Im Gegenstrom reinigen

Dr. Lutz Haldenwang, Dipl.-Ing. Frank Henke, Dipl.-Ing. Olaf Klinger

Die Mehrzahl der organischen Verbindungen wirkt nicht toxisch auf Mikro- und Makroorganismen. Eine erhöhte organische Fracht in Gewässern führt jedoch wegen des starken Sauerstoffverbrauchs bei der mikrobiologischen Zersetzung zu einer massiven Störung des biologischen Gleichgewichtes. Für die als CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) und BSB (biologischer Sauerstoffbedarf) erfassten Summen organischer Stoffe im Abwasser gelten deshalb in Abhängigkeit von der Einleitung in Kläranlage oder Gewässer strenge Bestimmungen. Abwässer mit hohem Gehalt an biologisch schwer abbaubaren Verbindungen dürfen nicht oder nur gegen erhebliche Starkverschmutzerzuschläge in die Kanalisation eingeleitet werden. Viele Unternehmen sind gezwungen, ihre Produktionsabwässer in eigenen Anlagen zu reinigen. Dabei ist es sowohl bei der Vorbehandlung für Indirekteinleitung als auch zum Erreichen der Qualität für Direkteinleitung oder für eine Wiederverwendung des Wassers notwendig, die organische Belastung mit möglichst geringem Aufwand zu senken.

Herkömmliche Verfahren wie Flockung, Strippung, Aktivkohlefiltration und Membranprozesstechnik sind mit hohen Entsorgungskosten belastet, da sie nicht zu einer echten Zerlegung, sondern nur zu einer Verlagerung der organischen Verbindungen führen. Moderne chemisch-physikalische Technologien, beispielsweise die Elektrodialyse, die chemische Nassoxidation oder die thermische Behandlung organischer Stoffe bewirken zwar eine vollständige Mineralisierung der Verbindungen, verursachen aber aufgrund ihres hohen Energie- und Betriebsmittelverbrauchs hohe Betriebskosten. Da biotechnologischen Verfahren meist ein einfaches und weitgehend chemikalienfreies Verfahrensprinzip zugrunde liegt, gewinnen diese zunehmend an Bedeutung für die Wasserbehandlung. Beim aeroben Abbau setzen eine Vielzahl natürlich vorkommender Mikroorganismen die im Abwasser gelösten organischen Stoffe in Kohlendioxid, Wasser und Zellsubstanz um. Moderne Bioreaktoren wie Festbettreaktoren, Filter mit strukturierten Packungen oder Wirbelschichtreaktoren arbeiten mit hohen Biomassekonzentrationen auf kleinkörnigen Trägermaterialien und erreichen so große Raumabbauleistungen.

Die für den biologischen Abbau notwendige Sauerstoffmenge (BSB-Wert) beträgt bei stark belasteten Industrieabwässern mehrere Tausend Milligramm pro Liter. Die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser liegt bei 15 °C lediglich bei 10 mg/l und nimmt mit steigender Temperatur ab. Da die meisten Mikroorganismen die maximale Aktivität bei Temperaturen zwischen 25 und 35 °C erreichen, ist die Leistungsfähigkeit aerober Verfahren vom Eintrag der notwendigen Sauerstoffmenge abhängig. Ein kontinuierlicher Lufteintrag oder die Zugabe reinen Sauerstoffs führt wiederum zu erhöhten Betriebskosten. Hochbelastete Abwässer werden deshalb häufig mit anaeroben biologischen Verfahren behandelt.

Der Rieselstromreaktor (Abb. 1) bietet eine Alternative zu den herkömmlichen aeroben Verfahren. Mit diesem Prinzip lässt sich eine hohe Abbaugeschwindigkeit bei gleichzeitig niedrigen Verfahrenskosten realisieren. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird im Rieselstromreaktor die biologisch aktive Trägermaterialschüttung nicht mit Wasser eingestaut, sondern von oben nach unten gleichmäßig überrieselt (Abb. 2). Auf diese Weise muss der Sauerstoff nicht gegen den Druck des Wasserkörpers eingetragen werden, sondern wird mit Hilfe eines einfachen Ventilators über den Luftstrom von unten nach oben direkt an das Aufwuchsträgermaterial herangeführt. Da ein Kubikmeter Normalluft rund 286 g Sauerstoff enthält, reicht auch bei einer sehr hohen Abbaugeschwindigkeit die Zugabe einer geringen Luftmenge aus. Das feinkörnige, kugelförmige Trägermaterial aus Styropor besitzt eine große, raue Oberfläche und umwächst innerhalb weniger Tage mit einer an das jeweilige Abwasser optimal angepassten Mischpopulation natürlich vorkommender Bakterien. Aufgrund der niedrigen spezifischen Dichte des Materials bleibt die lockere Packung der Schüttung dauerhaft erhalten und schafft optimale Bedingungen für die Ausbildung einer aktiven aerosolartigen Atmosphäre.

Durch die kurzen Stoffübergangswege zwischen Mikroorganismen, Sauerstoff und abwärts rieselndem Abwasser lässt sich sowohl bei biologisch gut als auch bei biologisch schwer abbaubaren Verbindungen eine sehr hohe stabile Abbauleistung erzielen. Der demzufolge einfache Anlagenaufbau und das geringe Reaktionsvolumen führen zu niedrigen Investitionskosten für den Rieselstromreaktor. Schwankungen der Konzentration und der Durchflussmenge stören den Betrieb nicht, die Anlage muss jedoch auf die jeweiligen Spitzenwerte ausgelegt sein. Voraussetzung für ein optimiertes Investitionsvolumen ist deshalb eine Vergleichmäßigung des Rohwassers in Bezug auf Menge, Fracht und pH-Wert. Die Reaktoren werden in verschiedenen Baugrößen aus Polyethylen gefertigt, so dass grundsätzliche Probleme des Transportes, der Montage und des Korrosionsschutzes entfallen. Die Tabelle zeigt den Anlagenumfang und die Leistungsfähigkeit am Beispiel eines biologisch gut abbaubaren Abwassers aus der pharmazeutischen Industrie. Die Raumabbauleistung beträgt unter diesen Bedingungen 10 bis 12 kg CSB pro Kubikmeter Bruttoreaktorvolumen und Tag. Die Betriebskosten sind gering und setzen sich im Wesentlichen aus den Energiekosten für die Kreislaufpumpe zur optimalen Verrieselung des Abwassers und dem Ventilator zur kontinuierlichen Belüftung der Trägermaterialschüttung zusammen.

Das Trägermaterial wird in Abhängigkeit von der Rohwasserqualität im Abstand mehrerer Tage regeneriert. Dabei werden die überschüssige Biomasse sowie abfiltrierte Teilchen durch eine kurzzeitige Starkluftspülung abgerieben und aus dem System ausgetragen. Der Dünnschlamm bildet das einzige Nebenprodukt des Prozesses und lässt sich in Abhängigkeit von den gegebenen Bedingungen kompostieren oder abgeben.

Die Bioreaktoren zeichnen sich zudem durch eine hohe Betriebssicherheit aus. Aufgrund der hohen Biomassekonzentration in Form zahlreicher Zellschichten an der Oberfläche des Trägermaterials ist nach Betriebsruhe oder Produktionsstörungen die ursprüngliche Leistung nach wenigen Stunden wieder vollständig erreicht. Das Trägermaterial ist inert und muss nicht ausgetauscht werden. Im Abwasser enthaltene Teilchen bis zu 5 mm Durchmesser werden vom Rieselstromreaktor herausgefiltert und stören den Betrieb nicht. Zusätzlich zur Reduzierung des CSB- und BSB-Wertes und der Konzentration der Trübstoffe nimmt die Intensität des spezifischen Geruches stark ab. Bei Bedarf wird die Abluft am Kopf des Reaktors abgezogen und zusätzlich in einem biologischen Luftfilter gereinigt. Die Anlage lässt sich auch im Freien errichten. Das Trägermaterial aus Styropor verhindert durch die isolierende Wirkung sowohl eine Aufheizung des biologisch aktiven Bettes im Sommer als auch eine Abkühlung im Winter.

Das Prinzip des Rieselstromreaktors kann überall dort angewendet werden, wo mit organischen Verbindungen oder mit Ammonium belastete Abwässer und Abwasserkonzentrate vor Direkt- oder Indirekteinleitung mit möglichst niedrigem Aufwand behandelt werden sollen. Dies betrifft neben zahlreichen Betrieben der mittelständischen Industrie auch die Entsorgung kommunaler Abwässer aus dezentralen Objekten. Praxisanlagen und halbtechnische Anlagen sind unter anderem in unterschiedlichen Bereichen der Lebensmittelindustrie sowie in der Textilbehandlung und der chemischen Industrie in Betrieb. Der Aufbau im Modulsystem ermöglicht auch im Falle der oftmals anzutreffenden Unsicherheit über die tatsächliche Rohwasserbelastung des Betriebes eine optimale Anpassung der Anlagengröße an die gegebenen Bedingungen. Bei einer Steigerung der Produktion oder einer Verschärfung der Einleitebedingungen lässt sich die erste Ausbaustufe kurzfristig und problemlos um weitere Bioreaktoren ergänzen.

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