Die Erfindung betrifft den Bereich der Wasserbehandlung und insbesondere ein Verfahren, mit dem sich die Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas in ein biologisches Filter (Biofilter) regeln lässt.

Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Verfahren, das in ein Filter eingesetzt werden kann, welches folgendes umfasst:

• – Zufuhrmittel für zu filterndes Wasser im unteren Teil des Filters,
• – ein Filterbett (im Allgemeinen aus mindestens einer Lage eines körnigen Filtermaterials bestehend, dessen Dichte geringer oder höher als die Wasserdichte ist, das jedoch auch aus einer festen strukturierten Packung gebildet sein kann), das als Unterlage für eine Biomasse dient, die zum Zersetzen der kohlenstoff- und/oder stickstoffhaltigen Verunreinigungen des zu filternden Wassers eingesetzt wird,
• – Verteilungsmittel eines sauerstoffhaltigen Gases (klassischerweise Luft) in mindestens einem Teil des Filterbettes,
• – ein oberhalb des Filterbettes vorgesehener Reservebereich, welcher die Bildung einer Wasserschicht oberhalb des Filterbettes ermöglicht und,
• – Mittel zum Ableiten des gefilterten Wassers, das aufwärts durch das Filter gelaufen ist, welche im oberen Teil des Filters angebracht sind.

Filter dieser Art sind nach dem Stand der Technik gut bekannt und werden insbesondere in der europäischen Patentschrift EP-265303 im Namen des Anmelders dieses Patentes beschrieben. Sie bieten eine Vielzahl von Vorteilen unter denen die Möglichkeit zum Behandeln verschiedener Arten von Verunreinigungen (kohlenstoff- und/oder stickstoffhaltig) innerhalb eines geringen Behandlungsvolumens und die hohe Behandlungskapazität erwähnenswert sind. Der in diesen Systemen vorhandene Reservebereich lässt sich vorteilhaft zum effektiven Verteilen von sauberem Wasser gegen die Behandlungsströmung einsetzen, was ein schnelles Waschen des Filterbettes ermöglicht (nachträgliches Waschen).

Die Erfindung findet insbesondere Anwendung im Bereicht der biologischen Abwasser-klärung.

Wie bereits oben erläutert, lassen sich biologische Filter der oben beschriebenen Art und die in im Rahmen der Erfindung liegen, besonders zum biologischen Abbau der kohlenstoff- und/oder stickstoffhaltigen Verunreinigungen in den zu klärenden Abwässern einsetzen.

Bezüglich der Behandlung kohlenstoffhaltiger Verunreinigungen, so ist die verwendete Biomasse eine zum größten Teil heterotrophe Biomasse, welche in Gegenwart von Sauerstoff den überwiegenden Teil der kohlenstoffhaltigen organischen Inhaltsstoffe abbaut. Es ist somit interessant, zu diesem Zweck das sauerstoffhaltige Gas im größten Teil des Filterbettes zu verteilen.

Was die Behandlung stickstoffhaltiger Verunreinigungen betrifft, so erfolgt der Einsatz dieser Art von Filtern indem das sauerstoffhaltige Gas nur in einem Teil des Filterbettes verteilt wird, um dort einen oberen aeroben Bereich und einen unteren anoxischen Bereich zu bilden, wobei eine Rezyklierung eines Teiles des gefilterten Wassers vorgesehen wird. So werden in den ammoniakhaltigen Verunreinigungen, welche sich in dem zu filternden Abwasser befinden, die Nitrate durch eine zum größten Teil autotrophe Biomasse in dem aeroben Bereich abgebaut (Nitrierungsschritt), während in diesen Nitraten der gasförmige Stickstoff durch eine zum größten Teil heterotrophe Biomasse abgebaut wird, welche, in Abwesenheit von molekularem Sauerstoff, den Sauerstoff der Nitrate in dem unteren anoxischen Bereich des Filters verbraucht (Denitrierungsschritt).

Es ist ebenfalls möglich diese Art von Filter unter tertiären Nitrierungsbedingungen einzusetzen, wobei eine zum größten Teil autotrophe Biomasse verwendet und das sauerstoffhaltige Gas im gesamten Filterbett verteilt wird.

Um die Filter dieser Art diesen verschiedenen Konfigurationen anzupassen, ist eine Technik bereits bekannt, nach der man sie einerseits im unteren Teil mit ersten Mitteln zum Verteilen eines sauerstoffhaltigen Gases ausrüstet, mit denen sich das sauerstoffhaltige Gas im gesamten Filterbett verteilen lässt und andererseits im mittleren Teil des Filters mit zweiten Mitteln zum Verteilen eines sauerstoffhaltigen Gases ausrüstet, die das Verteilen dieses sauerstoffhaltigen Gases nur im oberen Bereich des Filterbettes zulassen.

Unabhängig von der eingesetzten Konfiguration besteht eine Schwierigkeit beim Einsatz dieser Art von biologischen Filtern in der Schwierigkeit beim Verteilen des für den biologischen Prozess erforderlichen sauerstoffhaltigen Gases, wobei der Kompromiss eingehalten wird, nach dem:

• – eine ausreichende Verteilung dieses sauerstoffhaltigen Gases innerhalb des Filterbettes sichergestellt wird, um das vollständige Erfüllen der Funktionen der Biomasse sicher zu stellen,
• – wobei das verteilte sauerstoffhaltige Gas sparsam genutzt wird.

Es ist nämlich bekannt, dass die Menge an verteiltem sauerstoffhaltigen Gas einen hohen Anteil bei den Betriebskosten solcher Biofilter einnimmt. Es ist demnach für den Fachmann ein wichtiges Anliegen, technische Lösungen zu finden, die es ermöglichen, im Einklang mit dem oben genannten Kompromiss zu sein.

Um dieses Ziel zu erreichen, bietet das empirische Modulieren der Zufuhr an sauerstoffhaltigem Gas als Funktion der üblichen durchschnittlichen Variationen der Belastung durch Verunreinigungen und des zu behandelnden Abwassers eine bekannte Technik dar. Eine derartige Methode hat den Nachteil, dass sie nur eine sehr grobe Anpassung der verteilten sauerstoffhaltigen Gasdurchsätze an dem tatsächlichen Bedarf der Biomasse bewirkt, so dass sie die Gefahr sowohl einer übermäßigen als auch einer zu geringen Gaszufuhr in sich birgt.

Ebenfalls bekannt ist die Schätzung der theoretischen Menge Q_O2 an Sauerstoff, die von der Biomasse benötigt wird und im Filter vorhanden ist, durch Anwendung einer Formel des Typs: Q_O2 = 4,57 Q'_N-NH3 + &agr; Q'_DCOs + &bgr; Q'_DCOp wobei Q'_N-NH3 die Menge der eliminierten ammoniakhaltigen Verunreinigungen, Q'_DCOs die Menge der eliminierten löslichen kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen und Q_DCOp die Menge der eliminierten kohlenstoffhaltigen angewandten Teilchenverunreinigungen ist (wobei Q_O2, Q'_N-NH3, Q'_DCOs und QD_COp in Kilogramm ausgedrückt werden und &agr; und &bgr; dem Fachmann bekannte Konstanten sind). Der Durchsatz an sauerstoffhaltigem Gas wird dann als Funktion von Q_O2 angepasst.

Die Anwendung einer solchen Formel setzt jedoch den Einsatz komplexer Apparate zum Messen der für die an Verunreinigungen, die in das Filter einlaufen und aus dem Biofilter herauslaufen, repräsentativen Menge voraus. Der Hauptnachteil dieser Apparate ihr sehr hoher Preis. Eine solche Methode kann ebenfalls nicht mit ausreichender Häufigkeit eingesetzt werden, um eine kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Anpassung des Luftdurchsatzes an den Bedarf der Biomasse sicherzustellen. Darüber hinaus werden lange Reaktionszeiten impliziert.

Es sei andererseits darauf hingewiesen, dass das Messen der in dem mittels einer biologischen Filtereinrichtung gefilterten Wasser gelösten Sauerstoffmenge und das Anpassen der in dieser Filtereinrichtung verteilten Luftmenge eine bereits gut bekannte Methode ist. Diese Technik bietet jedoch nur eine sehr angenäherte Genauigkeit, da sie in keiner Weise die Übertragung von Sauerstoff aus der Gasphase in die im Verlauf des Filterungsvorgangs entstehende wässrige Phase berücksichtigt, so dass sie lediglich eine nicht perfekte Lösung für den oben genannten Kompromiss bietet.

Das wichtigste Ziel dieser Erfindung ist das Bereitstellen einer technischen Lösung, mit welcher der oben genannte Kompromiss befriedigt wird und bei der darüber hinaus die Nachteile des Standes der Technik nicht auftreten.

Insbesondere ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu beschreiben, welches die kontinuierliche oder halb kontinuierliche Anpassung des im Biofilter verteilten sauerstoffhaltigen Gasdurchsatz genau dem Bedarf der Biomasse gewährleistet, um einen sparsamen Verbrauch dieses Gases zu ermöglichen.

Diese verschiedenen Ziele erreicht man dank der Erfindung, die ein Verfahren zum Regulieren der Zufuhr an sauerstoffhaltigem Gas in einem biologischen Filter betrifft, das folgendes umfasst:

• – Zufuhrmittel für zu filterndes Wasser im unteren Teil des Filters,
• – ein Filterbett, das als Unterlage für eine Biomasse dient, die zum Zersetzen der kohlenstoff- und/oder stickstoffhaltigen Verunreinigungen des zu filternden Wassers eingesetzt wird,
• – Verteilungsmittel eines sauerstoffhaltigen Gases in mindestens einem Teil des Filterbettes,
• – eine oberhalb des Filterbettes vorgesehene gefilterte Wasserschicht und,
• – Mittel zum Ableiten des gefilterten Wassers, das aufwärts durch das Filter gelaufen ist, welche im oberen Teil des Filters angebracht sind,

Die Erfindung schlägt somit die Regulierung der im Biofilter verteilten Sauerstoffmenge unter Berücksichtigung der Leistung an Sauerstoffverbrauch durch die Biomasse und nicht lediglich die Sauerstoffkonzentration in dem aus dem Biofilter ablaufenden Wasser vor.

Dem Fachmann war bereits bekannt, dass die gesamte Menge des von den Verteilungsmitteln für sauerstoffhaltiges Gas in ein Biofilter eingebrachten Sauerstoffs nicht unmittelbar verfügbar ist und, dass es eine Übertragung von Sauerstoff von der Gasphase zur Biomasse gibt. Es war jedoch bis dahin üblich anzunehmen, dass diese Übertragungsleistung (oder „Leistung an Sauerstoffverbrauch durch die Biomasse") gleichzeitig von den Betriebsbedingungen (Wasser- und Luftgeschwindigkeit) und von den Eigenschaften des Filters (Belüftungssystem, Höhe des Filterbettes usw.) abhängt. Die Anmelder haben jedoch festgestellt, dass das alleinige Messen der am Ausgang des Filterbettes im Wasser gelösten Sauerstoffkonzentration und der Temperatur des behandelten Wassers reicht, um die Leistung an Sauerstoffverbrauch zu bestimmen.

Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

• – Messen der Konzentration an gelöstem Sauerstoff (O₂) des gefilterten Wassers in der Wasserschicht,
• – Messen der Temperatur T des gefilterten Wassers,
• – Berechnen der Leistung an Sauerstoffverbrauch C_T der Biomasse als Funktion der gemessenen Temperatur T und der Konzentration an gelöstem Sauerstoff (O₂),
• – Steuern des Durchsatzes an sauerstoffhaltigem Gas, das von den Verteilungsmitteln verteilt wird, in Abhängigkeit der berechneten Leistung an Sauerstoffverbrauch C_T.

Genauer gesagt umfasst das Verfahren somit die folgenden Schritte:

• – Bestimmen eines Durchsatzes an sauerstoffhaltigem Gas Q_{Gas t} zu einem gegebenen Zeitpunkt t;
• – Bestimmen einer Referenzleistung C_Tref für den Sauerstoffverbrauch durch die Biomasse;
• – Messen der Temperatur T des gefilterten Wassers zu einem Zeitpunkt t_i;
• – Messen der Konzentration des zum besagten Zeitpunkt t_i in der gefilterten Wasserschicht gelösten Sauerstoff (O₂);
• – Berechnen der besagten Sauerstoffverbrauchsleistung C_T durch die Biomasse;
• – Berechnen des zum Zeitpunkt t_i benötigten Durchsatzes an sauerstoffhaltigem Gas, Q_{Gas ti};
• – Steuern des Durchsatzes und/oder der Konzentration dieses von den besagten Verteilungsmitteln verteilten sauerstoffhaltigen Gases als Funktion der erzielten Ergebnisse.

Im Rahmen des Verfahrens der Erfindung werden die Konzentration an gelöstem Sauerstoff und die Temperatur gemessen, um die Verbrauchsleistung regelmäßig zu bestimmen, wobei die Zufuhr an sauerstoffhaltigem Gas gesteuert wird, um einen bevorzugten Betrieb bei der Referenzleistung zu erzielen.

In der Praxis ist es von Vorteil, die Konzentration an gelöstem Sauerstoff bei einer Höhe H zu messen, die mindestens gleich der Höhe H_min sein soll, die ausreicht, um das Lösen des wesentlichen Teils des in Form von Blasen aus dem besagten Filterbett austretenden gasförmigen Gases zu ermöglichen. Bevorzugterweise soll diese Höhe H größer als die Höhe H_min sein und soll als Funktion der Filterstruktur variieren können. Dank einer derartigen Variante soll es möglich sein sicherzustellen, dass die höchste Konzentration an aufgelöstem Sauerstoff gemessen wird. H_min soll als Funktion einer Vielzahl von Parametern variieren (Eingangdurchsatz des sauerstoffhaltigen Gases, Art des Filterbettes, Höhe des besagten Filterbettes usw.).

Bevorzugterweise wird die Temperatur des behandelten Wassers ebenfalls in der besagten Wasserschicht gemessen. Es ist jedoch denkbar, diese Temperatur an einer anderen Stelle des Biofilters zu messen.

In ebenfalls bevorzugter Weise handelt es sich beim sauerstoffhaltigen Gas um Luft, während die Leistung C_T für den Sauerstoffverbrauch durch die Biomasse mittels der Formel berechnet wird: C_T = [475 – O₂(33,5 + T)]/[475 – 0,21 O₂ × (33,5 + T)] wobei T die Temperatur des gefilterten Wassers in °C ausgedrückt und O₂ die Konzentration an im behandelten Wasser gelöstem Sauerstoff, in mg/l ist. Der Fachmann kann jedoch andere Formeln für den Einsatz des Verfahrens der Erfindung in Betracht ziehen, insbesondere dann, wenn es sich ausnahmsweise beim sauerstoffhaltigen Gas nicht um Luft handelt, sondern beispielsweise um an Sauerstoff angereicherte Luft oder um reinen Sauerstoff.

Ebenfalls nach einer Variante der Erfindung wird das Verfahren in halb kontinuierlicher Form ausgeführt und besteht im Messen der zu verschiedenen Zeitpunkten t_i, t_i+1, t_i+2, ..., t_n gelösten Sauerstoffmengen, im Berechnen des Mittelwertes O_{2 moy} der gemessenen Mengen an gelöstem Sauerstoff, im Messen der Temperatur des behandelten Wassers zu den verschiedenen Zeitpunkten t_i, t_i+1, t_i+2, ..., t_n, im Berechnen des Mittelwertes T_moy der gemessenen Temperaturen und im Berechnen der Leistung C_T an Sauerstoffverbrauch der Biomasse, ausgehend von O_{2 moy} Und von T_moy.

Nach einer anderen Variante wird das Verfahren kontinuierlich angewandt.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein biologisches Filter für die Wasserbehandlung von der oben beschriebenen Art, dadurch gekennzeichnet, dass es über Mittel zum Messen der Konzentration an in der besagten Wasserschicht gelöstem Sauerstoff verfügt und, dass es über Mittel zum Messen der Temperatur des gefilterten Wassers verfügt.

Vorteilhafterweise bestehen die Mittel zum Messen aus mindestens einem Fühler, der in der Wasserschicht untergebracht ist, in einer Höhe H von der oberen Fläche des Filterbettes, wobei diese Höhe H größer ist als die Höhe H_min, die ausreicht, um das Lösen des aus dem Filterbett kommenden gasförmigen Sauerstoffes in Form von Blasen bis zum Erreichen des Gleichgewichtes zu gewährleisten.

Die Erfindung sowie ihre mannigfaltigen Vorteile werden verständlicher dank der nachfolgenden Beschreibung einer nicht einschränkenden Ausführung der Erfindung, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei:

1 eine schematische Darstellung eines biologischen Filters für den Einsatz des Verfahrens der Erfindung zeigt;

2 ein Organigramm darstellt, in dem die verschiedenen Schritte einer bevorzugten Variante des Verfahrens der Erfindung gezeigt werden;

3 eine Grafik darstellt, in der die zeitliche Änderung der Konzentration an gelöstem Sauerstoff am Filterausgang, bei konstantem Durchsatz und als Funktion der verschiedenen Luftdurchsätze, gezeigt wird;

4 eine Grafik darstellt, in der die zeitliche Änderung der Verbrauchsleistung C_T als Funktion der Variationen der in das Biofilter einlaufenden ammoniakhaltigen Verunreinigungslast und der das Biofilter verlassenden ammoniakhaltigen Verunreinigungslast gezeigt wird und,

5 eine Grafik darstellt, in der die Steuerung der beobachteten Luftdurchsätze bei Einsatz des Verfahrens der Erfindung gezeigt wird.

Das in 1 dargestellte biologische Filter umfasst einen Reaktor 1, der ein Filterbett aus körnigem Material 2 zeigt, welches als Träger für eine Biomasse dient, ferner im unteren Teil des Reaktors untergebrachte Mittel zum Einleiten 3 von zu behandelndem Wasser und, im oberen Teil des Reaktors untergebrachte Mittel zum Ableiten 4 des behandelten Wassers, nachdem letzteres in aufsteigender Richtung durch das Filterbett 2 gelaufen ist. In klassischer Weise sind eine Lüftungsrampe 5 im unteren Teil des Filters und eine Rampe 5a im mittleren Teil des Filters vorgesehen, um in der Lage zu sein, notfalls einen oberen, belüfteten Filterbereich und einen unteren, anoxischen Filterbereich zu definieren. In ebenfalls klassischer Weise ist auch eine Rezirkulierungsschleife 6 für das gefilterte Wasser vorgesehen. Der Reaktor weist an seinem oberen Teil einen oberhalb des Filterbettes vorgesehenen Bereich 7 auf, der es ermöglicht, eine Reserve an behandeltem Wasser zu bilden und der andererseits Mittel zum Ablassen 8 am unteren Teil des Filters aufweist.

In Übereinstimmung mit dieser Erfindung ist der Reaktor mit Mitteln zum Messen des gelösten Sauerstoffs versehen, die einen in dem besagten Reservebereich bei einer (im Rahmen der vorliegenden Ausführung 50 cm betragenden) Höhe H von der oberen Fläche des Filterbettes 2 angebrachten Fühler 10 umfassen. Diese Höhe H ist größer als die (im Rahmen dieser Ausführung ca. 40 cm betragenden) Höhe H_min, die für eine gute Auflösung des gasförmigen Sauerstoffs benötigt wird, der sich in den aus dem Filter austretenden, sauerstoffarmen Luftblasen befindet.

Ebenfalls in Übereinstimmung mit der Erfindung weist der Reaktor einen Fühler 11 für die Temperatur (T) des aus dem Filterbett 2 kommenden gefilterten Wassers auf, wobei dieser Fühler ebenfalls in dem Reservebereich für sauberes Wasser 7 untergebracht ist.

Die Fühler 11 und 10 sind mit einer Berechnungs- und Steuereinheit 12 verbunden, die das Einwirken auf die Versorgung der Lüftungsrampen 5 und/oder 5a ermöglicht, um Luftdurchsätze zu steuern, die als Funktion der von ihnen übertragenen Daten verteilt werden.

Beim Einsatz des Verfahrens der Erfindung werden die folgenden Referenzdaten zum Zeitpunkt t in die Berechnungs- und Steuereinheit 12 eingeben:

• – anfänglicher Luftdurchsatz Q_t;
• – Referenz-Nutzungsleistung C_Tref, gewählt als Funktion der anfänglichen Verunreinigungsbelastung des zu filternden Wassers.

Im Laufe der Filtrierung werden die Konzentration an gelöstem Sauerstoff (O₂) in [mg/l]1

1

Im original steht [ml/g], was wohl ein Schreibfehler ist! (Bemerkung des Übersetzers)

Ist die berechnete Leistung C_T gleich oder annähernd gleich C_Tref, so wurde der von den Rampen 5 und/oder 5a zugeführte Luftdurchsatz nicht geändert. Ist sie verschieden, so wirkt die Einheit 12 auf die Zufuhrmittel für diese Rampen, entweder um die Durchsätze an verteilter Luft zu erhöhen oder zu verringern.

Die oben beschriebene Funktionsweise wird in dem in 2 dargestellten Organigramm zusammengefasst.

3 zeigt die Änderung der nach der Erfindung am Ausgang des Filterbettes in dem Reservebereich 7 als Funktion der verschiedenen, zwischen 900 Nm³/h und 2600 Nm³/h variierenden, der Biomasse zugefügten Luftdurchsätze, gemessenen Menge an aufgelöstem Sauerstoff, für einen konstanten Wasserdurchsatz von 650 m³/h, entsprechend einer im Wesentlichen konstanten Verunreinigungscharge. Diese Grafik zeigt eindeutig, dass, ab einem bestimmten Luftdurchsatz, die Konzentration an gelöstem Sauerstoff im gefilterten Wasser immer stärker wird, was darauf hindeutet, dass ein zunehmender Teil des in der zugeführten Luft verfügbaren Sauerstoffs durch die Biomasse nicht verbraucht wird.

4 zeigt die zeitliche Veränderung der Verbrauchsleistung C_T als Funktion der Variationen der in das Biofilter eintretenden ammoniakhaltigen Verunreinigungslast und der das Biofilter verlassenden ammoniakhaltigen Verunreinigungslast. Dank dieser Grafik lässt sich feststellen, dass eine Verbrauchsleistung C_T der Biomasse von 0,30, die einer geringen Luftzufuhr entspricht, einen genauso guten Abbau der Verunreinigung gewährleistet wie eine Leistung von 0,10, die ihrerseits einer hohen Luftzufuhr entspricht. Diese Grafik ermöglicht ebenfalls die Feststellung, dass der Bedarf der Biomasse (berechnet nach der oben genannten Formel Q_O2 = 4,57 Q'_N-NH3 + &agr; Q'_DCO + &bgr; Q_DCO) in etwa den gemessenen Werten von C_T entsprechen, was die Zuverlässigkeit dieses Parameters bestätigt.

Die in diesem Ausführungsbeispiel erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 1 und in 5 zusammengefasst, wobei 5 die zeitliche Steuerung des im Filter verteilten Luftdurchsatzes als Funktion des am Filtereingang für eine Referenzleistung C_Tref von 0,2 beobachteten Wasserdurchsatzes zeigt. Die in dieser Figur dargestellten Kurven zeigen eine Anpassung der verteilten Luftmenge als Funktion des Wasserdurchsatzes auf. Es sei darauf hingewiesen, dass auf dieser Grafik die acht zuerst durchgeführten Messungen die Startperiode des Filters nach einem Waschvorgang betreffen, während dem der Wasserdurchsatz hoch und die Luftzufuhr gering ist. Dies ist auf das allmähliche

Ablaufen des im Filter vorhandenen sauberen Waschwassers zurückzuführen, was eine geringe Konzentration an Verunreinigungen und, als Folge daraus, einen geringeren Sauerstoffbedarf der Biomasse impliziert.

Die hier beschriebene Ausführung der Erfindung soll die Reichweite der Erfindung nicht einschränken. Es können somit eine Vielzahl von Änderungen eingebracht werden, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.