Projekt 07421/01

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

Projektträger

Technische Universität Hamburg-HarburgArbeitsbereich Gewässerreinigungstechnik
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21071 HamburgZielsetzung und Anlass des Vorhabens Kleine und mittlere Betriebe haben oft Probleme ihre kleinen Abwasserstr√∂me (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 erm√∂glicht eine effiziente Behandlung von Abw√§ssern, die sowohl biologisch als auch chemisch-physikalisch in einem Reaktor vorgenommen werden kann. Damit wird Betrieben eine kosteng√ľnstige M√∂glichkeit er√∂ffnet, eigene Abwasserstr√∂me weitest-gehend vorzureinigen und damit die Umwelt insbesondere hinsichtlich refrakt√§rer Stoffe zu entlasten. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt kann grunds√§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 F√ľllmaterialien , verschiedene Reaktionen (Nitrifikation, Denitrifikation) mittels einer Bioz√∂nose sowie erreichbare Reaktionsraten in Abh√§ngigkeit der Belastung. Die genannten Parameter sind hinsichtlich der hydraulischen Belastung zu untersuchen, da sich aus unterschiedlichen hydraulischen Belastungen verschiedene Str√∂mungseigenschaften des Reaktors (Pfropfenstr√∂mung, 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 √ľberschneiden. Die Phase 2 umfasst die Optimierung des Reaktors in der praktischen Anwendung: Hierf√ľr soll ein Kooperationspartner gefunden werden mit dem das Verfahren in die Praxis √ľberf√ľhrt und optimiert werden soll. In der Phase soll insbesondere die Sensibilit√§t des Verfahrens gegen√ľber St√∂rungen (Sto√übelastungen, toxische Einfl√ľsse) untersucht sowie steuerungstechnisch optimiert werden. Die Versuche sollen vor Ort an einem Teilstrom des zu behandelnden Abwassers vorgenommen werden. Die Verwendung des Systems l√§sst, durch die Kombination der biologischen Behandlung und der Filtration des Wassers in einem Reaktor, also einer weitestgehenden Abwasserreinigung f√ľr kleine und mittlere Betriebe, eine nachhaltige Umweltentlastung, insbesondere hinsichtlich schwer abbaubarer Substanzen, erwarten. Zur Ermittlung der Einfl√ľsse auf das Reinigungsverm√∂gen von Festbettreaktoren wurden Untersuchungen an einem Festbett zur Nitrifikation im halbtechnischen Ma√üstab durchgef√ľhrt. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf dem Verweilzeitverhalten des Reaktors, um neben den zahlreichen vorhandenen Erkenntnissen √ľber den Mikrokosmos Biofilm, Einsichten √ľber das Gesamtverhalten eines pfropfendurchstr√∂mten Festbettreaktors zu gewinnen. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf den Untersuchungen der Einfl√ľsse durch die Variierung der Betriebsparameter auf das Reinigungsverm√∂gen 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 gro√üen Einfluss auf die Dispersion im Festbettreaktor hat. Insbesondere hat die Luftgeschwindigkeit einen gro√üen Einfluss auf die Qualit√§t der Pfropfenstr√∂mung bei niedrigen Wassergeschwindigkeiten. So f√ľhren gro√üe Luftgeschwindigkeiten von qA,L = 20 m/h zu einer fast vollst√§ndigen Durchmischung im oberen Teil des Festbetts bei einer Wasserge-schwindigkeit von qA,W = 5 m/h. Die Pfropfenstr√∂mung ist unabh√§ngig von der Luftgeschwindigkeit am stabilsten bei Wassergeschwindigkeiten von qA,W = 10 bis 15 m/h. Wassergeschwindigkeiten von qA,W = 20 m/h f√ľhren wiederum zu einer Zunahme der Dispersion. Ein wesentliches Ergebnis der Verweilzeituntersuchungen ist die Ermittlung des Anteils des nicht konvektiv durchstr√∂mten Volumens. Dieser als Stagnationsvolumen bezeichnete Anteil weist eine hohe Abh√§ngigkeit von der Wassergeschwindigkeit auf. Bei niedrigen Wassergeschwindigkeiten (qA,W = 5 m/h) betr√§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 tr√§gt wesentlich zur Steigerung der Umsatzrate des Festbettreaktors bei. Die Nitrifikationsgeschwindigkeit konnte um bis zu 70 % allein durch Erh√∂hung 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 f√ľhrte zu einer Erh√∂hung der Umsatzrate um bis zu 80%. Es konnte gezeigt werden, dass eine Sto√übelastung durch eine 50%-ige Erh√∂hung der Zulaufkonzentration durch Variierung der Luftgeschwindigkeit vollst√§ndig abgefangen werden kann. Ergebnisse der Untersuchungen des Einflusses von Reinsauerstoff als Begasungsmedium ergaben eine m√∂gliche vierfache Steigerung der Umsatzrate. Aus den Ergebnissen zur Untersuchung des Reinigungsverm√∂gens kann gefolgert werden, dass es m√∂glich ist, einen Festbettreaktor zur Nitrifikation auf eine durchschnittliche Belastung auszulegen und Spitzenbelastungen durch die Flexibilit√§t der Leistung in Abh√§ngigkeit von den Betriebsparametern abzufangen. Die Leistung eines Festbettreaktors kann optimal durch die √Ąnderung 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. W√§hrend der Entleerphase des BFSBR k√∂nnen die Filtrationseigenschaften ungest√∂rt genutzt werden. Ergebnisse von Filtrationsversuchen zeigen einen R√ľckhalt von √ľber 90 % der zuflie√üenden Suspensa bei einer Wassergeschwindigkeit von qA,W = 10 m/h. Um die Ergebnisse auf den Abbau von Kohlenstoffverbindungen mit hoher Konzentration zu √ľbertragen bedarf es einer genaueren Erforschung des Stoffstroms des √úberschussschlamms eines Biofilmreaktors in Abh√§ngigkeit der Belastung. Hier besteht weiterhin Forschungsbedarf insbesondere der Filtrationseigenschaften und der notwendigen R√ľcksp√ľlzyklen. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden auf nationalen (Tagung zum Schutz der Nord- und Ostsee, L√ľbeck Travem√ľnde, Biofilmtagung, TUHH) sowie internationalen Tagungen (IAWQ-Tagung in M√ľnchen, IAWQ-Tagung in Varna) vorgestellt und in Fachzeitschriften (Water-science-technology) ver√∂ffentlicht. Fazit Mit den Ergebnissen des Forschungsvorhabens konnte gezeigt werden, dass Biofilmreaktoren entgegen den statischen Bemessungsans√§tzen sehr flexibel auf ver√§nderte Randbedingungen reagieren k√∂nnen. Das Vorgehen der schrittweisen Untersuchungen an halbtechnischen Anlagen hat sich bew√§hrt. Die Ergebnisse k√∂nnen nun fundiert einer technischen Realisierung zur Verf√ľgung stehen.

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Telefon

040/7718-3007

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Bundesland

Hamburg

Fördersumme

138.406,71 ‚ā¨

Förderzeitraum

30.04.1996 - 13.10.1999