Projekt 07421/01

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

ProjektdurchfĂŒhrung

Technische UniversitÀt Hamburg-HarburgArbeitsbereich GewÀsserreinigungstechnik
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21071 Hamburg
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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 AbwĂ€ssern, die sowohl biologisch als auch chemisch-physikalisch in einem Reaktor vorgenommen werden kann. Damit wird Betrieben eine kostengĂŒnstige Möglichkeit eröffnet, eigene Abwasserströme weitest-gehend vorzureinigen und damit die Umwelt insbesondere hinsichtlich refraktĂ€rer Stoffe zu entlasten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt kann grundsĂ€tzlich 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 FĂŒllmaterialien , verschiedene Reaktionen (Nitrifikation, Denitrifikation) mittels einer Biozönose sowie erreichbare Reaktionsraten in AbhĂ€ngigkeit 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 ĂŒberschneiden. Die Phase 2 umfasst die Optimierung des Reaktors in der praktischen Anwendung: HierfĂŒr soll ein Kooperationspartner gefunden werden mit dem das Verfahren in die Praxis ĂŒberfĂŒhrt und optimiert werden soll. In der Phase soll insbesondere die SensibilitĂ€t des Verfahrens gegenĂŒber Störungen (Stoßbelastungen, toxische EinflĂŒsse) untersucht sowie steuerungstechnisch optimiert werden. Die Versuche sollen vor Ort an einem Teilstrom des zu behandelnden Abwassers vorgenommen werden. Die Verwendung des Systems lĂ€sst, durch die Kombination der biologischen Behandlung und der Filtration des Wassers in einem Reaktor, also einer weitestgehenden Abwasserreinigung fĂŒr kleine und mittlere Betriebe, eine nachhaltige Umweltentlastung, insbesondere hinsichtlich schwer abbaubarer Substanzen, erwarten. Zur Ermittlung der EinflĂŒsse auf das Reinigungsvermögen von Festbettreaktoren wurden Untersuchungen an einem Festbett zur Nitrifikation im halbtechnischen Maßstab durchgefĂŒhrt. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf dem Verweilzeitverhalten des Reaktors, um neben den zahlreichen vorhandenen Erkenntnissen ĂŒber den Mikrokosmos Biofilm, Einsichten ĂŒber das Gesamtverhalten eines pfropfendurchströmten Festbettreaktors zu gewinnen. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf den Untersuchungen der EinflĂŒsse 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 QualitĂ€t der Pfropfenströmung bei niedrigen Wassergeschwindigkeiten. So fĂŒhren große Luftgeschwindigkeiten von qA,L = 20 m/h zu einer fast vollstĂ€ndigen Durchmischung im oberen Teil des Festbetts bei einer Wasserge-schwindigkeit von qA,W = 5 m/h. Die Pfropfenströmung ist unabhĂ€ngig von der Luftgeschwindigkeit am stabilsten bei Wassergeschwindigkeiten von qA,W = 10 bis 15 m/h. Wassergeschwindigkeiten von qA,W = 20 m/h fĂŒhren 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 AbhĂ€ngigkeit von der Wassergeschwindigkeit auf. Bei niedrigen Wassergeschwindigkeiten (qA,W = 5 m/h) betrĂ€gt 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 trĂ€gt 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 fĂŒhrte 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 vollstĂ€ndig 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 FlexibilitĂ€t der Leistung in AbhĂ€ngigkeit 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. WĂ€hrend der Entleerphase des BFSBR können die Filtrationseigenschaften ungestört genutzt werden. Ergebnisse von Filtrationsversuchen zeigen einen RĂŒckhalt von ĂŒber 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 ĂŒbertragen bedarf es einer genaueren Erforschung des Stoffstroms des Überschussschlamms eines Biofilmreaktors in AbhĂ€ngigkeit der Belastung. Hier besteht weiterhin Forschungsbedarf insbesondere der Filtrationseigenschaften und der notwendigen RĂŒckspĂŒlzyklen.


Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation

Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden auf nationalen (Tagung zum Schutz der Nord- und Ostsee, LĂŒbeck TravemĂŒnde, Biofilmtagung, TUHH) sowie internationalen Tagungen (IAWQ-Tagung in MĂŒnchen, 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 BemessungsansĂ€tzen sehr flexibel auf verĂ€nderte Randbedingungen reagieren können. Das Vorgehen der schrittweisen Untersuchungen an halbtechnischen Anlagen hat sich bewĂ€hrt. Die Ergebnisse können nun fundiert einer technischen Realisierung zur VerfĂŒgung stehen.

Übersicht

Fördersumme

138.406,71 €

Förderzeitraum

30.04.1996 - 13.10.1999

Bundesland

Hamburg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik