Die Erfindung betrifft Reaktoren mit Membranmodulen, die verwendet werden, um ein Gas in eine Flüssigkeit zu übertragen oder daraus zu entfernen, und ein Verfahren, das einen membrangestützten Biofilm zur Aufbereitung von Abwasser nutzt, um daraus mindestens einen der Stoffe Stickstoff, Phosphor, BOD und/oder COD zu entfernen.

Eine Übertragung von Gasen in eine Flüssigkeit oder ein Entfernen daraus wird meistens durchgeführt, indem ein Blasendiffusor in der Flüssigkeit bereitgestellt wird. Während in der Flüssigkeit Blasen aufsteigen, überqueren Gase unter der Wirkung der relativen Partialdrücke des Gases in der Blase und in der Flüssigkeit die Blasengrenzfläche. Ein derartiges Verfahren weist große Nachteile auf, beispielsweise hohe Energiekosten, die Schwierigkeit, ein Mischen der Flüssigkeit unabhängig zu steuern, Schaumbildung auf der Flüssigkeitsoberfläche und ein Mangel an Kontrolle über das Gas, das durch die Blasen freigegeben wird, wenn diese an der Oberfläche der Flüssigkeit platzen. Gasdurchlässige Membranmodule stellen ein weiteres Mittel dar, um Gas in eine Flüssigkeit zu übertragen oder daraus zu entfernen, und finden bisher in vielfältigen Reaktorkonstruktionen Verwendung. Im folgenden werden einige Beispiele beschrieben.

Die US-Patentschrift 4 416 993 (ausgegeben am 22. November 1983 an McKeown) beschreibt ein Membranmodul in Form einer hohlen Platte. Die Platten basieren auf einem starren Rahmen, der in ein poröses "Netzgewebe" eingewickelt ist, das aus PTFE hergestellt ist, das an ein gewebtes Nylongewebe laminiert ist. Die Platten sind an einem überlappenden Streifen befestigt, der eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist.

In "Bubble-Free Aeration Using Membranes: Mass Transfer Analysis" (Journal of Membrane Science, 47 (1989) 91–106) und "Bubble-Free Aeration Using Membranes: Process Analysis." (Journal Water Pollution Control Federation, 1988, Bd. 60, Nr. 11, 1986–1992) beschreiben Cote et al. die Verwendung von Siliconkautschukschläuchen, um Sauerstoff in Wasser zu übertragen, ohne in dem Wasser Blasen zu erzeugen. Die Einrichtung für diese Lehren enthält ein Modul mit vertikal ausgerichteten Rohren, die zwischen einem Einlassverteilerrohr und einem Auslassverteilerrohr aufgehängt sind. Das Modul ist in einem Behälter eingetaucht, der Wasser enthält, das von einer Pumpe umgewälzt wird, um in dem Behälter einen horizontalen Strom zu erzeugen.

In "Studies of a Membrane Aerated Bioreactor for Wastewater Treatment" (MBR 2 – 2. Juni 1999, Cranfield University), beschreiben Semmens et al. ein Membranmodul mit mikroporösen Polypropylen-Hohlfasern, die miteinander vermascht sind, um ein Gewebe zu bilden. Das Gewebe ist zwischen einem Gaseinlassverteilerrohr und einem Gasauslassverteilerrohr befestigt, so dass die Fasern horizontal ausgerichtet sind. Das Modul ist in einem offenen Reaktor in Wasser eingetaucht, wobei Wasser von einer Pumpe umgewälzt wird, um in dem Reaktor einen horizontalen Strom zu erzeugen.

Obwohl vielfältige Konstruktionen verfügbar sind, war den Gasübertragungsmembranen bisher ein breiter wirtschaftlicher Erfolg versagt. Allgemein wird an Modulen oder Reaktoren bemängelt, (a) dass die Festigkeit der Membranenmaterialien nicht ausreichend, um in aggressiven Umgebungen zu bestehen, (b) dass die Membranoberfläche unzureichend ist, insbesondere im Falle eines Behälters mit einer feststehenden und vorab ausgewählten Größe, (c) dass übermäßige Bewegung der Flüssigkeit erforderlich ist, was in großen Systemen hohe Kosten der Verwirklichung verursacht, (d) dass sich das Wachstum von Biofilm auf den Membranen nur unter Schwierigkeiten mit einer kontrollierten Dicke bremsen oder aufrecht erhalten lässt, und (e) dass schon geringe Undichtigkeiten oder Fehlstellen in den Membranen eine erhebliche Minderung der Systemkapazität hervorrufen.

Gasübertragung wird für eine Reihe von Verfahren verwendet, beispielsweise für die Aufbereitung von Abwasser. Ein Einleiten von Abwasser, das große Mengen an Kohlenstoff (BOD oder COD), Stickstoff und Phosphor enthält, in einen natürlichen Wasserkörper ruft Eutrophierung, Algenbeläge, Umweltverschmutzung und Gesundheitsprobleme hervor. Um Kohlenstoff-, Stickstoff- und/oder Phosphoranteile ganz oder teilweise zu entfernen wurden vielfältige Abwasseraufbereitungsverfahren entwickelt, von denen einige im folgenden zusammenfassend beschrieben sind.

In einem typischen Belebtschlammprozess durchströmt Abwasser nacheinander einen anoxischen Reaktor, einen aeroben Reaktor und einen Klarifikator. Aus dem Klarifikator stammendes Reinwasser wird in die Umgebung entlassen. Belebtschlamm vom Grund des Klarifikators wird zu einem Teil in den anoxischen Reaktor zurückgeführt und zum Teil abgesondert. Um Stickstoff spürbar zu entfernen, ist eine erhebliche Rückführungsrate erforderlich, um das Abwasser abwechselnd zu nitrifizieren und zu denitrifizieren.

Phosphor wird entfernt, indem eine Dosis von löslichen Metallsalzen, z.B. Eisenchlorid oder Aluminiumsulfat, an einer oder mehreren Stellen in dem Verfahren in den aeroben Reaktor zugegeben wird, um Phosphatmetallsalze auszufällen. Das Abwasser enthält jedoch viele unterschiedliche Ionen, die unerwünschte Nebenreaktionen hervorrufen. Als Folge hiervon und besonders in Fällen, wo sehr niedrige Gesamtphosphorpegel in dem Reinwasser verlangt werden, kann das Ausfällen von Phosphor ein Hinzufügen der 2-6-fachen stöchiometrischen Menge des Metallsalzes erfordern. Diese Verfahren sind daher mit hohen Chemikalienkosten, einer erheblichen Schlammproduktion und einem hohen Pegel an metallischen Schadstoffen in dem Schlamm verbunden.

Belebtschlammtechniken können auch modifiziert werden, um Mikroorganismen zur Speicherung von Phosphaten zu verwenden. Beispielsweise erörtert das US-Patent 4 867 883 ein Verfahren mit dem Ansatz, die Auswahl und das Wachstum von Bio-P-Organismen zu unterstützen, die Phosphor in einer Menge aufnehmen, die die normalerweise für das Zellwachstum erforderliche Menge übersteigt. Im Allgemeinen basiert das Verfahren auf einer anaeroben Zone, einer anoxischen Zone, einer aeroben Zone und einem Klarifikator. In der anaeroben Zone, wird lösliches BOD assimiliert und durch die Bio-P-Organismen gespeichert, und Phosphor wird freigegeben. Daran anschließend wird das gespeicherte BOD in der anoxischen und aeroben Zone abgereichert, und löslicher Phosphor wird im Überschuss aufgenommen und durch die Bio-P-Organismen in Form von Polyphosphaten gespeichert. In dem Klarifikator setzt sich Schlamm, der Phosphate enthält, von dem zu reinigenden Abwasser ab. Es existiert ein denitrifizierter Rücklauf von der anoxischen Zone zu der anaeroben Zone, ein nitrifizierter Rücklauf von der aeroben Zone zu der anoxischen Zone und ein Belebtschlammrücklauf von dem Klarifikator zu der anoxischen Zone. Die Schlammrückführung wird in mehreren Phasen durchgeführt, um sicherzustellen, dass keine Nitrate in die anaerobe Zone zurückgeführt werden, was die Freigabe von Phosphor be grenzen würde. Der biologische Mechanismus, durch den Bakterien in dem anaeroben Abschnitt Phosphor freigeben, beinhaltet der Aufnahme von auf einfache Weise assimilierten organischen Verbindungen, beispielsweise flüchtigen Fettsäuren (VFA = volatile fatty acid). Abhängig von dem Pegel an VFA in dem unbehandelten Abwasser kann am Beginn des Prozesses ein zusätzlicher anaerober Abschnitt angefügt werden.

Ein Problem im Zusammenhang mit diesem Verfahren ist, dass die Absetzungscharakteristik des Schlamms in dem Klarifikator wesentliche Konstruktionsbeschränkungen auferlegt. Beispielsweise sind die Verfahren nicht in der Lage, bei sehr hohen Prozessfeststoffpegeln oder hohen Schlammretentionszeiten zu arbeiten, insbesondere, wenn hohe Beseitigungsraten sowohl für Stickstoff als auch für Phosphor gefordert sind. Als Folge hiervon wird das System im Allgemeinen als ineffizient erachtet und es die Entstehungsrate von Abfallschlamm ist hoch. In manchen Fällen werden am Ende des Prozesses Sandfilter hinzugefügt, um das Entfernen von aus einem überlasteten Klarifikator mitgerissenen Feststoffen zu erleichtern und den Phosphoranteil in dem Reinwasser zu reduzieren.

Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit diesen Verfahren ist die Bildung von Phosphaten in dem System. Der Überschussbelebtschlamm enthält Bio-P-Organismen, die reich an Phosphor sind. Wenn die Organismen in dem Überschussbelebtschlamm abgebaut werden, geben sie Phosphor frei, der gewöhnlich in Form eines Abbauüberstands in den Prozess zurückgegeben wird. Dies führt zu einem reduzierten Wirkungsgrad der Phosphorentfernung in dem Verfahren, und zu höheren Phosphorpegel in dem Reinwasser. Zum Teil wird dieses Problem dadurch gelöst, dass ein als "Phos-Pho-Entfernung" bezeichneter Seitenstromprozess eingesetzt wird, wie er in dem US-Patent 3 654 147 beschrieben ist. In diesem Verfahren strömt Belebtschlamm von dem Klarifikator zu einem Phosphorabscheider. In dem Abscheider wird Phosphor durch Erzeugen anaerober Bedingungen, Einstellen des pH-Werts oder ausgiebige Belüftung in den Filtratstrom freigegeben. Der sich ergebende phosphatreiche Filtratstrom strömt zu einer chemischen Ausfällungsanlage. Der phosphatfreie Abwasserstrom wird dem Hauptreinwasserstrom hinzugefügt, wobei der aus der Ausfällungsanlage stammende, die Phosphate enthaltende Abfallproduktestrom ausgesondert wird, und der phosphatabgereicherte Belebtschlamm in den Hauptprozess zurückgeführt wird.

Ein Membran-Bioreaktor kann mit chemischen Ausfällungstechniken kombiniert werden. In einem einfachen Beispiel werden in einen aeroben Behälter, der ein Membranfilter enthält oder an ein solches angeschlossen ist, ausfällende Chemikalien hinzugefügt. Wie oben sind jedoch zum Erreichen von geringen Spiegeln von Phosphaten in dem Reinwasser Dosierungen von ausfällenden Chemikalien erforderlich, die die stöchiometrische Menge von Phosphaten wesentlichen übersteigen. Dies führt zu einer übermäßigen Schlammentstehung und dem Auftreten metallischer Präzipitate, die die Rate der Membranverschmutzung erhöhen oder den Anwender zwingen, das System mit einer ineffizienten kurzen Schlammretentionszeit zu betreiben.

Die US-Patentschrift 4 181 604 beschreibt ein Modul mit mehren Schlingen von hohlen Hohlfasermembranen, die an beiden Enden mit einem Rohr am Grund eines Behälters verbunden sind, der Abwasser enthält. Das Rohr leitet ein sauerstoffhaltiges Gas den Lumina der Membranen zu, durch die hindurch das Gas dem Abwasser und einem auf der Außenfläche der Membranen wachsenden aeroben Biofilm zugeführt wird. In der US-Patentschrift 4 746 435 wird die gleiche Einrichtung verwendet, allerdings wird die Menge an zugeführten sauerstoffhaltigen Gas gesteuert, um einen Biofilm mit aeroben Zonen und anaeroben Zonen, und 1 bis 7 ppm Sauerstoff in dem Abwasser zu erzeugen. Dieses Verfahren ermöglicht zwar eine gleichzeitige Nitrifizierung und Denitrifizierung ohne Schlammrückführung, jedoch keine Phosphorentfernung.

Die US-Patentschrift 5 116 506 beschreibt einen Reaktor mit einer sauerstoffhaltigen gasdurchlässigen Membrane, die einen Reaktor in ein Flüssigkeitsabteil und ein Gasabteil aufteilt. Das Flüssigkeitsabteil enthält Abwasser. Dem Gasabteil wird Sauerstoff zugeführt, der durch die Membrane diffundiert, um eine Biofilmschicht zu tragen. Die Biofilmschicht basiert auf zwei Teilen, nämlich einer benachbart der Membrane angeordneten aeroben Schicht und einer benachbart dem Abwasser angeordneten anaeroben Schicht. Dieses Verfahren ermöglicht ebenfalls eine gleichzeitige Nitrifizierung und Denitrifizierung, jedoch auch in diesem Fall keine Phosphorentfernung.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Membranmodul zu verwenden, um ein Gas in eine Flüssigkeit einzutragen oder aus einer Flüssigkeit zu entfernen. Solche Module können beispielsweise zum Tragen und Anreichern eines Biofilms mit Sauerstoff, zur Wasserentgasung, zur Befeuchtung, zur Vaporisation und zur Luftreinigung verwendet wer den. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Prozess zur Aufbereitung von Abwasser zu schaffen, um Reinwasser mit reduzierten Konzentrationen von Stickstoff, Phosphor und/oder Kohlenstoff (BOD oder COD) hervorzubringen. Diese Aufgaben werden durch die Kombination von Merkmalen, Schritten oder beiden, wie in den Ansprüchen dargelegt, erfüllt.

In einem Aspekt schafft die Erfindung einen Reaktor zur Aufbereitung von Abwasser, Konzentrationen von einem oder mehr von BOD, COD, Stickstoff und/oder Phosphor zu verringern, umfassend:

• (a) einen anaeroben Abschnitt, der anaeroben gemischten Liquor enthält;
• (b) mehrere Gasübertragungsmembranmodulen in Kommunikation mit einer Sauerstoffquelle zum Tragen und Anreichern des Biofilms auf der Oberfläche der Gasübertragungsmembranen mit Sauerstoff, wobei der Biofilm sich in Fluidkommunikation mit dem anaeroben Abschnitt befindet und aerobe und anoxische Zonen aufweist; und
• (c) einen aeroben Abschnitt, der sich in Fluidkommunikation mit dem anaeroben Abschnitt befindet und aeroben gemischten Liquor enthält;
• (d) einen Abwassereinlass; und
• (e) einen Auslass,

In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Reaktor zur Aufbereitung von Abwasser, um Konzentrationen von einem oder mehr von BOD, COD, Stickstoff und Phosphor zu verringern, der folgende Merkmale aufweist:

• (a) einen ersten Abschnitt, der eine mehrere Gasübertragungsmembranmodulen enthält, die mit einer Sauerstoffquelle verbunden sind, die wirksam ist, um einen Biofilm auf der Oberfläche der Gasübertragungsmembranen zu züchten, der aerobe und anoxische Zonen aufweist, während ein anaerober Zustand, der allgemein in dem ersten Abschnitt besteht, nicht gestört wird;
• (b) einen zweiten Abschnitt, der eine Sauerstoffquelle aufweist, die wirksam ist, um aerobe Bedingungen in dem zweiten Abschnitt zu schaffen;
• (c) einen Abwassereinlass zu dem ersten Abschnitt;
• (d) einen Auslass aus dem zweiten Abschnitt; und
• (e) einen Durchlass von dem ersten Abschnitt zu dem zweiten Abschnitt und einen zweiten Durchlass von dem zweiten Abschnitt zu dem ersten Abschnitt,

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Prozess zur Aufbereitung von Abwasser, um Konzentrationen von einem oder mehr von BOD, COD, Stickstoff und Phosphor zu verringern, der folgende Schritte aufweist:

• (a) Behandeln des Abwassers durch anaeroben Abbau außerhalb des Biofilms von Schritt (b);
• (b) Kontaktieren des Abwassers, während sich dasselbe allgemein in einem anaeroben Zustand befindet, mit einem Biofilm, der auf einer Gasübertragungsmembran getragen wird und aerobe und anoxische Zonen aufweist; und
• (c) Behandeln des Abwassers durch aeroben Abbau außerhalb des Biofilms von Schritt (b).

Die Erfindung schafft auf diese Weise einen hybriden Abwasseraufbereitungsreaktor, der einen membrangestützten Biofilm und suspendierte Züchtungsbiomasse kombiniert. Der Reaktor weist einen ersten Abschnitt auf, der mehrere an eine Sauerstoffquelle angeschlossene Gasübertragungsmembranmodule und einen zweiten Abschnitt aufweist, der eine Sauerstoffquelle enthält, die geeignet ist, in dem zweiten Abschnitt aerobe Bedingungen zu schaffen. In dem ersten Abschnitt wird die Zufuhr von Sauerstoff zu den Membranmodulen so gesteuert, dass auf der Oberfläche der Membranen, die aerobe und anoxische Zonen aufweisen, ein Biofilm gezüchtet wird, und dass vor allem in dem ersten Abschnitt die Züchtung eines anaeroben gemischten Liquors gefördert wird. In dem zweiten Abschnitt fördern die Diffusoren und die Sauerstoffquelle die Züchtung eines aeroben gemischten Liquors. Das Abwasser tritt in den Reaktor durch einen Einlass zu dem ersten Abschnitt ein und strömt durch den Reaktor, um in dem anaeroben Abschnitt, in dem aeroben Abschnitt und durch Kontakt mit dem Biofilm aufbereitet zu werden, bevor es den Reaktor durch einen stromabwärts des zweiten Abschnitts angeordneten Feststoff-Flüssigkeit-Separator verlässt. Ein Teil des abgesetzten Schlamms am Grund des Klarifikators wird in den ersten Abschnitt rückgeführt.

Biologisches Aufschließen von BOD, COD, Stickstoff und Phosphor wird wie im Folgenden zusammenfassend beschrieben erreicht:

• – Eine grobe Entfernung von BOD oder COD und Stickstoff erfolgen in dem Biofilm.
• – Eine verfeinerte Denitrifizierung und Schlammreduktion erfolgen in dem anaeroben gemischten Liquor.
• – Eine Assimilation von flüchtigen Fettsäuren (VFA = Volatile Fatty Acid) und Freigabe von Phosphor erfolgt in dem anaeroben gemischten Liquor.
• – Die Entfernung von COD und BOD, die Nitrifizierung und die biologische Phosphoraufnahme werden in dem aeroben gemischten Liquor verfeinert.
• – Phosphor wird als überschüssige Biomasse extrahiert, indem ein Teil des in dem Klarifikator abgesetzten Schlamms abgesondert wird.

In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen modifizierten Reaktor, in dem Phosphor ferner als ein chemisches Präzipitat extrahiert wird. Der anaerobe gemischte Liquor befindet sich die meiste Zeit in Ruhe, so dass sich der anaerobe gemischte Liquor teilweise absetzen kann, wodurch nahe seiner Oberfläche eine phosphorreiche Lösung entsteht. In einer Abwandlung wird ein Teil des anaeroben gemischten Liquors in einer Feststoff-Flüssigkeit-Trennvorrichtung behandelt, um eine phosphorreiche Lösung hervorzubringen. Die phosphorreiche Lösung wird in einem Ausfällungszweig behandelt, der eine Quelle für Phosphorausfällungsmittel, beispielsweise Metallsalze, und eine Fällprodukttrennvorrichtung enthält, beispielsweise einen Klarifikator oder ein Hydrozyklon.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden mit Bezug auf 12 und 13 beschrieben, während 1 bis 11 dem Verständnis der Erfindung dienen.

1 und 2 zeigen eine erste Einrichtung in Draufsicht bzw. in geschnittener Ansicht.

3, 4 und 5 zeigen eine zweite Einrichtung in Draufsicht, in Schnittansicht bzw. Ansicht ohne Frontverkleidung.

6 und 7 zeigen eine dritte Einrichtung in Draufsicht bzw. in geschnittener Ansicht.

8 und 9 veranschaulichen in schematischer Draufsicht zwei Reaktoren für den Einsatz in der ersten, zweiten oder dritten Einrichtung.

10 und 11 veranschaulichen abgewandelte Konfigurationen der ersten Einrichtung.

12 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Reaktor gemäß der Erfindung zur Aufbereitung von Abwasser.

13 zeigt in einer schematischen Darstellung einen zweiten Reaktor gemäß der Erfindung zur Aufbereitung von Abwasser.

1 und 2 zeigen eine erste Einrichtung 10 mit einer Membrane 12, einem Abstandhalter 14, einer Einlassleitung 16, einer Auslassleitung 18 und einem nicht starren Halterungssystem 20.

Die Membrane 12 basiert auf einem Folienmaterial, das sich in vielfältige Konstruktionen nähen oder kleben lässt. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird ein geeignet bemessenes Folienmaterialstück, das aus mehreren kleineren Stücke gefertigt sein kann, zur Hälfte um den Abstandhalter 14 gefaltet und in sich mit einer Naht 22 oder mit Klebstoff befestigt. Sämtliche Reihen von Nähten 22 der ersten Einrichtung 10 (und sämtlicher nachfolgenden Einrichtungen, wie sie unten beschrieben sind), die erwartungsgemäß mit Wasser in Berührung kommen, werden durch Beschichtung derselben mit flüssigem Siliconkautschuk oder einem anderen wasserfesten Klebstoff abgedichtet. Die Membrane 12 schließt auf diese Weise einen Innenraum 24 ein, in dem der Abstandhalter 14 aufgenommen ist. Der Abstandhalter 14 und die Membrane 12 bilden gemeinsam ein ebenes Element 26.

Die Membrane 12 ist elastisch und gasdurchlässig, jedoch für flüssiges Wasser undurchlässig. Der Bergriff "für flüssiges Wasser undurchlässig" bedeutet in dem hier verwendeten Sinne, dass Wassermoleküle in der Lage sind, unter der Wirkung einer geeigneten Kraft (falls beispielsweise die Feuchtigkeit des Gases in dem Innenraum 24 geringer als 100 % ist) durch die Membrane 12 zu diffundieren, während Wasser im flüssigen Aggregatszustand die Membrane 12 nicht passieren wird. Eine bevorzugte Membrane 12 basiert auf einem gewebten oder vliesartigen Textilgewebe, z.B. Nylon, das mit einer Schicht beschichtet oder imprägniert ist, die zwar gasdurchlässig, jedoch nicht wasserundurchlässig ist. Siliconkautschuk wird wegen seiner hohen Durchlässigkeit für Sauerstoff und wegen seiner Verfügbarkeit in Form von Flüssigkeiten oder Sprays für die Schicht bevorzugt, allerdings muss die Schicht sorgfältig inspiziert werden, um sicherzustellen, dass sie frei von Poren ist. In Abwandlungen können Membranen auf mikroporösen hydrophobischen Materialien basieren, die unter typischen hydrostatischen Drücken wasserabstoßend sind, beispielsweise Polypropylen oder PTFE. Der Abstandhalter 14 ist elastisch und für einen im Wesentlichen parallel zu der Membrane 12 strömenden Gasstrom offen. Geeignete Materialien sind im Handel für den Einsatz als Abstandhalter in Reversosmosemodulen erhältlich, beispielsweise als von Valtex hergestelltes Vexar^TM.

Die Einlassleitung 16 und die Auslassleitung 18 weisen erste Enden 16a und 18a auf, die mit dem Innenraum 24 strömungsmäßig verbunden sind. Die Einlassleitung 16 und die Auslassleitung 18 weisen außerdem jeweils zweite Enden 16b und 18b auf, die sich von dem ersten ebenen Element 26 in Richtung nach außen erstrecken. An den Stelle, an der die Einlassleitung 16 und die Auslassleitung 18 aus dem ebenen Element 26 austreten, wird wasserfester Klebstoff aufgetragen, um das Eindringen von Wasser in den Innenraum 24 zu verhindern.

Die Einlassleitung 16 und die Auslassleitung 18 sind aus einer Verbundkonstruktion gefertigt. Ein Teil in Nähe der zweiten Enden 16b und 18b der Leitungen 16 und 18 ist ein elastischer kompakter Schlauch. Das zweite Ende 16b der Einlassleitung 16 weist ein abnehmbares wasserdichtes Anschlusselement zu einem (nicht dargestellten) Verteilerrohr auf. Das zweite Ende 18b der Auslassleitung 18 kann in einigen Anwendungen druckentlastet in die Atmosphäre führen, kann jedoch auch in ein (nicht dargestelltes) Verteilerrohr einmünden. Jeder elastische Schlauch endet kurz unterhalb des Beginns des Abstandhalters 14. Ab dieser Stelle basiert jede der Leitungen 16, 18 auf einem Abschnitt des Abstandhalters 14 oder der Membrane 12. Wie zu sehen, basieren die Leitungen 16, 18 auf einem Abschnitt des Abstandhalters 14, der aufgerollt ist, um ein poröses Rohr zu erzeugen, das in den elastischen Schlauch mündet und sich längs einer Seite des ersten ebenen Elements 26 erstreckt. In einer Abwandlung kann der Abstandhalter 14 in sich gefaltet sein, um die Leitungen 16, 18 zu bilden, oder es kann in einem tubulären Abschnitt der Membran 12 benachbart zu dem Abstandhalter 14 eine elastische Feder eingesetzt sein, um Leitungen 16, 18 zu bilden.

Vorzugsweise sind die Einlassleitung 16 und die Auslassleitung 18 an gegenüberliegenden Seiten des ebenen Elements 26 angeordnet, so dass in die Einlassleitung 16 eintretendes sauerstoffhaltiges Gas über das ebene Element 26 strömt, bevor es durch die Auslassleitung 18 entweicht. Ferner erstrecken sich sämtliche Leitungen 16, 18 vorzugsweise im Wesentlichen längs ihrer entsprechenden gegenüberliegenden Seiten des ebenen Elements 26 und sind über einen beträchtlichen Abschnitt ihrer Länge hinweg innerhalb des ebenen Elements 26 poröse. Auf diese Weise wird begünstigt, dass das Gas in einem gut verteilten Strömungsmuster über das ebene Element 26 strömt. Optional kann das Gas dazu veranlasst werden, abwärts oder vorzugsweise aufwärts zu strömen, indem die Leitungen 16, 18 längs der horizontalen Seiten des ebenen Elements 26 anstelle längs der senkrechten Wände des ebenen Elements 26 angeordnet werden.

Ferner kann ein Abflussrohr 28 vorgesehen sein, das ein erstes Ende, das strömungsmäßig mit dem Grund des ebenen Elements 26 verbunden ist, und ein aus dem ebenen Element 26 herausragendes zweites Ende aufweist. Das Abflussrohr 28 ist an der Stelle, wo es aus dem ebenen Element 26 austritt mit Klebstoff abgedichtet. Das zweite Ende des Abflussrohrs 28 ist mit einem Anschlussstück versehen, so dass es sich mit einer Pumpe verbinden lässt, die dazu dient Wasser aus dem Innenraum 24 des ebenen Elements 26 zu entfernen. Unter idealen Bedingungen ist ein derartiges Abflussrohr 28 nicht erforderlich. Von Zeit zu Zeit können jedoch winzige Fehlstellen in dem ebenen Element 26 entstehen, die geringe Mengen Wasser eintreten lassen. Darüber hinaus kann unter gewissen Bedingungen Wasserdampf kondensieren und sich in dem Innenraum 24 ansammeln. In beiden Fällen kann durch die Verwendung eines Abflussrohr 28 darauf verzichtet werden, die erste Einrichtung 10 periodisch zu entfernen, um Wasser aus dem Innenraum 24 zu beseitigen. In einer Abwandlung kann das Abflussrohr 28 durch die Auslassleitung 18 hindurch in den Grund des ebenen Elements 26 eingeführt werden.

Das Halterungssystem 20 basiert auf einer Serie von spannbaren Elementen in. Form von Schlingen 30, die vorzugsweise aus demselben Material wie die Membrane 12 oder aus einem anderen geeigneten Gewebe hergestellt sind. Die Schlingen 30 sind an die Ränder des ebenen Elements 26 genäht oder geklebt, um eine Reihe von Befestigungspunkten vorzusehen. Es können auch Ösen, Haken oder sonstige Befestigungsmittel verwendet werden, solange sie in der Lage sind, jede zu erwartende Last geeignet zu verteilen, so dass ein Reißen der Ränder des ebenen Elements 26 vermieden ist. Das Halterungssystem 20 ermöglicht es, das ebene Element 26 fest, jedoch nicht starr, in einer ausgewählten Position in einem ausgewählten Reaktor zu halten, indem ein an dem Reaktor befestigter Draht bzw. ein Seil durch die Schlingen 30 geführt wird. In manchen Fällen kann der Draht oder das Seil eine gekrümmte Gestalt annehmen. In diesen Fällen sind die Längen der Schlingen 30 vorzugsweise unterschiedlich bemessen, um an die gekrümmte Gestalt angepasst zu sein, so dass die auf das ebene Element 26 ausgeübte Zugkraft gleichmäßig auf die Schlingen 30 übertragen wird. In einer Abwandlung kann eine verhältnismäßig große Zahl von gespannten Drähten oder Seilen mit Klemmanschlüsse, wie sie beispielsweise zur Befestigung von Planen verwendet werden, an einem Ende mit einem Reaktor und an dem anderen Ende mit dem ebenen Element 26 verbunden sein. In diesem Fall erfüllt der Rand des ebenen Elements den Zweck des spannbaren Elements und ist nach Bedarf verstärkt.

Eine Abwandlung der ersten Einrichtung 10' ist in 10 gezeigt. In dieser Abwandlung weist ein Halterungssystem 20' Schwimmer 32 auf, die geeignet bemessen sind, um die Oberseite der ersten Einrichtung 10' oberhalb einer Wasseroberfläche zu halten. Der Grund der ersten Einrichtung 10' wird mit spannbaren Elementen versenkt gehalten, die auf an Ösen 36 befestigten Drähten 34a basieren. Wenn für eine Wartung oder dergleichen der Wasserstand gesenkt oder das Wasser abgelassen wird, erfüllen an Ösen 36 befestigte zweite Drähte 34b die Funktion der Schwimmer 32, um die Oberseite der ersten Einrichtung 10' zu halten. Die Einlassleitung 16' ist ein kurzer Abschnitt am oberen Ende der ersten Einrichtung 10', in dem der Abstandhalter 14' der Atmosphäre ausgesetzt ist. Die Auslassleitung 18' erstreckt sich entlang einer Seite nach unten und quer über den Grund der ersten Einrichtung 10', ist jedoch lediglich längs des Grundes der ersten Einrichtung 10' porös. Die Auslassleitung 18' ist mit einer Saugpumpe verbunden, um Luft von oben nach unten durch die erste Einrichtung 10' hindurch anzusaugen. Geringe Mengen von Wasser, die in die erste Einrichtung 10' gelangen, werden periodisch abgezogen, indem die Saugwirkung an der Auslassleitung 18' erhöht wird.

11 zeigt in Draufsicht eine weitere Abwandlung der ersten Einrichtung 10''. In dieser Abwandlung sind ein oder mehrere ebene Elemente 26'' der ersten Einrichtung 10'' zu einer Spirale gewunden. Die Schichten der Spirale sind durch eine oder mehrere lose Federn 38 oder sonstige offene Abstandhalter getrennt, die vorzugsweise längs der Achse der Spirale in gleichmäßigen Intervallen voneinander beabstandet sind. Gas strömt durch Leitungen 16'' und 18'' ein bzw. aus, jedoch kann die veranschaulichte Reihenfolge der gegenseitigen Anordnungen der Leitungen 16'' und 18'' umgekehrt sein. Die erste Einrichtung 10'' ist vorzugsweise in einem zylindrischen Gefäß 39 angebracht, das ein Behälter oder ein großes Rohr sein kann. Der durch das Gefäß 39 strömende Wasserstrom kann dazu veranlasst werden, der Spirale der ersten Einrichtung 10'' zu folgen, indem der Einlass oder der Auslass im Zentrum des Gefäßes angeordnet wird, und die jeweils übrige Öffnung, an dem Umfang des Gefäßes 39 angeordnet wird. In einer Abwandlung kann dafür gesorgt werden, dass der durch das Gefäß 39 strömende Wasserstrom, beispielsweise in Fällen, in denen das Gefäß 39 ein Rohr ist, parallel zu der Achse der Spirale strömt, indem an dem einen Ende des Rohrs ein Einlass und an dem anderen Ende des Rohrs ein Auslass vorgesehen wird, und indem die erste Einrichtung 10'' zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet wird. Abhängig davon, wie fest die erste Einrichtung 10'' in dem Rohr sitzt, werden möglicherweise keine spannbaren Elemente benötigt, um die erste Einrichtung 10'' an Ort und Stelle zu halten, allerdings sind spannbare Elemente oder ein sonstiges Halterungssystem gewöhnlich erforderlich, falls das Gefäß 39 ein großer Behälter ist.

3, 4 und 5 zeigen eine zweite Einrichtung 110, die dazu dient, einen eingetauchten Biofilm zu Tragen und mit Sauerstoff anzureichern. Die zweite Einrichtung 110 enthält eine Membrane 112, einen Abstandhalter 114, eine Einlassleitung 116, eine Auslassleitung 118 und ein nicht starres Halterungssystem 120.

Die Membrane 112 und der Abstandhalter 114 sind aus demselben Material, wie es im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Die Membrane 112 ist in ähnlicher Weise um den Abstandhalter 114 gefaltet und mit einer Naht 122 oder Klebstoff in sich befestigt. Zusätzliche Reihen von Nähten 122 werden verwendet, um die Einlassleitung 116, die Auslassleitung 118 und ein zweites Halterungssystem 120 in den gezeigten Positionen zu fixieren. Die Membrane 112 umschließt auf diese Weise einen Innenraum 124, in dem der Abstandhalter 114 aufgenommen ist, und der Abstandhalter 114 und die Membrane 112 bilden zusammen ein ebenes Element 126.

Die Einlassleitung 116 und die Auslassleitung 118 weisen erste Enden 116a und 118a auf, die mit dem Innenraum 124 strömungsmäßig verbunden sind. Die Einlassleitung 116 und die Auslassleitung 118 weisen außerdem jeweils zweite Enden 116b und 118b auf, die sich von dem ebenen Element 126 in Richtung nach außen erstrecken. An der Stelle, wo die Leitungen 116, 118 aus dem zweiten ebenen Element 126 austreten, wird wasserfester Klebstoff aufgetragen, um ein Eindringen von Wasser in den Innenraum 124 zu verhindern.

Die Einlassleitung 116 und die Auslassleitung 118 sind aus elastischen kompakten Schläuchen gefertigt. Das zweite Ende 116b der Einlassleitung 116 weist ein abnehmbares wasserdichtes Anschlusselement zu einem (nicht dargestellten) Verteilerrohr auf. Das zweite Ende 118b der Auslassleitung 118 kann in einigen Anwendungen druckentlastet in die Atmosphäre führen, kann jedoch auch in ein (nicht dargestelltes) Verteilerrohr einmünden. Kurz unterhalb des Anfangs des Abstandhalters 114 beginnend weist jedes Rohr eine Anzahl Durchlöcherungen 40 auf, um ein poröses Rohr zu erzeugen. Wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels sind die Einlassleitung 116 und die Auslassleitung 118 vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten des ebenen Elements 126 angeordnet, erstrecken sich im Wesentlichen entlang dessen entsprechenden gegenüberliegenden Seiten und sind längs eines beträchtlichen Abschnitts ihrer Länge innerhalb des zweiten ebenen Elements 126 porös. Optional kann das Gas dazu veranlasst werden, abwärts oder vorzugsweise aufwärts zu strömen, indem die Leitungen 116, 118 längs der horizontalen Seiten des zweiten ebenen Elements 126 anstelle längs der senkrechten Wände des ersten ebenen Elements 126 angeordnet werden. Ferner kann ein (nicht dargestelltes) Abflussrohr vorgesehen sein.

Das Halterungssystem 120 basiert auf einem spannbaren Element in Form eines Drahtes oder Seiles 42, das um einen wesentlichen Teil des Umfangs des ebenen Elements 126 genäht oder geklebt ist. Der Draht oder das Seil 42 ragt aus dem ebenen Element 126 an mehreren Stellen hervor, um Befestigungspunkte 44 vorzusehen. Vorzugsweise sind vier Befestigungspunkte 44 vorgesehen, und zwar einer an jeder Ecke des ebenen Elements 126. Das Halterungssystem 120 ermöglicht es, das ebene Element 126 fest, jedoch nicht starr in einer ausgewählten Position in einem ausgewählten Reaktor zurückzuhalten, indem die Befestigungspunkte 44 über Seile oder Draht mit einem Reaktor verbunden sind. Diese Befestigung kann begünstigen, dass der Draht oder das Seil 42 eine gekrümmte Form annimmt. In diesen Fällen sind die maßgebenden Ränder des ebenen Elements 126 ähnlich gekrümmt gestaltet.

6 und 7 zeigen eine dritte Einrichtung 210. Die dritte Einrichtung 210 enthält eine Membrane 212, einen Abstandhalter 214, eine Einlassleitung 216, eine Auslassleitung 218 und ein nicht starres Halterungssystem 220.

Die Membrane 212 basiert, wie für die vorangehenden Ausführungsbeispiele beschrieben, auf einem Folienmaterial. Der Aufbau der dritten Einrichtung unterscheidet sich jedoch insofern, als die Membrane 212 getrennt durch einen elastischen jedoch undurchlässigen Separator 50, vorzugsweise eine Kunststofffolie, um zwei Schichten des Abstandhalters 214 gefaltet ist. Die Ränder der Membran sind durch wasserfesten Klebstoff oder eine mit Siliconkautschukspray oder -klebstoff wasserfest gemachte Naht 222 miteinander verbunden. Die Membrane 212 umschließt auf diese Weise einen Innenraum 224, der den Abstandhalter 214 enthält, und der Abstandhalter 214 und die Membrane 212 bilden zusammen ein ebenes Element 226.

Die Einlassleitung 216 und die Auslassleitung 218 weisen erste Enden 216a, 218a auf, die mit dem Innenraum 224 strömungsmäßig verbunden sind. Die Einlassleitung 216 und die Auslassleitung 218 weisen ferner zweite Enden 216b, 218b auf, die sich von dem ebenen Element 226 in Richtung nach außen erstrecken. In der dritten Einrichtung 210 umfassen die Leitungen 216, 218 einen Teil des ebenen Elements 226 und ein Verteilerrohr 52. Das ebene Element 226 ist in das Verteilerrohr 52 mittels gasundurchlässigen Klebstoffs 54 eingebettet, um eine luftundurchlässige Dichtung mit der Membrane 212 herzustellen, wobei der Abstandhalter 214 jedoch strömungsmäßig mit einer Einlasskammer 56 und einer Auslasskammer 58 des Verteilerrohrs 52 verbunden bleibt. Die Einlasskammer 56 und die Auslasskammer 58 sind durch die undurchlässige Schicht 50 getrennt. Das Verteilerrohr 52 stellt eine obere Befestigung bereit, um die Oberseite des ebenen Elements 226 in einem ausgewählten Reaktor in einer ausgewählten Position starr zu befestigen.

Gas tritt in die dritte Einrichtung 210 durch ein Rohr 62 ein, das mit einem Ende strömungsmäßig mit einer Gasquelle verbunden ist, und dessen zweites Ende strömungsmäßig mit der Einlasskammer 56 des Verteilerrohrs 52 verbunden ist. Von der Einlasskammer 56 ausgehend tritt das Gas durch den exponierten Rand des Abstandhalters 214 in das ebene Element 226 ein. Das Gas strömt zunächst abwärts und anschließend durch den Abstandhalter 214 hindurch aufwärts. Das Gas verlässt das ebene Element 226 durch den anderen exponierten Rand des Abstandhalters 214 in die Auslasskammer 58 des Verteilerrohrs 52, von wo aus es durch einige Ausstoßkanäle 64, oder in einer Abwandlung durch ein Rohr, zu einem (nicht dargestellten) Auslassverteilerrohr abströmt. Ferner kann ein (nicht dargestelltes) Abflussrohr mit einem ersten Ende, das strömungsmäßig mit dem Grund des ebenen Elements 226 verbunden ist, und mit einem zweiten Ende, das aus dem ebenen Element 226 her ausragt, vorgesehen sein.

Da das Verteilerrohr 52 oberhalb des Wassers angebracht werden soll, befindet sich ein Abschnitt der Membran 212 entweder außerhalb des Wassers oder in einer Wassertiefe, die nicht ausreicht, um die Membrane 212 gegen den Abstandhalter 214 gedrückt zu halten. In diesem Abschnitt, der vorzugsweise weniger als die Hälfte der Fläche des ebenen Elements 226 beträgt, befestigen weitgehend parallel zu der Hauptrichtung des Gasstroms verlaufende Klebstofflinien 66 in ausgewählten Intervallen die Membrane 212 an dem Abstandhalter, um ein Ausbeulen der Membran 212 zu verhindern. Ähnliche Klebstofflinien können in geeigneten Richtungen im Bedarfsfall in der ersten Einrichtung 10 und in der zweiten Einrichtung 110 verwendet werden. In jenen Fällen ist es jedoch bevorzugt, dass die erste Einrichtung 10 und die zweite Einrichtung 110 mit Blick auf den verwendeten Gasdruck ausreichend tief eingetaucht sind, um dem Wasserdruck zu erlauben, die Membrane 212 gegen den Abstandhalter 214 zu halten.

Der Abschnitt der Membran 212, der sich außerhalb des Wassers befindet, kann zulassen, dass etwas Gas in die Atmosphäre diffundiert. In Fällen, wo das innerhalb der Membrane 212 strömende Gas Luft ist, lässt sich insbesondere bei einem Luftdruck von weniger als 10 kPa die außerhalb des Wassers befindliche Länge der Membrane 212 mit Blick auf die Stelle steuern, an der die Diffusion in die Atmosphäre angemessen ist. In Fällen, wo ein reines Gas, beispielsweise Sauerstoff, innerhalb der Membrane 212 strömt, kann die Diffusion in die Atmosphäre allerdings beträchtlich sein, und der der Atmosphäre ausgesetzte Abschnitt der Membran 212 vorzugsweise mit einer gasundurchlässigen Beschichtung abgedichtet sein.

Das Halterungssystem 220 enthält das Verteilerrohr 52, das in einem Reaktor starr angebracht sein kann, und ein am Grund des ebenen Elements 226 befestigtes Gewichtelement 68. Um dies zu verwirklichen, erstreckt sich die Membrane 212 über das untere Ende des Abstandhalters 214 hinaus, und das Gewichtelement 68 ist in zwei Hälften an der Membrane 212 mittels Nieten 70 oder sonstiger Befestigungsmittel angebracht. Das Gewichtelement ist ausreichend bemessen, um das ebene Element 226 von dem Verteilerrohr 52 vertikal herabhängend zu halten. In einer Abwandlung können am unteren Ende des dritten ebenen Elements 226 Schlingen vorgesehen sein, um eine Anbindung an den Grund des Reaktors mit Seilen oder Drähten zu ermöglichen.

8 zeigt einen Reaktor 80 mit einem Behälter 82, einem Einspeisungseinlass 84 zu dem Behälter 82, einem Reinwasserauslass 86 aus dem Behälter 82, einem Strömungspfad 88 zwischen dem Einspeisungseinlass 84 und dem Reinwasserauslass 86 und mehreren der dritten Einrichtungen 210. Die dritte Einrichtung 210 ist lediglich als ein Beispiel gezeigt, und mit geeigneten Änderungen kann auch die zweite Einrichtung 110 oder die erste Einrichtung 10 im Zusammenhang mit dem Reaktor 80 verwendet werden.

Die ebenen Elemente 226 sind geeignet bemessen, um zu dem Behälter 82 zu passen und um einen erheblichen Teil seines Volumens ausfüllen. Die ebenen Elemente 226 weisen keinen vorgefertigten oder starren Rahmen auf und werden daher vorzugsweise maßgeschneidert angepasst, um eine effiziente Nutzung des in dem Behälter 82 verfügbaren Raums zu erreichen. Beispielsweise können die ebene Elementen 226 Maße im Bereich von 0,5 m bis 2 m Breite und 2 bis 10 m Tiefe aufweisen. Die ebenen Elemente 226 sind vorzugsweise in dem Behälter 82 in mehreren Reihen angeordnet, wobei eine einzelne derartige Reihe in 8 gezeigt ist. Die ebenen Elemente 226 können mit einer Dicke im Bereich von 0,5 bis 2 mm bemessen sein, und benachbarte Reihen sind in dem Behälter 82 in einem Abstand von 5 bis 15 mm nebeneinander angeordnet, um eine Biofilmzüchtung und einen Abwasserstrom zwischen benachbarten ebenen Elementen 226 zu erlauben.

Der Behälter 82 ist länger als tief, und es ist bevorzugt, einen im Allgemeinen horizontalen Strömungspfad 88 mit minimalem Mischen zu fördern. Dies wird erreicht, indem in Nähe der Enden (d.h. nahe dem Einlass 84 und dem Auslass 86) des Behälters 82 etwas Raum übrig gelassen wird, um dem Wasser eine vertikale Bewegung zu ermöglichen, und indem an dem oberen Ende, am Grund und an den Seiten des Behälters 82 ein minimaler Freiraum belassen wird. Ferner kann stromaufwärts des Reinwasserauslasses 86 eine Ablenkplatte 90 angeordnet sein, um zu veranlassen, dass der Strömungspfad 88 darunter verläuft. Ein Schlammauslass 92 ist vorgesehen, um überschüssigen Schlamm abzuführen.

Der Strömungspfad 88 ist zwischen dem Einspeisungseinlass 84 und dem Reinwasserauslass 86 im Allgemeinen über einen beträchtlichen Abschnitt des Behälters 82 hinweg geradlinig. Jede der dritten Einrichtungen 210 wird durch ihre Verteilerrohre 52, die an einem Rahmen 90 befestigt sind, und durch ihr Gewichtelement 68 in dem Tank 82 gehalten. Die Verteilerrohre 52, der Rahmen 90 und die Gewichtelemente 68 halten jede der dritten Einrichtungen 210 in dem Reaktor 80 an Ort und Stelle, wobei das ebene Element 226 jeder der dritten Einrichtungen 210 im Wesentlichen parallel zu dem Strömungspfad 88 verläuft. Vorzugsweise sind mehrere ebene Elemente 226 in Reihe längs des Strömungspfads 88 beabstandet angeordnet, so dass der Reaktor 80 dazu neigt eine Pfropfenströmungscharakteristik aufzuweisen. Aufzubereitendes Abwasser kann teilweise aus dem Reinwasserauslass 86 in den Einspeisungseinlass 84 zurückgeführt werden. Eine solche Rückführung kann die Gasübertragungsrate steigern, indem die Geschwindigkeit des Abwassers längs des Strömungspfads 88 erhöht wird, jedoch ist es bevorzugt, das Rückführungsverhältnis gering zu halten, um keine Tendenz zu einer Mischströmungscharakteristik in dem Reaktor 80 hervorzurufen.

Sauerstoffhaltiges Gas wird jeder der dritten Einrichtungen 210 über deren Einlassleitung 216 zugeführt, die mit einem oberhalb des aufzubereitenden Wassers angeordneten Einlasskrümmer 94 verbunden ist. Dadurch dass der Einlasskrümmer 94 oberhalb des Wassers angeordnet ist, wird eine in einer beliebigen der dritten Einrichtungen 210 auftretende Undichtigkeit kein Wasser in den Verteiler oder in eine der übrigen dritten Einrichtungen 210 eindringen lassen. Gas verlässt jede der dritten Einrichtungen 210 durch deren mit einem Auslasskrümmer 95 verbundene Auslassleitung 218. Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, die Gase aufzufangen, die jede der dritten Einrichtungen 210 verlassen, bietet dies dennoch einige Vorteile. Beispielsweise ist das Gas in dem Auslasskrümmer 95 möglicherweise erheblich mit flüchtigen organischen Verbindungen angereichert, die im Inneren eines Gebäudes, in dem der Reaktor 80 untergebracht ist, Geruchsbelästigungen oder Gesundheitsrisiken hervorrufen können. Diese Gase werden vorzugsweise weiter behandelt oder zumindest aus dem Gebäudes ins Freie entlassen.

Vorzugsweise wird das Gas unter einem geeigneten Druck bereitgestellt, so dass sich in dem aufzubereitenden Wasser keine Blasen bilden, und, eher bevorzugt, beträgt dieser Druck weniger als 10 kPa. Dieser Druck wird von dem Druck des aufzubereitenden Wassers ab der Tiefe von einem Meter überschritten. Vorzugsweise befindet sich wenigstens die Hälfte der Fläche der dritten ebenen Elemente 226 unterhalb dieser Tiefe. Der Wasserdruck verhindert auf diese Weise zumindest für die Hälfte der Oberfläche der Membranen 12 ein Ausbuchten.

Sauerstoff diffundiert durch die Membranen 12. Die auf diese Weise diffundierte Menge an Sauerstoff reicht vorzugsweise aus, benachbart der ebenen Elemente 226 einen aeroben Biofilm zu züchten, benachbart des aeroben Biofilms einen anoxischen Biofilm zu züchten und das aufzubereitende Abwasser in einem anaeroben Zustand zu halten. Ein derartiger Biofilm ermöglicht eine gleichzeitige Nitrifizierung und Denitrifizierung. Eine Schütteleinrichtung 96 wird von Zeit zu Zeit aktiviert, um zu veranlassen, dass die ebenen Elemente 226 akkumulierten Biofilm freigeben. Eine geeignete Schütteleinrichtung basiert auf einer Serie von Grobblasendurchlüftern 98, die dem aufzubereitenden Wasser ausreichend wenig Sauerstoff zuführen, um zu verhindern dass dieses anaerob wird.

9 zeigt einen zweiten Reaktor 180 mit einem Behälter 182, einem Einspeisungseinlass 184, einem Reinwasserauslass 186, einem Strömungspfad 188 und mehreren der ersten Einrichtungen 10. Die erste Einrichtung 10 ist lediglich als Beispiel gezeigt, und die zweite Einrichtung 110 oder dritte Einrichtung 210 können mit geeigneten Änderungen ebenfalls im Zusammenhang mit dem zweiten Reaktor 180 verwendet werden.

Jede der ersten Einrichtungen 10 wird durch ihre um Drähte 100 gewickelte Schlingen 30 oder durch an dem Behälter 182 befestigte Seile gehalten. Die Schlingen 30 und Drähte 100 halten jede der ersten Einrichtungen 10 in dem zweiten Reaktor 180 in einer Position, wobei das ebene Element 26 jeder ersten Einrichtung 10 im Wesentlichen parallel zu dem Strömungspfad 188 angeordnet ist.

Die ersten ebenen Elemente 26 sind geeignet bemessen, um zu dem Behälter 182 zu passen und um einen erheblichen Teil seines Volumens ausfüllen. Wie die dritten ebenen Elemente 226 weisen die ersten ebenen Elemente 26 keinen vorgefertigten oder starren Rahmen auf und werden vorzugsweise maßgeschneidert angepasst, um eine effiziente Nutzung des in dem Behälter 182 verfügbaren Raums zu erreichen. Die ersten ebenen Elemente 26 können mit einer Dicke im Bereich von 0,25 bis 1 mm bemessen sein und sind in einem Abstand von 5 bis 15 mm nebeneinander angeordnet, um eine Biofilmzüchtung und einen Abwasserstrom zwischen benachbarten ersten ebenen Elementen 26 zu erlauben.

Der Behälter 182 ist tiefer als lang, und es ist bevorzugt, einen geraden und im Wesentlichen vertikalen Strömungspfad 188 über einen beträchtlichen Abschnitt des Behälters 182 hinweg mit minimalem Mischen zu begünstigen. Dies wird erreicht, indem in Nähe der Enden und Seiten des Behälters 82 ein minimaler Raum übrig gelassen wird, während in Nähe der Ober- und Unterseite des Behälters 82 ein beträchtlicher Raum belassen wird. Aufzubereitendes Wasser kann teilweise aus dem Reinwasserauslass 86 in den Einspeisungseinlass 84 zurückgeführt werden, jedoch ist es bevorzugt, die Rückführungsrate gering zu halten.

Sauerstoffhaltiges Gas wird jeder ersten Einrichtungen 10 durch ihre Einlassleitung 16 zugeführt, die mit einem oberhalb des aufzubereitenden Wassers angeordneten Krümmer 94 verbunden ist. Dadurch dass der Einlasskrümmer 94 oberhalb des Wassers angeordnet ist, wird eine in einer beliebigen der ersten Einrichtungen 10 auftretende Undichtigkeit nicht dazu führen, dass Wasser in den Verteiler oder in eine der übrigen ersten Einrichtungen 210 eindringen kann. Die Auslassleitungen 18 sind oberhalb der Oberfläche des aufzubereitenden Wassers an einer geeigneten Stelle, beispielsweise an dem Einlasskrümmers 94, befestigt. Vorzugsweise wird das Gas unter einem Druck von weniger als 10 kPa zugeführt, und die ebenen Elemente 26 sind mehr als 1 m tief in dem Behälter 182 angeordnet. Auf diese Weise wird der Gasdruck von dem Druck des aufzubereitenden Wassers übertroffen, was ein Ausbeulen der Membranen 12 verhindert. (Nicht gezeigte) Klebstofflinien, die vorzugsweise nicht mehr als die Hälfte der Fläche der ebenen Elemente 26 betreffen, können verwendet werden, um einen Teil der ebenen Elemente 26 zu verstärken, falls diese nicht ausreichend tief angebracht werden können.

In einer Abwandlung wird ein durch das erste Element 10 strömender Gasstrom erzeugt, indem an die Auslassleitungen 18 ein Saugdruck angelegt wird, der vorzugsweise nicht mehr als 10 kPa unterhalb des atmosphärischen Drucks liegt. Die Einlassleitungen 16 sind strömungsmäßig mit der Atmosphäre verbunden. Durch dieses Verfahren wird die Gasdiffusionsrate über die Membrane 12 geringfügig reduziert, jedoch ist unabhängig von der Tiefe des ersten Elements 10 keine Verstärkung der Membran 12 (beispielsweise durch Klebstofflinien) erforderlich.

Sauerstoff diffundiert durch die Membranen 12 vorzugsweise so, dass benachbart der ebenen Elemente 26 ein aerober Biofilm gezüchtet wird, benachbart des aeroben Biofilms ein anoxischer Biofilm gezüchtet wird, und das aufzubereitende Abwasser in einem anaeroben Zustand gehalten wird. Eine zweite Schütteleinrichtung 196 wird von Zeit zu Zeit aktiviert, um zu veranlassen, dass die ersten ebenen Elemente 26 akkumulierten Biofilm freigeben. Eine geeignete Schütteleinrichtung basiert auf einer Serie von mechanischen Mischern 102.

Die oben beschriebene Einrichtung kann auch in abgewandelten Verfahren oder Anordnungen verwendet werden. Beispielsweise kann Gasübertragung in eine Flüssigkeit in einer Konfiguration mit totem Ende, d.h. ohne eine Auslassleitung verwirklicht werden. In diesem Fall ist es allerdings bevorzugt, eine kleine Ablassentlüftung vorzusehen, um Kondensation in dem freiliegenden Raum zu reduzieren und von der Flüssigkeit ausgetragene Gase in den freiliegenden Raum der Einrichtung zu entlüften. Um Gase aus einer Flüssigkeit zu entfernen, kann auch eine Konfiguration mit totem Ende verwendet werden, bei der keine Einlassleitung vorgesehen ist. Die Verwendung der Einrichtung in einigen anderen Anwendungen wird im folgenden beschrieben.

Bei der Wasserentgasung fließt Wasser, das aufgelöste Gase wie Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid enthält, in einen Behälter. Ebene Elemente, wie sie oben beschrieben sind, werden in den Behälter getaucht. Ein Reinigungsgas strömt durch das ebene Element, oder es wird ein Vakuum auf das ebene Element angewandt (die Einlassleitung ist weggelas sen). In der Flüssigkeit vorhandene Gase durchqueren die Membrane zu dem Innenraum des ebenen Elements, aus dem sie über die Auslassleitung entfernt werden. Von den gelösten Gasen abgereichertes Wasser verlässt den Behälter. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise nützlich im Zusammenhang mit der Erzeugung von hochreinem Wasser. Vaporisation wird mit einem ähnlichen Reaktor erreicht, allerdings enthält das zugeführte Wasser flüchtige organische Verbindungen, die zu dem Innenraum der ebenen Elemente diffundieren.

Bei einer Befeuchtung werden ebene Elemente in ein Wasserbad eingetaucht. In die ebenen Elemente tritt trockene Luft ein. Wasserdampf durchquert die Membrane zu dem Innenraum des ebenen Elements, und feuchte Luft verlässt die ebenen Elemente.

Bei der Luftreinigung werden ebene Elemente in ein Wasserbad eingetaucht, das mit Nährmittel angereichert ist, und es wird auf den ebenen Elementen ein Biofilm gezüchtet. Luft, die flüchtige organische Verbindungen enthält, strömt in die ebenen Elemente, und die flüchtigen organischen Verbindungen diffundieren durch die Membranen der ebenen Elemente zu dem Biofilm. Aus den ebenen Elementen tritt Luft aus, die arm an flüchtigen organischen Verbindungen ist.

12 zeigt einen Reaktor 410 gemäß der Erfindung zur Aufbereitung von Abwasser mit einem zweiten Behälter 412, der in erste und zweite biologische Reaktionsabschnitte unterteilt ist, die als ein membrangestützter Biofilm-(MSB = Membrane Supported Biofilm)-Abschnitt 414 bzw. ein belüfteter Abschnitt 416 bezeichnet werden. Die beiden Abschnitte 414, 416 können in Form eines einzelnen zweiten Behälters 412 oder als mehrere Behälter vorgesehen sein.

Der MSB-Abschnitt 414 weist ein oder mehrere Gasübertragungsmembranmodule 418 auf, die mit einer Sauerstoffzufuhr 420 verbunden sind. Die Sauerstoffzufuhr 420 basiert gewöhnlich auf einer Pumpe, die Luft aus der Atmosphäre oder aus einer Sauerstoffquelle oder einer Quelle für mit Sauerstoff angereicherte Luft ansaugt. Die Sauerstoffzufuhr 420 führt den Membranmodulen 418 ein sauerstoffhaltiges Gas unter einem Druck zu, der bewirkt, dass Sauerstoff durch die Membranmodule 418 strömen. Der Sauerstoff strömt durch die Membranmodule 418 aufgrund von Diffusion, ohne Blasen zu erzeugen. Geeignete Konstruktionen für derartige Membranmodule 418 sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispiele sind in der US-Patentschrift 5 116 506 und in der vorstehenden Beschreibung der Einrichtung 10, der zweiten Einrichtung 110 und der dritten Einrichtung 210 beschrieben. Die Membranmodule 418 belegen zwischen 2 und 20 % des Volumens des MSB-Abschnitts 414. Der Rest des MSB-Abschnitts 414 ist in einem anaeroben Teil des MSB-Abschnitts 414, der mit der Außenseite der Membranmodule 418 strömungsmäßig verbunden ist, durch anaeroben gemischten Liquor 426 besetzt.

Aufzubereitendes gesiebtes Abwasser 422 strömt durch einen Einlass 424 in den MSB-Abschnitt 414, in dem es Teil des anaeroben gemischten Liquors 426 wird. Nährstoffe fördern in dem anaeroben gemischten Liquor 426 in Zusammenwirken mit durch die Membranmodule 418 strömendem Sauerstoff das Wachstum eines Biofilms auf der Oberfläche der Membranmodule 418. Die Sauerstoffzufuhr 420 wird geeignet gesteuert, so dass ausreichend Sauerstoff zugeführt wird, um vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Membranmodule 418 eine aerobe Zone in dem Biofilm aufrecht zu erhalten. Die Sauerstoffzufuhr reicht allerdings nicht aus, um einen vollkommen aeroben Biofilm zu erzeugen. Außerdem sind anoxische und mögliche anaerobe Zonen in dem Biofilm vorzugsweise in Schichten vorhanden – die anoxische Zone in einer Schicht benachbart zu der aeroben Schicht, und die anaerobe Zone, falls überhaupt vorhanden, benachbart zu der anoxischen Zone. Die Sauerstoffzufuhr reicht ebenfalls nicht aus, um den anaeroben gemischten Liquor 426, der wenigstens in einem Bereich um die Membranmodule 418 herum in einem anaeroben Zustand ist, mit Sauerstoff anzureichern. Der anaerobe gemischte Liquor 426 wird, um ein vollständiges Absetzen des anaeroben gemischten Liquors 426 zu verhindern, und um die Dicke des an den Membranmodulen 418 haftenden Biofilms zu kontrollieren, periodisch mittels des Betriebs eines mechanischen Mischers 460, mittels Pumpen durch lokale Rückführungsschleifen oder mittels Grobblasendurchlüftung (jeweils dazu eingerichtet, keine übermäßigen Mengen von Sauerstoff in den anaeroben gemischten Liquor 426 zu übertragen) in Bewegung gehalten.

Anaerober gemischter Liquor 426 strömt durch einen in einer Trennwand 427 ausgebildeten Durchlasskanal zu dem belüfteten Abschnitt 416, der in erster Linie eine aerober Abschnitt ist. Blasen 428 aus sauerstoffhaltigen Gas werden in den belüfteten Abschnitt 416 durch Diffusoren 430 eingeführt, die durch eine zweite Sauerstoffzufuhr 432, gewöhnlich ein Gebläse, betrieben werden. Die Blasen 428 sind vorzugsweise fein und übertragen Sauerstoff in den anaeroben gemischten Liquor 426, wobei sie diesen in einen im Wesentlichen aeroben gemischten Liquor 434 umwandeln. In einer Abwandlung können in dem zweiten Abschnitt andere geeignete Belüftungsvorrichtungen oder Sauerstoffquellen verwendet werden, die geeignet sind, um aerobe Bedingungen zu schaffen.

Ein Teil des aeroben gemischten Liquors 434 wird durch eine in einem zweiten Durchlasskanal oder in einer Rückführschleife 438 angeordnete Pumpe 436 in den MSB-Abschnitt 414 zurückgegeben. Anoxische Bedingungen werden in dem MSB-Abschnitt 414 in einem örtlich begrenzten Bereich erzeugt, wo der rückgeführte aerobe gemischte Liquor 434 sich zunächst mit dem anaeroben gemischten Liquor 426 mischt. Ein weiterer Teil des aeroben gemischten Liquors 434 strömt zu einem Klarifikator 440 (oder zu einer sonstigen Flüssigkeit-Feststoff-Trennvorrichtung, beispielsweise zu einem Membranfilter) und wird in aufbereitetes Reinwasser 442 und abgesetzten Belebtschlamm 444 aufgeteilt. Ein Teil des Schlamms 444 wird durch eine in einer zweiten Rückführschleife 448 angeordnete zweite Pumpe 446 in den MSB-Abschnitt 414 rückgeführt. Ein weiterer Teil des Schlamms 444 wird ausgeschieden oder als Überschussbelebtschlamm 445 weiter behandelt. Der Klarifikator 440 und die zweite Schlammrückführschleife 448 können kleiner dimensioniert sein als ein Klarifikator in herkömmlichen Belebtschlammsystemen, um den als ein Film an den Membranmodulen 418 haftenden Teil der Gesamtbiomasse zu berücksichtigen. Desgleichen kann die Rückführschleife 438 kleiner dimensioniert sein als die aerob-anoxische Rückführung in einem herkömmlichen Belebtschlammprozess für biologische Nährmittelentfernung, da ein erheblicher Teil der Nitrifizierung und Denitrifizierung in dem an den Membranmodulen 418 haftenden Biofilm stattfindet.

Der MSB-Abschnitt 414 ist ein komplexer Reaktor mit mehreren Reaktionszonen. Eine (gewöhnlich durch die Anwesenheit von aufgelöstem Sauerstoff signalisiert) aerobe Reaktionszone ist in der Biofilmschicht auf den Membranmodulen vorhanden. Anoxische Zonen oder Abschnitte (die gewöhnlich dadurch angezeigt sind, dass NO₃ anwesend, jedoch aufgelöster Sauerstoff abwesend ist) existieren in der Biofilmschicht und in dem anaeroben gemischten Liquor 426 dort, wo der rückgeführte aerobe gemischte Liquor 434 in den MSB-Abschnitt 414 eintritt. Eine (gewöhnlich durch die Abwesenheit von NO₃ und aufgelösten Sauerstoff signalisierte) anaerobe Zone liegt im Allgemeinen in dem anaeroben gemischten Liquor 426 vor. Diese Zusammenstellung an Reaktionszonen ermöglicht in dem MSB-Abschnitt 414 das Auftreten der folgenden Prozesse:

• – Eine grobe Entfernung von BOD oder COD erfolgt in dem Biofilm.
• – Eine grobe Entfernung von Stickstoff tritt in dem Biofilm mittels abwechselnder Nitrifizierung und Denitrifizierung in dem aeroben und anoxischen Abschnitt des Biofilms auf.
• – Eine verfeinerte Denitrifizierung erfolgt in dem anaeroben gemischten Liquor 426.
• – Flüchtige Fettsäuren (VFA) werden durch Fermentation in dem anaeroben gemischten Liquor 426 erzeugt.
• – Eine Freigabe von Phosphor und Assimilation von VFA durch Bio-Organismen erfolgt in dem anaeroben gemischten Liquor 426.
• – Eine anaerobische Reduktion von Schlamm erfolgt in dem anaeroben gemischten Liquor 426.
• – Partielle Sedimentation des anaeroben gemischten Liquors 426 erzeugt nahe der Oberfläche des aeroben gemischten Liquors 426 eine phosphorreiche Lösung.

Der blasendurchlüftete Abschnitt 416 ist ein einfacher Reaktor, der jedoch dennoch mehrere Funktionen erfüllt, zu denen eine verfeinerte Entfernung von COD und BOD, eine verfeinerte Nitrifizierung und biologische Phosphoraufnahme gehören. Diese Prozesse ergänzen jene, die in dem MSB-Abschnitt 414 auftreten. Beispielsweise fördert ein periodische Überführen von gemischtem Liquor zwischen einem anaeroben und einem aeroben Zustand die Schlammreduktion durch Aufschließen. Der aufgenommene Phosphor wird mit dem Überschussbelebtschlamm 445 entsorgt. Das den Klarifikator 440 verlassende Reinwasser 442 weist auf diese Weise reduzierte Spiegel für sämtliche Stoffe aus der aus COD, BOD, Stickstoff und Phosphor bestehenden Gruppe auf.

13 zeigt einen weiteren Reaktor 510 gemäß der Erfindung, der dem Reaktor 410 in Konstruktion und Funktion ähnelt. In dem dritten Reaktor 510 ist allerdings ein chemischer Ausfällungszweig 450 vorgesehen, der ein Fluid aus dem anaeroben gemischten Liquor 426 aufnimmt, und zwar vorzugsweise von der Oberseite des MSB-Abschnitts 414. Der Einlass zu dem chemischen Ausfällungszweig 450 ist von dem Einlass 424 und dem Auslass aus der Rückführschleife 438 entfernt an geordnet, so dass der chemische Ausfällungszweig 450 Flüssigkeit aus einem tatsächlich anaeroben Teil des anaeroben gemischten Liquors 426 empfängt. Weiter wird der anaerobe gemischte Liquor 426 mit Ausnahme einer periodischen Beseitigung des Biofilms von den Membranmodulen 418 nicht gerührt, mit der Folge, dass sich der anaerobe gemischte Liquor 426 zum Teil absetzt. Die Flüssigkeit in Nähe der Oberseite des MSB-Abschnitts 414 wird daher in der suspendierten Biomasse reduziert sowie reich an aufgelöstem Phosphor, der durch suspendierte Organismen freigegeben wird, die sich aus einer aeroben Umgebung (in dem belüfteten Abschnitt 416) in eine anaerobe Umgebung bewegen. In einer Abwandlung kann durch einen Klarifikator, eine Membrane oder eine sonstige Feststoff-Flüssigkeit-Trennvorrichtung eine feststoffarme Flüssigkeit aus dem MSB-Abschnitt 414 extrahiert werden, was zwar eine zusätzliche Ausrüstung erfordert, jedoch in dem MSB-Abschnitt 414 kein Absetzen voraussetzt, so dass der Mischer 460 fortlaufend betrieben werden kann. Von derartigen Flüssigkeit-Trennvorrichtungen stammende feststoffreiche Flüssigkeit wird an den dritten Reaktor 510 vorzugsweise im den belüfteten Abschnitt 416 rückgeführt.

Die nahe der Oberseite des MSB-Abschnitts 414 befindliche Flüssigkeit fließt gewöhnlich aufgrund der Schwerkraft in eine Ausfällungsleitung 454, obwohl auch eine Pumpe verwendet werden kann. In die Ausfällungsleitung 454 werden Metallsalze 456 hinzu gegeben, um einen amorphen Schlamm oder ein kristallines Material zu erzeugen, das in einem Klarifikator 458 oder einem sonstigen Präzipitattrennungsverfahren, beispielsweise mittels eines Hydrozyklons, entfernt wird. Aufgrund der reduzierten Menge von suspendierter Biomasse in der Flüssigkeit, die dem MSB-Abschnitt 414 entzogen wird, und der höheren Konzentration von Phosphor gegenüber herkömmlichen Belebtschlammsystemen mit chemischer Phosphorentfernung, lässt sich Phosphor mit Dosen ausfällen, die eher an stöchiometrische Dosen der Metallsalze heranreichen. Das sich ergebende Reinwasser kann entweder abgeführt oder zu dem dritten Reaktor 510, vorzugsweise in den belüfteten Abschnitt 416 rückgeführt werden, und der sich ergebende Schlamm oder das kristalline Material kann entsorgt oder weiter verarbeitet werden.

Das Entfernen von Phosphor in dem chemischen Ausfällungszweig 450 reduziert die Konzentration von Phosphor in dem Überschussbelebtschlamm 445. Hierdurch wird die Gefahr reduziert, dass Phosphor durch Schlammverarbeitung freigegeben und zu dem dritten Reaktor 510 rückgeführt wird. Nachdem ein geringeres Volumen an chemischen Schlamm abgesondert wird, lässt sich dessen Phosphorgehalt leichter bewältigen.

Ähnliche Ausführungsbeispiele wie die oben beschriebenen können in vielen abgewandelten Konfigurationen verwirklicht und gemäß vielen abgewandelten Verfahren innerhalb der Lehre der Erfindung durchgeführt werden, deren Schutzumfang in den folgenden Ansprüchen definiert ist.