Die Erfindung bezieht sich auf einen Biofilm-Träger für die Wasser- oder Abwasserreinigung.

Bei der biologischen Reinigung von Wasser oder Abwasser wird das Wasser durch eine gewisse Art von Reaktor geschickt, in welchem Mikroorganismen dazu verwendet werden, um Verunreinigungen, welche in dem Wasser vorhanden sind, in harmlose Endprodukte umzuwandeln, zum Beispiel in Kohlendioxid und Wasser. Die Reinigung kann unter anderem unter Zufuhr von Luft (aerobisch) oder ohne Zufuhr von Luft (anaerobisch) ausgeführt werden. Um die Effizienz der Reinigung zu erhöhen, wird ein hoher Gehalt an aktiven Mikroorganismen in dem Prozeß in üblicher Weise so angestrebt, daß es den genannten Organismen nicht erlaubt wird, mit dem gereinigten Wasser zu entweichen, und zwar entweder dadurch, daß es den Mikroorganismen erlaubt wird, in Suspension in dem Reaktor zu wachsen, und daß diese Mikroorganismen von dem Wasser in einem Trennschritt nach dem Reaktor getrennt und zu dem Reaktor zurückgeführt werden (zum Beispiel der Aktiviertschlammprozeß), oder dadurch, daß ein gewisser Typ von Trägermaterial in den Prozeß eingeführt wird, wobei an den Oberflächen dieses Trägermaterials die Mikroorganismen als ein Biofilm wachsen können und somit in dem Prozeß (dem Biofilm-Prozeß) beibehalten werden können.

Der Biofilm-Prozeß weist eine Anzahl von Vorteilen auf, wenn mit dem Aktiviertschlammprozeß und anderen Prozessen mit suspendierter Lebendmasse verglichen. Unter anderem können höhere Lasten verwendet werden und die Prozesse sind gegenüber Variationen und Störungen wesentlich weniger empfindlich. Die meisten herkömmlichen Biofilm-Prozesse beruhen auf dem Reinigungsreaktor, welcher mit Trägermaterial in der Gestalt von Füllerkörpern oder -blöcken beschickt wird, welche fixiert werden, um in dem Prozeß stationär zu sein (vergleiche DE-A-23 25 349 und GB-A-1498360). Diese Prozeßausführungen weisen den Nachteil auf, daß es eine Gefahr für das Trägermaterial gibt, durch Lebendmasse oder anderes teilchenförmiges Material blockiert zu werden, und daß Totzonen in dem Prozeß aufgebaut werden können, wo der Kontakt zwischen dem Wasser und den aktiven Mikroorganismen sehr schlecht ist.

Bei einem anderen Typ des Biofilm-Prozesses wird ein Trägermaterial verwendet, welches in Suspension und in Bewegung in dem Prozeß gehalten wird. Das Trägermaterial mit hieran wachsenden Mikroorganismen wird in dem Prozeß dadurch gehalten, daß es herausgehendem Wasser erlaubt wird, durch ein Sieb oder Gitter mit einem Öffnungsdurchmesser oder einer Schlitzbreite hindurchzugehen, welcher oder welche so klein ist, daß das Trägermaterial nicht hindurchgehen kann. Der Vorteil dieses Typs von Prozeß besteht unter anderem darin, daß die Gefahr des Blockierens des Trägermaterials und der Aufbau von Totzonen wesentlich verringert sind. Unterschiedliche Typen von Trägermaterial sind für diesen Typ von Prozeß erhältlich: Schaumgummistücke (EP-A-0 142 123), Ringe aus nicht-gewebtem, Kunststoffmaterial (Haikangijutu Band 29(4): Seiten 64–69, 1987) und Stücke aus extrudierten Plastikschläuchen, deren Oberfläche durch mechanische Bearbeitung vergrößert ist (Haikangijutu Band 29(4): Seiten 64–69, 1987), Vermischen von Material, welches eine rauhe Oberfläche ergibt (Water Environment Research Band 64(7): Seiten 884–889), oder Einführung von innenseitigen Unterteilungen und außenseitigen Rippen (WO-A-91/11396). Diesen Materialien ist es gemeinsam, daß sie eine Dichte aufweisen, welche nahe zu der Dichte von Wasser ist, so daß sie leicht in Suspension gehalten werden. Obwohl Prozesse mit Trägerelementen von diesen Typen oftmals bei hohen Lasten betrieben werden können, so weisen jedoch sämtliche Ausführungen von Trägerelementen nach dem Stand der Technik Nachteile auf, welche das Leistungsvermögen des Prozesses wesentlich begrenzen, insbesondere bei aeroben Prozessen, in welchen die Zufuhr von Sauerstoff zu den arbeitenden Mikroorganismen von ausschlaggebender Bedeutung für die Reinigungseffizienz ist. Bei Schaumgummistücken und Ringen aus nicht-gewebtem Material sind die Poren oftmals durch wachsende Lebendmasse blockiert, so daß die aktive Oberfläche in Berührung mit Abwasser und Luft reduziert wird. Die Trägerelemente, welche durch Extrudieren eines Kunststoffschlauches erzeugt werden, sind klein, < 1 cm, damit die Oberfläche pro Volumen groß wird. Ebenfalls sind bei diesen Elementen die Passagen oftmals blockiert und auch in dem Falle, daß dies nicht stattfindet, ist festgestellt worden, daß die Zufuhr von Sauerstoff zu dem Biofilm, welcher in den meisten Fällen an den innenseitigen Oberflächen der Träger lokalisiert ist, für den Prozeß in erheblichem Maße begrenzend ist. Es ist ferner festgestellt worden, daß die kleine Größe dieser Trägerelemente schwierige praktische Probleme aufgrund der Tatsache verursacht, daß diese Trägerelemente durch Schaum eingefangen werden, welcher in den Prozessen erzeugt wird, und somit von dem Prozeß durch den Schaum oder den Wind weggetragen werden können. Darüberhinaus werden oftmals Schwierigkeiten beim Behandeln von suspendierte Teilchen, zum Beispiel Fasern, enthaltendem Abwasser dadurch auftreten, daß die kleinen Öffnungen der Siebe oder Gitter, welche die Trägerelemente zurückhalten, blockiert werden. Beispielsweise ist bei Fasern tragendem Abwasser in der Forstindustrie herausgefunden worden, daß diese kleinen Trägerelemente aus diesem Grunde direkt ungeeignet sind.

Soweit es noch nicht möglich gewesen ist, diese Schwierigkeiten dadurch zu überwinden, daß die Trägerelemente größer gemacht werden, weil es nicht möglich gewesen ist, soweit es die Ausführungsformen nach dem Stand der Technik betrifft, einen größeren Träger mit einer großen Oberfläche für den Biofilm vorzusehen, die gegenüber Verschleiß geschützt ist, ohne daß die Effizienz des Prozesses durch eine noch größere Sauerstoffbegrenzung des Biofilms als bei verfügbaren kleinen Trägern in erheblichem Maße reduziert wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorgenannten Schwierigkeiten zu überwinden, und die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Trägerelements für einen Mikroben-Film bei einem biologischen Wasser- oder Abwasser-Reinigungsprozeß, wobei die Trägerelemente sich in dem Wasser bewegend gehalten werden, wobei die Oberfläche des Trägerelements teilweise gegenüber Kollision mit den Oberflächen von anderen Trägerelementen geschützt ist und wobei das Trägerelement Durchflußpassagen aufweist und darüberhinaus so ausgestaltet ist, um eine gute Strömung von Wasser hierdurch zu erlauben, auch, nachdem sich ein Mikroben-Film auf den Oberflächen aufgebaut hat.

Zu diesem Zweck hat das Trägerelement die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erhalten, um so eine große Abmessung mit einer gegenüber Verschleiß geschützten, großen Oberfläche und mit einer sehr guten Strömung sowohl von Wasser als auch von Luft hierdurch zu kombinieren. Die Verwendung des Trägerelements entsprechend der Erfindung ergibt daher große Vorteile, wenn mit Trägermaterialien nach dem Stand der Technik verglichen, unter anderem durch eine beträchtlich größere Zufuhr von Sauerstoff und durch bedeutend reduzierte Gefahren des Verstopfens bzw. Blockierens von Sieben und Gittern zum Zurückhalten des Trägermaterials.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung derartiger Trägerelemente für die Behandlung von Abwasser aus der holzverarbeitenden Industrie, wobei das Abwasser wenigstens 100 mg/l suspendiertes Material enthält, wenn an einem GF/A-Filter gemessen.

Um die Erfindung in näheren Einzelheiten zu erläutern, werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unten beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen zeigen:

1 und 2 jeweils perspektivische Ansichten einer ersten Ausführungsform des Trägerelements, das entsprechend der Erfindung verwendet wird, wobei 1 das Trägerelement von einem Ende aus betrachtet und 2 das Trägerelement von dem anderen Ende aus betrachtet zeigen,

3 eine Endansicht des Trägerelements gemäß 1 und 2, wobei dieses Trägerelement von demselben Ende aus wie in 1 betrachtet wird,

4 eine Endansicht des Trägerelements nach 1 und 2, wobei dieses Trägerelement von demselben Ende aus wie in 1 betrachtet wird,

5 bzw. 6 eine der 1 bzw. der 2 entsprechende perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform,

7 bzw. 8 eine der 1 bzw. der 2 entsprechende perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform, und

9 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Reaktors, in welchem die Trägerelemente verwendet werden können.

Das Trägerelement in allen gezeigten Ausführungsformen kann allgemein als eine Anzahl von Wänden beschrieben werden, welche in einer solchen Art und Weise angeordnet und untereinander verbunden sind, daß ein großer Bereich der Gesamtoberfläche der Wände gegenüber Verschleiß durch die Oberflächen von anderen Körpern geschützt ist, daß es freie Passagen für den Durchfluß durch das Trägerelement gibt und daß der gesamte Querschnittsbereich der Passagen in der Grenzfläche gegenüber den Umgebungen des Trägerelements groß ist. Das Trägerelement nach 1 bis 4 weist somit zwölf gleichmäßig verteilte, radiale innenseitige Wände 11 und 12 auf, welche sich axial von einem Ende des Trägerelements zu dessen anderem Ende hin erstrecken. Die Wände weisen abwechselnd radial längere Wände 11 und radial kürzere Wände 12 auf. Die Wände sind untereinander mit Hilfe eines außenseitigen Rings 13 an einem Ende des Trägerelements und mit Hilfe eines innenseitigen Rings 14 an dem anderen Ende des Trägerelements verbunden, wobei radiale Fenster 15 durch die Wände begrenzt sind. Das Trägerelement weist somit eine Struktur auf, welche ähnlich zu einem Turbinenrad ist. In geeigneter Weise besteht das Trägerelement aus Kunststoff oder aus Verbundwerkstoff und kann somit durch Spritzgußverfahren hergestellt werden. Um den notwendigen Zug vorzusehen, verjüngt sich die Umhüllungsfläche leicht: konisch und die Wand weist eine Dicke auf, welche sich von einem Ende des Trägerelements zu dessen anderem Ende hin vermindert, wie in den Zeichnungen dargestellt. Es ist jedoch möglich, das Trägerelement aus einem anderen Material als aus Kunststoff oder aus Verbundwerkstoff herzustellen. Das Trägerelement bildet mehrere axiale Passagen 16 zwischen den Wänden und darüberhinaus ist es an dem Zentrum bei 17 vollständig offen, um einen ungehinderten Durchfluß axial gerade durch das Element von dessen einem Ende zu dem anderen Ende hin zu erlauben. Die lineare Länge des Elements und dessen Durchmesser sind beide vorzugsweise etwa 3,2 cm. Im allgemeinen sollen die Länge und der Durchmesser des Trägerelements (Weite und/oder Höhe) mehr als 1,5 cm sein und vorzugsweise in dem Bereich von 2,5 bis 10 cm liegen, insbesondere innerhalb des Intervalls von 3 bis 5 cm. Die Wände 11 und 12 bilden geschützte Oberflächen, das heißt Oberflächen, welche gegenüber Verschleiß durch Kollision mit anderen Trägerelementen geschützt sind, und es kann auf diesen Oberflächen in dem biologischen Wasserreinigungsprozeß ein Mikroben-Film wachsen. Die insgesamt geschützte Oberfläche soll größer sein als 200 m²/m³, insbesondere größer als 275 m²/m³. Wenn die Trägerelemente so ausgestaltet sind, daß sie eine sehr große Oberfläche aufweisen, > 500 m²/m³, so kann es jedoch schwierig sein, zu vermeiden, daß die Passagen durch das Trägerelement so eng sein werden, daß sie durch das Wachstum blockiert bzw. verstopft werden.

Bei aeroben Prozessen ist es üblich, Trägerelemente mit einer Dichte zu verwenden, welche nahe zu der Dichte von Wasser ist, jedoch entsprechend der Erfindung ist herausgefunden worden, daß es vorteilhaft ist, Trägerelemente mit einer höheren Dichte aufgrund der Tatsache zu verwenden, daß Trägerelemente mit einer Dichte nahe zu der Dichte von Wasser ohne Widerstand durch das strömende Wasser mitgeschleppt werden und durch sich aufwärts bewegende Luftblasen rasch entweichen werden; die Folge ist, daß Wasser leicht innerhalb der Elemente stationär sein wird und daß Luft selten durch die inneren Passagen des Trägerelements hindurchgehen wird. Trägerelemente mit einer höheren Dichte neigen im Gegensatz hierzu dazu, sich nach abwärts in das Wasser zu bewegen und sich einem Wasser- und Luftstrom nach aufwärts in dem Prozeß zu widersetzen, so daß Wasser und Luft durch die inneren Passagen des Trägerelements hindurchgetrieben werden, wobei der Biofilm mit Sauerstoff versorgt wird. Zu derselben Zeit werden die Luftblasen in kleinere Blasen aufgebrochen, was ferner den Übergang von Sauerstoff von Luft zu Wasser erhöht. Die Strömung durch die Trägerelemente wird bei erhöhter Dichte des Trägerelements erhöht, jedoch bei Dichten, welche zu hoch sind, > 1,40 kg/dm³, wird das Inbewegungversetzen (Agitation) des Materials in dem Prozeß erschwert, so daß die Gesamteffizienz des Prozesses verringert wird. Eine sehr gute Effizienz ist bei einer Dichte der Trägerelemente im Bereich von 1,20 bis 1,30 kg/dm³ erhalten worden, wobei bei dieser Dichte die Strömung durch die Trägerelemente hoch und das Mischen noch gut sind. Die hohe Dichte, kombiniert mit der Größe, beseitigt ferner die Gefahr, daß die Trägerelemente aus dem Prozeß durch das Schäumen entfernt werden, welches bei starker Belüftung leicht auftritt.

Die Kombination aus Größe, Oberfläche, offener Struktur und Dichte, wie oben beschrieben, ergibt ein Trägerelement mit beträchtlich verbesserten Eigenschaften bei einem aeroben Reinigungsprozeß als Trägerelemente, die bis jetzt erhältlich sind.

Es ist ferner festgestellt worden, daß das Trägerelement entsprechend der Erfindung gute Eigenschaften bei anaeroben oder anoxischen Reinigungsschritten aufweist, bei welchen die Trägerelemente beispielsweise durch mechanisches Rühren in Bewegung gehalten werden können. Bei diesen Systemen stellt es ferner einen Vorteil dar, eine Dichte nahe zu der Dichte von Wasser zu wählen, um eine hohe Energiezufuhr zu vermeiden, um die Träger in Bewegung zu halten.

Es ist herausgefunden worden, daß diese Trägerelemente sehr gute Ergebnisse bei der Reinigung von verschiedenen Arten von Abwasser ergeben. Insbesondere ist herausgefunden worden, daß das Trägerelement zu großen Vorteilen bei der Behandlung von Abwässern aus der holzverarbeitenden Industrie führt, wobei diese Abwässer Fasern und andere Teilchen enthalten. Durch die verhältnismäßig große Abmessung des Trägerelements können Gitter mit einer großen Schlitzbreite zum Zurückhalten der Trägerelemente verwendet werden, und es ist möglich gewesen, sämtliche Schwierigkeiten bezüglich des Blockierens durch Fasern usw. zu vermeiden. Viele holzverarbeitene Industrien, welche beabsichtigen, die biologische Reinigung einzuführen, verfügen bereits lediglich über mechanische Reinigung, welche durch Absetzbecken zum Trennen von Fasern usw. vorgesehen ist. Ein biologischer Prozeß mit suspendierten Trägerelementen entsprechend der Erfindung kann vor der vorhandenen Absetzung ausgeführt werden, weil die Fasern ungehindert durch den Prozeß gehen. Es können sodann sowohl Fasern als auch der Überschuß an Lebendmasse, die in dem Prozeß erzeugt wird, bei der vorhandenen Absetzung getrennt werden, so daß es nicht. notwendig ist, daß ein weiterer Trennschritt eingerichtet wird. In manchen Fällen kann eine grobe Trennung von großen Partikeln, zum Beispiel Spänen oder Rindenstückchen, vor dem biologischen Prozeß erforderlich sein, jedoch ist es in jenem Falle die Angelegenheit einer wesentlich einfacheren und billigeren Trennung als eine Absetzung.

Ein sehr wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein großer Teil der Grenzfläche gegenüber den Umgebungen des Trägerelements für die Passage von Wasser und Luft hinein und heraus offen ist. Der Querschnittsflächenbereich der Passagenöffnungen in der Grenzfläche gegenüber den Umgebungen des Trägerelements könnte sodann wenigstens 35%, vorzugsweise wenigstens 40%, insbesondere wenigstens 50% der Grenzfläche gegenüber den Umgebungen eines homogenen Körpers mit den gleichen Dimersionen aufweisen.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, um dem Erfordernis eines großen Querschnittsbereichs der Öffnungen der Passagen zu genügen, sind solche Ausführungen, bei welchen das Trägerelement für den Durchfluß hierdurch in allen drei Dimensionen offen ist. Die Ausführungsform nach 1 bis 4 ist eine solche bevorzugte Ausführungsform, bei welcher das Wasser durch das Trägerelement frei strömen kann.

Die Ausführungsform gemäß 5 und 6 unterscheidet sich von der in 1 bis 4 offenbarten Ausführungsform durch einen axialen Tubus 18 bzw. durch ein axiales Rohr 18, welches in der Mitte des Elements vorgesehen ist und dessen Außenfläche mit Wänden 11 verbunden ist, welche sämtlich die gleiche radiale Länge aufweisen. An einem Ende des Trägerelements sind abwechselnd Wände 19 und Öffnungen für die axialen Passagen 16 vorhanden, wobei das andere Ende vollständig offen ist.

Bei der Ausführungsform der Erfindung, die in 7 und 8 gezeigt ist, sind wendel- bzw. spiralförmige Wände 11' und 12' vorgesehen, welche eine Drehbewegung des Trägerelements bei der Strömung von Wasser hierdurch erzeugen, so daß die Zufuhr von Sauerstoff zu dem Biofilm noch weiter verstärkt wird.

Die Trägerelemente sind in dem in einem Reaktor biologisch zu reinigenden Wasser bzw. Abwasser suspendiert gehalten, wobei in diesem Reaktor Luft mit Hilfe von Belüftern an dem Boden des Reaktors zugeführt wird, wie in 9 gezeigt, in welcher der Reaktorbehälter mit 20 bezeichnet ist und die Belüfter an dessen Boden mit 21 bezeichnet sind. Die Wasseroberfläche in dem Behälter ist mit 22 bezeichnet. Das Wasser wird zu dem Behälter an dessen Oberseite bei 23 zugeführt und wird an dem Boden durch einen Auslaß 24 abgelassen. Die in dem Wasser suspendierten Trägerelemente sind mit 25 bezeichnet.

Ein Problem, welches bei Prozessen mit suspendierten Trägerelementen auftreten kann, besteht darin, daß die Belüfter ausgetauscht oder repariert werden müssen. Die Belüfter in herkömmlichen Behältern sind schwierig zu erreichen, weil der Behälter mit großen Mengen an Trägermaterial gefüllt ist, welches sich an dem Boden des Behälters absetzt, wenn das Wasser abgelassen wird. Wenn die Trägerelemente entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet werden, kann dieses Problem dadurch vermieden werden, daß der Behälter mit einem Gitter 26 versehen wird, welches den Boden oberhalb der Belüfter 21 auf einem solchen Niveau bedeckt, daß ein Zugang unterhalb des Gitters vorgesehen wird, um die Belüfter zu erreichen. Das Gitter soll eine solche Schlitzbreite aufweisen, daß die Trägerelemente 25 nicht hindurchgehen können. Wenn das Wasser aus dem Behälter abgelassen wird, werden sich die Trägerelemente an dem Gitter absetzen und es ist sodann möglich, in den Raum unterhalb des Gitters einzudringen, zum Beispiel durch ein Mannloch 27. Diese Lösung des Problems ist möglich, weil die Trägerelemente entsprechend der Erfindung so groß gemacht sind, daß ein Gitter verwendet werden kann, welches eine genügend große Schlitzbreite aufweist, damit die Luft ungehindert hindurchgehen kann.

Das Gitter 26 wird ferner als ein Auslaßgitter verwendet, um die Trägerelemente in dem Prozeß durch herausgehendes Wasser zurückzuhalten, welches durch das Gitter und sodann durch den Auslaß 24 hindurchgeschickt wird, welcher als eine Steigleitung angeordnet ist. Aufgrund des als ein Auslaßgitter verwendeten unteren Gitters 26 gibt es keine Notwendigkeit für ein weiteres Gitter, um die Trägerelemente daran zu hindern, durch aus dem Behälter herausgehendes Wasser mitgeschleppt zu werden. Darüberhinaus ist die Gefahr des Blockierens des Gitters 26 sehr klein, weil das Gitter kontinuierlich durch die Luft gespült wird, welche von unterhalb durch das Gitter nach aufwärts in den Behälter strömt.