedingungen der Mikroorganismen günstig zu gestalten und zur Vermeidung von Substratmangelerscheinungen, zugeführt. Denn in Industrieabwässern ist ein für das Wachstum der Mikroorganismen günstiges Nährstoffverhältnis oft nicht gegeben. Dabei findet im Vorversäuerungsreaktor 10 der auch als Puffer dient durch spezialisierte Mikroorganismen die Hydrolyse und Acidogenese statt.

Das auf diese Weise aufbereitete Abwasser gelangt über eine Pumpe 16 in den unteren Bereich des Anaerob-Reaktors 20. Dieser kann beispielsweise aufgebaut sein wie in der DE 691 04 837 beschrieben. Im oberen Bereich des Anaerob-Reaktors 20 befindet sich ein nicht näher dargestellter Drei-Phasen-Separator 22, der das im Anaerob-Reaktor 20 befindliche bzw. gebildete Biomasse-Gas-Wasser-Gemisch separiert und einer Gasleitung 24 bzw. einer Wasserleitung 26 zuführt. Die Wasserleitung 26 für das anaerob gereinigte Wasser verzweigt in eine Ablaufleitung 25 und eine Rücklaufleitung 28, über welche ein Teil des entkalkten Wassers mittels einer Pumpe 34 wieder dem Anaerob-Reaktor 20 zugeführt wird. des biologisch aufbereiteten Wassers wird also zurückgeleitet und der Rest über die Ablaufleitung 25 weiterer Verwendung oder Entsorgung zugeführt.

In 2 ist eine erste und zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Soweit die Bestandteile die gleichen sind wie beim Stand der Technik, werden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Im Unterschied zur herkömmlichen Anordnung von 1 ist die Rücklaufleitung 28 des Anaerob-Reaktors 20 über eine Pumpe 27 und einer pH-Wert-Einstelleinrichtung 29 mit einer darauffolgenden Druckentspannungsflotationsstufe 30 verbunden. Vorzugsweise zwischen 5% und 80%, besonders bevorzugt 30% bis 50%, des aus dem Anaerob-Reaktor 20 austretenden Wassers wird der Druckentspannungsflotationsstufe 30 zugeführt.

In der pH-Wert-Einstelleinrichtung 29 wird durch Zumengung von Natronlauge oder einer anderen geeigneten Substanz ein für die nachfolgende Druckentspannungsflotationsstufe 30 erforderlicher pH-Wert von ca. 7–8 eingestellt. Die Dosierung der Natronlauge erfolgt so, dass dabei in der Druckentspannungsflotationsstufe 30 eine Konzentration von 0,2–0,4 l/m3 erreicht wird.

Die Druckentspannungsflotationsstufe 30, vorzugsweise des Rundbeckentyps, umfasst eine Zumischeinheit 32, in der Chemikalien, wie Natronlauge, Polyaluminiumchlorid, Polyacrylamide und Ähnliches zur Fällung, Flockung zugemengt werden sowie einen Gaslösungsreaktor 34, in dem das einströmende Wasser unter erhöhten Druck gesetzt und je nach Bedarf bzw. Ausführung sauerstoffarmes oder sauerstoffhaltiges Gas (vorzugsweise Luft) etwa bis zur Gassättigung zugemengt wird. Dieses gasversetzte Wasser wird der Druckentspannungsflotationsstufe 30 zugeführt und schlagartig expandiert, wobei durch den Druckabfall das Gas ausperlt und Gasbläschen bildet, so dass sich Kalkflocken im Wasser bilden, die an die Oberfläche getrieben werden. Der Kalkschlamm wird aus der Druckentspannungsflotationsstufe 30 über eine Schlammableitung 35 aus dem Kreislauf entfernt. Das entkalkte Wasser wird über eine Rückführleitung 36 aus der Druckentspannungsflotationsstufe 30 entnommen. Auf diese Weise ist es möglich, den Kalkgehalt in dem über die Wasserleitung 26 zugeführten Wasser um 60–70% zu reduzieren.

In 2 sind zwei verschiedene Varianten gestrichelt dargestellt, nämlich eine Verbindung der Rückführleitung 36a mit dem Eingang des Vorversäuerungsreaktors 10 (Variante I) bzw. eine Verbindung der Rückführleitung 36b mit dem Eingang des Anaerob-Reaktors 20 (Variante II).

Bei der Variante I wird das entkalkte Wasser dem Vorversäuerungsreaktors 10 zugeführt. Dabei liegt das Mengenverhältnis des über die Zuleitung 12 zugeführten Abwassers zu dem über die Rückführleitung 36 zurückgeführten entkalkten Wasser vorzugsweise im Bereich 0,5 bis 3,0. Durch diese Mischung wird der Kalkgehalt des in den Anaerob-Reaktor 20 strömenden Wassers deutlich (ca. 30–60%) reduziert. Dies verhindert die Bildung von Kalkablagerungen an den Bauteilen und Rohrleitungen im Inneren des Anaerob-Reaktors 20 und damit eine Beeinträchtigung dessen Betriebes. Darüber hinaus und noch wichtiger verhindert dies die Anlagerung von Kalkablagerungen auf den Mikroorganismus-Pellets und damit deren Absinken in den Bodenbereich des Reaktors. Durch die gezielte Steuerung der Menge der über die Rückführleitung 36a rezirkulierte entkalkte Wassermenge und/oder die Einstellung des Entkalkungsgrades innerhalb der Druckentspannungsflotationsstufe 30 läßt sich die Kalkbildung an den Pellets und damit deren Schwebeverhalten bewußt beeinflussen und steuern. Insbesondere können die Pellets dabei in der Schwebe gehalten und damit günstige Betriebsbedingungen im Anaerob-Reaktor 20 gewährleistet werden.

Bei der Variante II wird das entkalkte Wasser hingegen über die Rückführleitung 36b direkt dem Anaerob-Reaktors 20 zugeführt. Diese Variante findet Verwendung, wenn in der Zumischeinheit 32 ein sauerstoffarmes Gas, insbesondere Stickstoff oder Kohlendioxid oder Methan oder deren Kombination als technisches Gas, für die Gassättigung zugeführt wird, da im anaeroben Reaktor methanbildende Bakterien leben, die strikt anaerob sind und keinen Sauerstoff vertragen.

Die Variante II wird insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn man gezielt den anaeroben Reaktor optimieren möchte.

In 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche Bezugszeichen wie in 2 bezeichnen gleiche Bauteile. Im Unterschied zur Ausführung von 2 ist die ausgangsseitige Wasserleitung 26 des Anaerob-Reaktors 20 bzw. die Leitung 28 nur mit der Druckentspannungsflotationsstufe 30 verbunden, es zweigt also anders als bei 1 und 2 keine Ablaufleitung 25 davon ab. Es wird also das gesamte biologisch gereinigte Wasser der Druckentspannungsflotationsstufe 30 zugeführt und dabei eine Entkalkung bewirkt (Vollstrombehandlung). Dafür weist die Druckentspannungsflotationsstufe 30 eine Ablaufleitung 37 auf, über die das nicht mittels der Rückführleitung 36 rezirkulierte Wasser weiterer Verwendung, Behandlung oder Entsorgung zugeführt wird. Diese Verfahrensvariante ist insbesondere von Vorteil, wenn in der Zumischeinheit 32 ein sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Luft eingesetzt wird, weil dadurch gleichzeitig eine sogenannte flash Oxydation des rest organischen Materials in der Druckentspannungsflotationsanlage stattfindet.


Anspruch[de]
Verfahren zur anaeroben Aufbereitung von Abwasser, insbesondere zur Prozesswasseraufbereitung in einer Papierfabrik, wobei das Abwasser einem mit Mikroorganismus-Pellets versetzten Reaktorbehälter zugeführt wird, im Reaktorbehälter durch Einwirkung von anaeroben Mikroorganismen mit dem Abwasser Reaktionsgase erzeugt werden, welche durch Anhaftung die Mikroorganismus-Pellets am Absinken hindert, wobei im oberen Reaktorbereich eine Ableitung von Gas und biologisch gereinigtem Wasser erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des gereinigten Wassers einem Druckentspannungsflotationsschritt unterzogen wird, bei dem durch Zuführung eines pH-Regulierstoffes mindestens 40% des gelösten Kalks aus dem Wasser entfernt und mindestens ein Teil des entkalkten Wassers wieder dem Reaktionsbehälter zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte aus dem Reaktorbehälter austretende Wasser dem Druckentspannungsflotationsschritt zugeführt und zwischen 5% und 80% des entkalkten Wassers wieder dem Reaktionsbehälter zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 5% und 80% des aus dem Reaktorbehälter austretenden Wassers dem Druckentspannungsflotationsschritt zugeführt und das entkalkte Wasser wieder dem Reaktionsbehälter zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Reaktorbehälter zugeführte Abwasser vorher einem Vorversäuerungsschritt zugeführt wird, in dem Hydrolyse und/oder Acidogenese stattfindet, und das entkalkte Wasser ebenfalls dem Vorversäuerungsschritt zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als pH-Regulierstoff NaOH verwendet wird. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Anaerob-Reaktor (20), dessen Ausgang mit einer Druckentspannungsflotationsstufe (30) verbunden ist, in deren Zulauf eine pH-Wert-Einstelleinrichtung (29) für die Zuführung eines basischen Zusatzstoffes vorgesehen ist und eine Rückführleitung (36) zwischen der Druckentspannungsflotationsstufe (30) und dem Eingang des Anaerob-Reaktors (20) vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Anaerob-Reaktor (20) ein Vorversäuerungsreaktor (10) vorgesehen ist, und die Rückführleitung (36) mit dem Eingang des Vorversäuerungsreaktors (10) verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Anaerob-Reaktors (20) eine Ablaufleitung (25) zur Abführung eines Teils des aus dem Anaerob-Reaktor (20) austretenden Wassers vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Anaerob-Reaktors (20) nur mit der Druckentspannungsflotationsstufe (30) verbunden ist und eine Ablaufleitung (37) zur Abführung eines Teils des aus der Druckentspannungsflotationsstufe (30) austretenden Wassers vorgesehen ist.






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