Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen und/oder physikalischen Elimination unerwünschter Wasserinhaltsstoffe aus Wasser mittels gefluteter Biofilmreaktoren und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Das Verfahren und die Anlage dient insbesondere zur reinigenden Behandlung von Wässern, die mit uner¬ wünschten anorganischen Inhaltsstoffen wie Ammonium, Nitrat- und Nitrit-Stickstoff bzw. gesundheitsschäd¬ lichen flüchtigen wie z. B. halogenierte Kohlenwas¬ serstoffe, Ammoniak u. dgl. enthaltene Substanzen belastet sind. Es ist bekannt, daß vor allem bei langsam wachsenden Mikroorganismen wie z. B. Nitri- fikanten Bio ilmreaktoren gegenüber total durch¬ mischten Reaktoren Vorteile haben. Beispielsweise bleiben einmal auf dem Trägermateriai aufgewachsene Mikroorganismen im System und werden zusätzlich noch angereichert. Ein Nachteil von Biofilmreaktoren ist die erschwerte Versorgung der Biofilm-Mikroorganismen mit Sauerstoff oder anderen Gasen, wie Wasserstoff sowie die Entsorgung der zugehörigen Stoffwechselend- produkte Kohlendioxid bzw. Stickstoff bei der Deni¬ trifikation. Ferner bilden, sich in Biofilmreaktoren leistungsverringernde Stoffkonzentrationsprofile vom Reaktorzulauf zum Reaktorablauf hin aus. Die Ver¬ größerung der inneren Oberfläche eines Biofilmreak¬ tors durch Verwendung eines Trägermaterials mit großer spezifischer Oberfläche wie z. B. 0 _S = 250 2/m3 kann die Biomasse und somit den Stoffumsatz wesentlich steigern. Bei Festbettreaktoren kann allerdings die hydraulische Durchströmung durch Verstopfung beein äch igt werden. Dieses Problem entfällt beim Einsatz von Fließbettreaktoren. Es wird deshalb bereits seit langer Zeit versucht, diese zur

Reinigung von Wässern einzusetzen. Allerdings erwies sich. die Realisierung einer 15 bis 20 igen Bettex¬ pansion im technischen Maßstab als problematisch, da das Fließbett durch die direkte Begasung des Reaktors zur Sauerstoffversorgung des Biobewuchses außer Kontrolle geriet. Das Einblasen von Luft am Boden des Fließbettreaktors zur Deckung des Sauerstoffbedarfes hat sich ebenfalls als Nachteil erwiesen, da die aufsteigenden Gasblasen kontinuierlich Trägermaterial austragen und den Dauerbetrieb erschweren. Aus diesem Grunde hat sich die externe Sauerstoffanreicherung durchgesetzt. Die Sauerstoffkonzentration des Zulauf¬ wassers wird vor Eintritt in das Fließbett mit reinem Sauerstoff bei Überdruck in einem Oxygenator auf Werte um 50 gÜ2/m3 erhöht. Als charakteristisches Merkmal dieses Verfahrens stellt sich jedoch ein ausgeprägter Sauerstoffkonzentrationsabfall über die Höhe des Fließbettes ein. Mögliche Störungen des biologischen Umsetzungsprozesses können daher nur durch hohe Rezirkulationsraten verhindert werden, was ebenfalls als nachteilig empfunden wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ver¬ fahren und eine Anlage zur Durchführung des Verfah¬ rens aufzuzeigen, bei dem die dem zu behandelnden Wasser zuzusetzenden Gase im Biofilmreaktor so zuge¬ setzt werden, daß bei optimaler Reinigungswirkung keine Verstopfung des Reaktors oder Beeinträchtigung des Biobewuchses eintritt.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe da¬ durch, daß das Reaktorträgermaterial über die Reak¬ torbetthöhe gleichmäßig mit einem der Gasversorgung oder Gasentsorgung dienenden Gas beaufschlagt wird. Als Biofilmreaktor wird ein Fließbettreaktor ver¬ wendet, in dem ein Stof austauscher aus nicht porösem

Kunststoff eingesetzt ist. Durch diesen Stoffaus¬ tauscher erfolgt die blasenfreie Zuführung des Gases in den Biofilmreaktor, so daß z. B. die Sauerstoff¬ versorgung des gesamten mikrobiellen Bewuchses auf dem Fließbetträgermaterial ermöglicht wird. Bei Bedarf können die Gase im Rezirkulationswasserstrom durch einen weiteren Gasaustauscher aus nicht porösem Kunststoff angereichert werden. Unerwünschte Flota- tionserscheinigungen durch die Stoffwechselendpro¬ dukte Kohlendioxid bzw. bei der Denitrifikation Stickstoff werden durch deren gleichzeitige Entsor¬ gung durch die Sto faustauscher verhindert, in dem ein Teilgasstrom abgezogen oder eine geeignete Absor¬ bereinheit in den Gaskreislauf eingeschaltet wird. Andere flüchtige Substanzen wie z. B. niedermoleku¬ lare, halogenierte Kohlenwasserstof verbindungen oder andere organische Verbindungen werden durch die Verwendung von Aktivkohle im Absorber kontinuierlich aus der Gasphase und somit auch aus der Wasserphase entfernt. Der oder die Stoffaustauscher dienen daher gleichzeitig der Gasversorgung und Gasentsorgung. Die besondere über die Reaktorbetthöhe gleichmäßige Zufuhr von Gas ermöglicht es, bei Fließbettreaktoren bei denen aufgrund der geringen Korngröße des Träger¬ materials und des Schwebezustands eine sehr große biologisch aktive Oberfläche zur Verfügung steht, den bezogen auf die Fließbettvolumeneinheit hohen Sauersto bedarf zu befriedigen.

Weitere Merkmale der Erfindung werden in den Unter¬ ansprüchen beschrieben.

In den Zeichnungen ist eine Anlage dargestellt, mittels derer das er indungsgemäße Verfahren durch¬ geführt werden kann. Es zeigt:

Fig. 1 eine Anlage mit einem Fließbettreaktor in einer schematischen Darstellung

Fig. 2a einen Stoffaustauscher für den Fließbettreak- und 2b tor in einer schematischen Seitenansicht und Draufsicht

Fig. 3 die Abhängigkeit von Sauerstoffeintrag zur und 4 Fließgeschwindigkeit in einem Festbettreaktor und einem Fließbettreaktor in einer schematischen grafischen Darstellung,

Fig. 5a verschiedene Ausführungsformen von für den bis 5f Sto austauscher bestimmten Kunststoffmembranen,

Fig. 6a die Anordnung von Schlauchmembranen für den bis 6b Sto faustauscher in einer schematischen Draufsicht ,

Fig. 7a eine weitere Ausbildung eines Stoffaustau- schers in der schematischen Seitenansicht,

Fig. 7b eine Doppelmembran in einer vergrößerten Detailansicht.

Die Anlage 10 zur biologischen und/oder physika¬ lischen Elimination unerwünschter Wasserinhaltsstoffe aus Wasser besteht aus einem als Fließbettreaktor ausgebildeten Biofilmreaktor 22, einer Gasversor¬ gungseinrichtung 35 und einer Wasserversorgungsein¬ richtung 47- Der Biofilmreaktor 22 weist ein Gehäuse auf, an dem ein Bodenablauf 18 sowie bodenseitig ein Verteilungsnetz 4 für zuzuführendes Wasser ausge¬ bildet ist. Das Verteilungsnetz 4 kann z. B. aus perforierten Rohren 21 bestehen. Zwischen dem Ver¬ teilungsnetz 4 und dem Ablauf 18 ist eine Bodendrä-

nage 17 angeordnet. Oberhalb der Bodendränage 17 befindet sich das Fließbett 32, das aus einem Reak¬ torträgermaterial 27 besteht, das z. B. feinkörniger fester Bimstein, Sand od. dgl. sein kann. Der Korn¬ durchmesser des Reaktorträgermaterials 27 kann z. B. 0,4 mm betragen. In dem Fließbett 32 ist ein Stoff¬ austauscher 15 angeordnet, der aus einem Stützrahmen 20 besteht, an dem ein in etwa schraubenförmig ge¬ formter dünnwandiger Schlauch 26 aus einem nicht porösen Kunststoff angeordnet ist. Die Schlauchwick¬ lungen 3 sind im Abstand voneinander ausgerichtet, um einen möglichst großen Gasaustausch zum Reaktor-- trägermaterial 27 zu erzielen (Fig. 2a und 2b).

Der Stoffaustauscher 15 kann auch als Membranmodul 49, 50 und somit als austauschbares Bauelement ausge¬ bildet sein, der porenfreie Kunststoffmembranen 51, 52, 53 aufweist. Diese können mit einem Gewebe 54 verstärkt sein. In Fig. 5a bis 5c sind als Schlauch¬ membranen ausgebildete Kunststof membranen 52 dar¬ gestellt, die z. B. aus einem ansich bekannten Sili¬ conkunststo wie z. B. Siliconkautschuk oder mit Silicon bzw. Siliconkautschuk beschichtetem Kunst¬ stoff bestehen können. Das Gewebe 54 kann in die Kunststoffmembran 52 eingebettet, auf der dem Reak¬ torträgermaterial 27 zugewandten Fläche 55 oder aber auf der dem Reaktorträgermaterial 27 abgewandten Fläche 56 angeordnet sein. Das Gewebe 54 kann aus monofilen oder multifilen organischen oder anorgani¬ schen Fasern bestehen. Organische Fasern können solche aus Polyester, Polyamid, Teflon od. dgl. sein, während als anorganische Fasern . Glasfasern oder Metallfasern verwend°t werden können. Von besonderem Vorteil sind Fasern, wie z. B. aus Polyester, die die zur Sterilisation erforderlichen Temperaturen ohne negative ^• Beeinträchtigung ihrer mechanischen Eigen-

schaften ertragen können. In den Fig. 5d bis 5f sind schematisch ebenfalls porenfreie Kunststo fmembranen 51 dargestellt, die jeweils als Flachmembranen aus¬ gebildet sind. Diese Kunststoffmembranen 51 weisen ebenfalls Verstärkungen mit einem Gewebe auf, das wie oben beschrieben ausgebildet und angeordnet ist.

Fig. 6a und 6b zeigt die Anordnung von als Schlauch¬ membranen ausgebildeten porenfreien Kunststoffmem¬ branen 52 eines Membranmoduls 49 in der Draufsicht. Die Schlauchmembranen können in einer horizontalen Ebene jeweils spiralförmig als Spiralring 57 ausge¬ bildet sein (Fig. 6a), wobei in dem Spiralring 57 ein Abstandhalter 61 am Wellband, Gewebe oder dergleichen angeordnet ist. An den Endabschnit en sind Verbin¬ dungsleitungen 59, 60 vorgesehen, die in dem Stütz¬ rahmen 20 gelagert sein können un. mit der Gasvor¬ laufleitung und mit der Gasrückflußleitung 40 verbunden sind. Ein Membranmodul 49 mit jeweils in einer horizontalen Ebene konzentrisch zueinander angeordneten als Kreisring 58 ausgebildeten Schlauch- membranen ist in Fig. 6b dargestellt. Jeder Kreisring 58 ist mittels einer Verbindungsleitung 59 mit der Gasvorlaufleitung 36 und der Gasrückflußleitung 40 verbunden. Es ist möglich, zwischen jeweils zwei Kreisringen 58 als Abstandhalter 61 ein Wellband, Gewebe od. dgl. anzuordnen.

In Fig. 7a ist ein als Stoffaustauscher 15 ausge¬ bildetes Membranmodul 50 dargestellt, dessen Kunst- stoffmembranen 53 vertikal angeordnet sind. Statt der Kunststoffmembranen 53 können auch Kunststoffmem¬ branen 52 verwendet werden. Die Kunststoffmembranen 53 sind als Doppelmembranen ausgebildet und bestehen aus jeweils zwei Kunststoffmembranen 51, die mittels eines Abstandhal ers 61 auf Distanz gehalten werden

(Fig. 7b). Dieser kann ein Wellband sein. Durch den Kanal 62 der Doppelmembran wird das Gas eingebracht und kann durch die Kunststoffmembranen 51 nach außen in die Wasserphase und von dort auf das Reaktorträ¬ germaterial 27 diffundieren. Die Kunststoffmembranen 53 _> die voneinander durch Abstandshalter 63 distan¬ ziert sein können, sind endabschnittseitig über Anschlußleitungen mit der Gasvorlaufleitung 36 und der Gasrückflußleitung 40 verbunden.

Die durch die Gewebeverstärkung erzielte Verbesserung der mechanischen Stabilität der Kunststoffmembranen 51, 52, 53 führt zusätzlich zu einer vollkommen problemlosen Handhabung der jeweiligen Membran. Die Gefahr einer mechanischen Beschädigung, die bei unverstärkten dünnwandigen Membranen auch in Schlauchforra stets gegeben ist, ist bei den gewebe¬ verstärkten Kunststoffmembranen 51, 52, 53 weitgehend beseitigt. Der Gaseintrag über nicht poröse Kunst- sto membranen 51, 52, 53 mit einer Gewebever¬ stärkung ist prinzipiell für alle in der Biotechnolo¬ gie eingesetzten Reaktortypen geeignet und in jeweils auf den Anwendungsfall zugeschnittener Modulform wie Schlauchmodul, Flachmembranmodul, Wickelmodul mit Schläuchen bzw. Flachmembranen besonders für die Durchführung von biotechnologischen Umsetzungen im Flüssig-Fest-Wirbelschichtreaktor vorteilhaft. Bei diesem befinden sich die Mikroorganismen entweder als biologischer Belag auf einem feinkörnigen festen Träger wie z. B. Sand mit einem Durchmesser von z. B. 0,5 mm oder ohne zusätzlichen Träger nur aus Bakte¬ rienmasse bestehend Pelletform in einem permanenten Schwebezustand, der durch den au ärtsgerichteten Strom der Nährlösung erzeugt wird. Erfaßt das je¬ weilige Kunststo fmembranmodul gleichmäßig die ge¬ samte Wibelsc ich , wird eine Schaumbildung verhin-

dert und zusätzlich noch eine schonende und über die gesamte Wirbelschicht gleichmäßige den Umsatz der Mikroorganismen steigernde Gasversorgung erragölicht.

Der Stoffaustauscher 15 ist über Anschlußleitungen mit einer Gasversorgungseinrichtung 35 verbunden. Diese besteht aus einem Gasvorratsbehälter 1 , der mittels eines Absperrventils 9 abgesperrt werden kann. Ferner ist ein Druckhalteventil 3 vorgesehen, das mit einem Regler 2 in Verbindung steht, der mit einer Meßeinrichtung 30 verbunden ist. Die Meßein¬ richtung 30 besteht aus einem Meßwertaufnehmer 5 und einem Sensor 6, der im Ablauf 33 ües Biofilmreaktors 22 angeordnet irt. An die Gasversorgungsleitung ist ferner ein Überdruckregler 8 sowie über ein Ventil 7 ein Überdruckgasbehälter 28 angeschlossen. In der Gasvorlaufleitung 36 befindet sich ein Verdichter 48. Mittels Anschlußleitungen 37, 38 ist ein mit einem Absorbtions-bzw. Adsorbtionsmittel 14 gefüllter Absorber 12 angeschlossen. In der Kurzschlußleitung 39 zwischen den Anschlußleitungen 37, 38 befindet sich ein Ventil 11. Ferner ist an die Gasversorgungs¬ leitung 36 eine Abflußleitung 41 mit einem Ventil 25 angeschlossen.

Zwischen dem Abiauf 33 und dem Zulauf 42 des Biofilm¬ reaktors 22 ist eine Rezirkulationsleitung 43 mit einem Sto faustauscher 23 angeordnet. In dem Stoff¬ austauscher 23 kann dem Rezirkulationswasser ein Gas über Austausch lächen zugeführt werden, die aus einem nicht porösem Kunststoff bestehen. Zwischen den Anschlußleitungen 45, 46 des Stoffaustauschers 23 ist eine Kurzschlußleitung 44 mit einem Ventil 24 ange¬ ordnet. Die Zufuhr von Wasser in das Verteilungsnetz 4 erfolgt mittels einer Zulaufpumpe 13-

Das zu behandelnde Wasser wird mittels der Zulauf¬ pumpe 13 über das Verteilungsnetz 4 aus z. B. per¬ forierten Röhren 21 am Boden 24 in den Biofilmreaktor 22 eingeleitet und durchströmt diesen von unten nach oben. Der Biofilmreaktor 22 weist wie bereits dar¬ gelegt einen Bodenauslauf 18 und eine Bodendränage 17 auf. Die Bodendränage 17 dient dazu, das Reaktorträ¬ germaterial 27 beim Entleeren des Biofilmreaktors 22 nach öffnen des Ventils 19 in dem Biofilmreaktor 22 zurückzuhalten. Beim Kontakt mit dem Biofilm auf der Trägermaterialoberfläche 16 laufen die jeweiligen biologischen Umsetzungsprozesse ab. Je nach Durch¬ flußgeschwindigkeit bleibt das Reaktorträgermaterial entweder unbewegt oder es wird expandiert. In Ab¬ hängigkeit von der Durchflußgeschwindigkeit kann somit αer Biofilmreaktor 22 ein Festbett oder aber ein Fließbett aufweisen.

Der bei aeroben Prozessen benötigte Sauerstoff wird über den bzw. die Sto faustauscher 15 zugeführt. Andere Gase wie z. B. Methan oder Wasserstoff und- /oder Kohlenstoffdioxid zur autotrophen Denitrifi¬ kation z. B. auch bei Trinkwasser werden auf die gleiche Weise vom Stoffaustauscher 15 in den Bio¬ filmreaktor 22 eingetragen.

Das Gas oder die Gasmischung des Gaseintragsystems wird aus dem Gasvorratsbehälter 1 über das automa¬ tische Druckhalteventil 3 mit vorgegebenen Grenz¬ werten sowie das Absperrventil 9 entweder kontinuier¬ lich oder diskontinuierlich in den Stoffaustauscher 15 eingespeist. Das Ventil 7 dient als Notgasauslaß und wird von dem Uberdruckregler 8 betätigt.

Liegt für eine Substanz ein Partialdruckgefälle zwischen Wasser und Gasphase vor, kann der Stoffaus¬ tauscher 15 zusätzlich als Entsorgungssystem einge¬ setzt werden. Hierzu wird der Gasstrom durch den Absorber 12 geleitet, der mit einem geeigneten Ab- sorbtions- bzw. Adsorbtionsmittel wie Lauge, Aktiv¬ kohle u. dgl. gefüllt ist.

Eine weitere Möglichkeit, eine unerwünschte Gaskom¬ ponente wie z. B. Kohlendioxid, Stickstoff, Ammoniak aus der Wasserphase zu entfernen, ist ein kontrollier¬ ter Abzug eines Teilgasstromes über das regelbare Ventil 25 möglich. Der Absorber 12 kann allerdings auch umgangen werden, wozu lediglich das Ventil 11 zu öffnen ist.

Eine vorgegebene Sauerstoff onzen ration im Reaktor¬ ablauf 29 im Bereich des Sensors 6 wird durch den Regler 2 eingehalten, der aufgrund der Meßwerte des Meßwerts .fnehmers 5 den Sauersto fpartialdruck re¬ gelt.

Mit Hilfe des an die Rezirkulationsleitung 43 ange¬ schlossenen weiteren Stoffaustauschers 23 aus nicht porösen Kunststoff kann das Rezirkulationswasser - falls erforderlich - mit dem Gas angereichert werden. Gleichzeitig können Stoffwechselprodukte und störende Wasserinhaltsstof e ausgetragen werden. In diesem Stoffaustauscher 23 können auch Kunststoffflachmen- branen eingesetzt werden.

In den Fig. 3 und 4 ist die Eignung des oben be¬ schriebenen Verfahrens am Beispiel des Sauerstoff¬ eintrags in einen Festbettreaktor und einem Flie߬ bettreaktor dargestellt. Als Bettmaterial für den Festbettreaktor wurde Bimsstein mit einer Körnung von

1,5 bis 3 mm eingesetzt. Beim Fließbettreaktor wurde Sand mit einer Körnung von 0,1 bis 0,3 mm verwendet. Der benutzte Stoffaustauscher wies einen Schlauch aus Siliconkautschuk auf. Der Sauerstoffeintrag dieses Stoffaustauschers erhöhte sich in beiden Reaktoren mit der Fließgeschwindigkeit der Wasserphase.

Im Falle des Festbettreaktors (Fig. 3) steigt der 02~Eintrag durch Vergrößerung der Fließgeschwindigke¬ it ( 5m/h auf 30 m/h ) von 0,9 g O2 pro Stunde und m2 Austauscheroberfläche ( g 02/m^h) auf 2,0 g O^ m^h an.

Beim Fließbettreaktor (Fig. 4) führt die zunehmende Fließgeschwindigkeit und zunehmende Fließbettexpan¬ sion ebenfalls zu einer Vergrößerung des Sauerstoff¬ eintrags von 1,1 g Ü2 2h auf 1,7 g 02 m h. Die Fließbettexpansion erreicht bei einer Fließgeschwin¬ digkeit von 16 m/h die obere Grenze des Austauschers. Die Erhöhung der Fließgeschwindigkeit über diesen Wert vergrößert den Sauerstoffeintrag nur noch un¬ wesentlich.

In beide Fällen betrug der Sauerstoffpartialdruck P _Q? = 1 bar. Der Sauerstoffeintrag des Austauschers erhöht sich proportional mit einem Sauerstoffpartial¬ druck.