Projekt 07421/01

Bemessung des Biofilm-Filter-Sequencing-Batch-Reaktors (BFSBR)

Projektdurchführung

Technische Universität Hamburg-HarburgArbeitsbereich Gewässerreinigungstechnik
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21071 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Kleine und mittlere Betriebe haben oft Probleme ihre kleinen Abwasserströme (vor-) zu reinigen. Notwendige Reinigungsschritte erfordern oft mehrstufige Anlagen, die hohe Investitions- und Betriebskosten verursachen. Ziel des Vorhabens ist die Ermittlung von Bemessungsparametern eines Reaktors, der mittels immobilisierter Biomasse sowohl als Schwebebett als auch als Festbett und als Filter im Sequencing-Batch-Verfahren betrieben werden kann. Dies ermöglicht eine effiziente Behandlung von Abwässern, die sowohl biologisch als auch chemisch-physikalisch in einem Reaktor vorgenommen werden kann. Damit wird Betrieben eine kostengünstige Möglichkeit eröffnet, eigene Abwasserströme weitest-gehend vorzureinigen und damit die Umwelt insbesondere hinsichtlich refraktärer Stoffe zu entlasten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt kann grundsätzlich in zwei Phasen unterteilt werden. In der Phase 1 sollen fundamentale Bemessungsparameter an einer halbtechnischen Versuchsanlage ermittelt werden: Die Bemessungspa-rameter umfassen die Wahl der Füllmaterialien , verschiedene Reaktionen (Nitrifikation, Denitrifikation) mittels einer Biozönose sowie erreichbare Reaktionsraten in Abhängigkeit der Belastung. Die genannten Parameter sind hinsichtlich der hydraulischen Belastung zu untersuchen, da sich aus unterschiedlichen hydraulischen Belastungen verschiedene Strömungseigenschaften des Reaktors (Pfropfenströmung, voll durchmischter Reaktor) ergeben. Eine einfache praxisnahe Steuerung des Verfahrens soll etabliert werden. Die Phase 1 soll einen Zeitraum von ca. 15 Monaten in Anspruch nehmen und sich mit Phase 2 um 3 bis 6 Monate überschneiden. Die Phase 2 umfasst die Optimierung des Reaktors in der praktischen Anwendung: Hierfür soll ein Kooperationspartner gefunden werden mit dem das Verfahren in die Praxis überführt und optimiert werden soll. In der Phase soll insbesondere die Sensibilität des Verfahrens gegenüber Störungen (Stoßbelastungen, toxische Einflüsse) untersucht sowie steuerungstechnisch optimiert werden. Die Versuche sollen vor Ort an einem Teilstrom des zu behandelnden Abwassers vorgenommen werden. Die Verwendung des Systems lässt, durch die Kombination der biologischen Behandlung und der Filtration des Wassers in einem Reaktor, also einer weitestgehenden Abwasserreinigung für kleine und mittlere Betriebe, eine nachhaltige Umweltentlastung, insbesondere hinsichtlich schwer abbaubarer Substanzen, erwarten. Zur Ermittlung der Einflüsse auf das Reinigungsvermögen von Festbettreaktoren wurden Untersuchungen an einem Festbett zur Nitrifikation im halbtechnischen Maßstab durchgeführt. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf dem Verweilzeitverhalten des Reaktors, um neben den zahlreichen vorhandenen Erkenntnissen über den Mikrokosmos Biofilm, Einsichten über das Gesamtverhalten eines pfropfendurchströmten Festbettreaktors zu gewinnen. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf den Untersuchungen der Einflüsse durch die Variierung der Betriebsparameter auf das Reinigungsvermögen eines nitrifizierenden Festbettreaktors. Variiert wurden die Wasser- und Luft-geschwindigkeiten sowie das Begasungsmedium.


Ergebnisse und Diskussion

Aus den Ergebnissen der Untersuchungen zum Verweilzeitverhalten kann zusammenfassend ausgesagt werden, dass eine Variierung der Betriebsparameter großen Einfluss auf die Dispersion im Festbettreaktor hat. Insbesondere hat die Luftgeschwindigkeit einen großen Einfluss auf die Qualität der Pfropfenströmung bei niedrigen Wassergeschwindigkeiten. So führen große Luftgeschwindigkeiten von qA,L = 20 m/h zu einer fast vollständigen Durchmischung im oberen Teil des Festbetts bei einer Wasserge-schwindigkeit von qA,W = 5 m/h. Die Pfropfenströmung ist unabhängig von der Luftgeschwindigkeit am stabilsten bei Wassergeschwindigkeiten von qA,W = 10 bis 15 m/h. Wassergeschwindigkeiten von qA,W = 20 m/h führen wiederum zu einer Zunahme der Dispersion.
Ein wesentliches Ergebnis der Verweilzeituntersuchungen ist die Ermittlung des Anteils des nicht konvektiv durchströmten Volumens. Dieser als Stagnationsvolumen bezeichnete Anteil weist eine hohe Abhängigkeit von der Wassergeschwindigkeit auf. Bei niedrigen Wassergeschwindigkeiten (qA,W = 5 m/h) beträgt dieser Anteil des Stagnationsvolumens ca. 25 %. Dieser sinkt mit zunehmender Wassergeschwindigkeit (qA,W = 20 m/h) auf einen Anteil von ca. 8 % ab. Die Minimierung des Stagnationsvolu-mens durch steigende Wassergeschwindigkeiten trägt wesentlich zur Steigerung der Umsatzrate des Festbettreaktors bei. Die Nitrifikationsgeschwindigkeit konnte um bis zu 70 % allein durch Erhöhung der Wassergeschwindigkeit von qA,W = 5 m/h auf qA,W = 15 m/h gesteigert werden. Eine Steigerung der Luftgeschwindigkeit von qA,L = 5 m/h auf qA,L = 20 m/h führte zu einer Erhöhung der Umsatzrate um bis zu 80%. Es konnte gezeigt werden, dass eine Stoßbelastung durch eine 50%-ige Erhöhung der Zulaufkonzentration durch Variierung der Luftgeschwindigkeit vollständig abgefangen werden kann. Ergebnisse der Untersuchungen des Einflusses von Reinsauerstoff als Begasungsmedium ergaben eine mögliche vierfache Steigerung der Umsatzrate.
Aus den Ergebnissen zur Untersuchung des Reinigungsvermögens kann gefolgert werden, dass es möglich ist, einen Festbettreaktor zur Nitrifikation auf eine durchschnittliche Belastung auszulegen und Spitzenbelastungen durch die Flexibilität der Leistung in Abhängigkeit von den Betriebsparametern abzufangen. Die Leistung eines Festbettreaktors kann optimal durch die Änderung der Verfahrenstrategie als Biofilm-Filter-Sequencing-Batch-Reaktor (BFSBR) genutzt werden. Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass zum Abbau hoher Konzentrationen innerhalb der ersten Phase des BFSBR (volldurchmischter Kreislaufbetrieb) im Vergleich zum Durchlaufverfahren die doppelte Umsatzrate durch optimierte Betriebsbedingungen erreicht werden kann. Während der Entleerphase des BFSBR können die Filtrationseigenschaften ungestört genutzt werden. Ergebnisse von Filtrationsversuchen zeigen einen Rückhalt von über 90 % der zufließenden Suspensa bei einer Wassergeschwindigkeit von qA,W = 10 m/h. Um die Ergebnisse auf den Abbau von Kohlenstoffverbindungen mit hoher Konzentration zu übertragen bedarf es einer genaueren Erforschung des Stoffstroms des Überschussschlamms eines Biofilmreaktors in Abhängigkeit der Belastung. Hier besteht weiterhin Forschungsbedarf insbesondere der Filtrationseigenschaften und der notwendigen Rückspülzyklen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden auf nationalen (Tagung zum Schutz der Nord- und Ostsee, Lübeck Travemünde, Biofilmtagung, TUHH) sowie internationalen Tagungen (IAWQ-Tagung in München, IAWQ-Tagung in Varna) vorgestellt und in Fachzeitschriften (Water-science-technology) veröffentlicht.


Fazit

Mit den Ergebnissen des Forschungsvorhabens konnte gezeigt werden, dass Biofilmreaktoren entgegen den statischen Bemessungsansätzen sehr flexibel auf veränderte Randbedingungen reagieren können. Das Vorgehen der schrittweisen Untersuchungen an halbtechnischen Anlagen hat sich bewährt. Die Ergebnisse können nun fundiert einer technischen Realisierung zur Verfügung stehen.