| 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
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| 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
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| 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.
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| Beschreibung[de] |
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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.
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| Anspruch[de] |
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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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