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EP1984101A1 - Reinigungsverfahren für abwässer - Google Patents

Reinigungsverfahren für abwässer

Info

Publication number
EP1984101A1
EP1984101A1 EP07711568A EP07711568A EP1984101A1 EP 1984101 A1 EP1984101 A1 EP 1984101A1 EP 07711568 A EP07711568 A EP 07711568A EP 07711568 A EP07711568 A EP 07711568A EP 1984101 A1 EP1984101 A1 EP 1984101A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filtration device
membrane
wastewater
microorganisms
ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP07711568A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Braun
Kay Gunther Gabriel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Itn Nanovation AG
Original Assignee
Itn Nanovation AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Itn Nanovation AG filed Critical Itn Nanovation AG
Publication of EP1984101A1 publication Critical patent/EP1984101A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/08—Prevention of membrane fouling or of concentration polarisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B01D63/082—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/02—Membrane cleaning or sterilisation ; Membrane regeneration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02—Inorganic material
    • B01D71/024—Oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02—Inorganic material
    • B01D71/024—Oxides
    • B01D71/025—Aluminium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/10—Packings; Fillings; Grids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/12—Activated sludge processes
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    • C02F3/1268—Membrane bioreactor systems
    • C02F3/1273—Submerged membrane bioreactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2315/00—Details relating to the membrane module operation
    • B01D2315/06—Submerged-type; Immersion type
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    • B01D65/04—Membrane cleaning or sterilisation ; Membrane regeneration with movable bodies, e.g. foam balls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F3/02—Aerobic processes
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to a filtration device for wastewater treatment, preferably for a sewage treatment plant, a sewage treatment plant with such a filtration device, a process for the purification of wastewater, especially sewage in a sewage treatment plant and the use of a ceramic-based membrane for the separation of microorganisms and possibly also of fine Solids from wastewater.
  • conventional wastewater treatment plants In addition to screen rakes and sedimentation tanks, which in a first step remove wastewater from coarse components, conventional wastewater treatment plants also contain an activated sludge tank and a secondary sedimentation tank. In the aeration tank, microorganisms are used to decompose faeces or other organic matter. The microorganisms used are again separated from the wastewater by sedimentation after the aeration tank in the secondary clarifier and z.T. returned to the aeration tank. A complete separation of the microorganisms is not possible by a sedimentation process, so that sometimes harmful microorganisms can get into the environment with the wastewater.
  • European Union water pollution control directives which have already been largely transposed into national law, however, provide throughout Europe for the exclusive release of biologically treated wastewater, which is essentially free of microorganisms, into the environment.
  • the separation of the microorganisms is usually carried out by fine filters that reliably separate microorganisms.
  • Small wastewater treatment plants are relatively widespread, consisting of a round concrete tank, which in turn is subdivided into three chambers (primary clarification / activated sludge tank / secondary clarification).
  • the primary treatment is used first to remove coarse constituents from the wastewater mechanically or by simple sedimentation.
  • the separated coarse components must be pumped out at regular intervals.
  • the activated sludge tank contains microorganisms that perform the biological purification
  • the secondary clarifier serves to separate the microorganisms entered and their return to the aeration tank and / or in the primary clarifier.
  • This equipment can be supplemented, for example, by a compressor which supplies oxygen to the activated sludge tank via a membrane pipe aerator and a submersible pump for conveying the excess sludge.
  • the wastewater In order to avoid that harmful microorganisms are introduced into the living soil zone or to allow treated wastewater to continue to be used as service water, the wastewater must therefore be additionally filtered.
  • a sewage treatment plant is described, the wastewater is filtered through submerged microfiltration membranes, to then pass it into a water heater and reuse.
  • a microfiltration device is used as a retrofit described sentence for a small sewage treatment plant, which is connected to the aeration tank, but before the actual operation of the sewage treatment plant.
  • organic filter membranes are used, which are arranged in modular form.
  • organic filter membranes have the disadvantage that they can be insufficiently regenerated or chemically cleaned, so that all these membranes must be renewed usually in relatively short periods ( ⁇ 1 year).
  • organic membranes have only limited mechanical stability, so that they can be easily damaged at higher fluid pressures.
  • filter membranes are also associated with the fundamental problem that deposits during the filtration on the outer surface of the membrane, a cover layer (the so-called fouling), which opposes the material to be filtered resistance. This leads to a drastic reduction of the filter performance up to the total blockage and thus to a total failure of the filter membrane.
  • the present invention has for its object to provide a simple and inexpensive solution for the purification of wastewater.
  • the focus should be in particular on the separation of microorganisms contained in wastewater.
  • Known from the prior art problems such as the aforementioned destruction of filter membranes by biological or mechanical action or the clogging of membranes and associated expensive purification steps should be largely avoided.
  • a filtration device according to the invention for wastewater treatment is intended in particular for use in a sewage treatment plant, in particular in a small sewage treatment plant. It is characterized in that it comprises at least one ceramic-based membrane for the separation of microorganisms.
  • a ceramic-based membrane is characterized by resistance to biological or chemical action as well as by high mechanical stability.
  • a filtration device according to the invention with ceramic-based membrane therefore can be used without problems in suspended bed process, especially in small wastewater treatment plants operated by the WSB® method. It easily resists the biological effect caused by the microorganisms and reliably separates them at the same time. Even fine solids and suspended matter can optionally be reliably separated. At the same time it is also more resistant to mechanical action, for example by floating in the aeration tank plastic carrier particles. This is particularly positive in terms of maintenance intervals and membrane life.
  • a membrane of a filtration device is preferably a membrane plate made of a porous ceramic.
  • the shape of the membrane plate is basically free. For example, round or rectangular membrane plates, matched to the particular individual case, may be preferred.
  • the membrane plate has a coating.
  • This preferably comprises at least one separating layer which consists at least partially, in some preferred embodiments substantially completely, of nanoscale particles.
  • the release layer has a proportion of nanoscale particles of at least 5 wt .-%, more preferably of at least 25 wt .-%, in particular of at least 40 wt .-%.
  • Particles having an average particle size of less than 1 .mu.m, preferably less than 500 nm, in particular nanoscale particles, are to be used. Re below 100 nm, more preferably below 50 nm. These sizes refer to values obtained by light scattering experiments.
  • the mentioned coating on the membrane plate consist exclusively of the at least one separating layer.
  • the coating also comprises at least one further porous layer which is arranged between the membrane plate and the at least one separating layer.
  • the at least one separating layer is preferably the outer layer on which substantially the separation of the microorganisms takes place.
  • the coating located on the membrane plate preferably has a thickness between 100 nm and 150 .mu.m, preferably between 500 nm and 100 .mu.m, in particular from about 25 .mu.m to 60 .mu.m. These values preferably also apply to the cases in which the coating consists of the at least one further porous layer and the at least one separating layer.
  • the thickness of the at least one separating layer is preferably in the range between 100 nm and 75 ⁇ m, in particular in the range between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m, in particular approximately 25 ⁇ m.
  • the thickness of the at least one further porous layer is preferably in the range between 100 nm and 75 ⁇ m, in particular in the range between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m, in particular approximately 25 ⁇ m.
  • the porous ceramic of the membrane plate (substrate) preferably has pores with a diameter between 100 nm and 10 .mu.m, more preferably between 500 nm and 6 .mu.m, in particular between 500 nm and 3 .mu.m.
  • the at least one further porous layer preferably has pores with a diameter between 500 nm and 2 ⁇ m, more preferably between 500 nm and 1 ⁇ m, in particular between 600 nm and 900 nm.
  • a separating layer preferably has pores with a diameter between 1 nm and 1400 nm, preferably between 50 nm and 500 nm, in particular between 50 nm and 300 nm, particularly preferably between 200 nm and 300 nm.
  • the pore size of possibly underlying layers does not generally affect the separation of the microorganisms directly. However, it is preferred that underlying layers have larger pores relative to the release layer. Particularly preferably, the pore size consists of a slope towards the outer separating layer. Thus, it is preferred that the pore sizes decrease toward the outside.
  • the size of the pores of the at least one further porous layer is between the size of the pores of the separation layer (lowest pore sizes) and the size of the pores of the membrane plate (has the largest pores). This applies in particular to the average values of the pore sizes within the layers (since the pore size within a layer is often not uniform, overlaps with respect to the absolute pore sizes may possibly occur, such that, for example, the size of the largest pores of the at least one separation Layer can exceed the size of the smallest pores of the at least one further porous layer).
  • the porous ceramic of the membrane plate is preferably a ceramic based on a metal oxide, in particular based on aluminum oxide.
  • oxidic ceramics such as alumina ceramics
  • nonoxidic ceramics may also be used in further preferred embodiments.
  • the nanoparticles of the separating layer are preferably oxidic nanoparticles, in particular aluminum oxide particles.
  • nanoparticles of zirconium dioxide or titanium dioxide or else mixtures of the abovementioned oxidic nanoparticles may be preferred in particular.
  • Zeolites are particularly well suited for particularly thin separating layers.
  • the nanoparticles may also be non-oxidic nanoparticles.
  • the membrane plate on the inside at least one channel for the discharge of purified wastewater.
  • a plurality of channels, preferably arranged parallel to one another, which extend uniformly over the interior of the membrane plate are preferred.
  • a filtration device according to the present invention preferably has at least 2 membrane plates. Depending on the individual case, the number of membrane plates can vary greatly. Thus, for the purification of relatively small amounts of wastewater filtration devices with 3 to 15, in particular 3-10 membrane plates may be preferred. If larger amounts of wastewater occur, however, filtration devices with several hundred membrane plates are also conceivable.
  • a filtration device according to the invention preferably has a modular construction, which allows to vary the number of membrane plates according to the respective requirements.
  • the at least two membrane plates are arranged substantially parallel to one another. It is further preferred that the distance between a plurality of membrane plates arranged substantially parallel to one another is essentially always the same.
  • a membrane plate in a filtration device can basically be chosen freely, depending on the individual case. The same applies in principle to the dimensions of a membrane plate, wherein the length or width of a membrane plate usually does not exceed 150 cm.
  • a rectangular membrane plate has a length of about 50 cm and a width of about 11 cm.
  • the thickness of a membrane plate in a filtration device according to the invention is generally preferably in the range between 0.15 mm and 20 mm, in particular between 0.5 mm and 10 mm. In a particularly preferred embodiment, a membrane plate has a thickness of about 6 mm.
  • a sewage treatment plant according to the invention is characterized in that it comprises at least one filtration device according to the present invention.
  • a sewage treatment plant according to the invention is preferably a small sewage treatment plant, in particular with a purification capacity for 1 to 5,000 persons (up to a population equivalent of 5,000).
  • the filtration device according to the invention has already been explained sufficiently. The relevant parts of the description are hereby incorporated by reference.
  • a treatment plant according to the present invention comprises at least one aeration tank for wastewater. In this biological purification of wastewater by microorganisms takes place.
  • At least one secondary settling tank for wastewater is connected downstream of the at least one activated sludge tank.
  • a filtration device according to the invention can be connected both directly to an aeration tank and to a secondary clarifier.
  • the present invention also encompasses a process for the purification of wastewater, in particular in a sewage treatment plant. This is characterized by the fact that located in the wastewater microorganisms are separated by means of at least one ceramic-based membrane.
  • the inventive method preferably comprises a biological purification of the wastewater by microorganisms in at least one activated sludge tank.
  • a method according to the present invention comprises a final clarification of the wastewater in at least one secondary clarifier.
  • a ceramic-based membrane as a filter for the separation of microorganisms from wastewater.
  • the ceramic-based membrane is a membrane plate made of a porous ceramic, which is provided with an optionally multi-layer coating comprising a separating layer which consists at least partially of nanoscale particles.
  • Fig. 1 Left: membrane plates for a preferred embodiment of the filtration device according to the invention with channels for the discharge of purified water. In each case, the outputs of a plurality of mutually parallel channels can be seen in the membranes. The channels are used to remove the purified wastewater.
  • FIG. 2 SEM image of a section through a membrane plate suitable according to the invention.
  • Three layers can be seen, namely the separating layer on the left, another porous layer in the middle and on the right a membrane plate made of a porous ceramic.
  • the layers and the membrane plate itself each consist of alumina.
  • the separating layer and the further porous layer each have a thickness of about 25 ⁇ m.
  • the thickness of the membrane plate is up to 3.25 mm.
  • the pore size decreases towards the separation layer from 4000 to 6000 nm (membrane plate) over approx. 800 nm (central further porous layer) to approx. 200 nm (separation layer).
  • FIG. 3 Filtration device according to the invention with ten membrane plates arranged parallel to one another.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtrationsvorrichtung zur Abwasserreinigung, vorzugsweise für eine Kläranlage, insbesondere für eine Kleinkläranlage, umfassend mindestens eine keramikbasierte Membran zur Abtrennung von Mikroorganismen, eine Kläranlage mit einer solchen Filtrationsvorrichtung, ein Verfahren zur Reinigung von Abwasser, insbesondere in einer Kläranlage, wobei sich im Abwasser befindliche Mikroorganismen mittels mindestens einer keramikbasierten Membran abgetrennt werden sowie die Verwendung einer keramikbasierten Membran als Filter zur Abtrennung von Mikroorganismen und ggf. feinen Feststoffen aus Abwässern.

Description

Beschreibung Reinigungsverfahren für Abwässer
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtrationseinrichtung zur Abwasserreinigung, vorzugsweise für eine Kläranlage, eine Kläranlage mit einer solchen Filtrationseinrichtung, ein Verfahren zur Reinigung von Abwasser, insbesondere von Abwasser in einer Kläranlage sowie die Verwendung einer keramikbasierten Membran zur Abtrennung von Mikroorganismen und ggf. auch von feinen Feststoffen aus Abwässern.
Neben Siebrechen und Absetzbecken, die in einem ersten Schritt Abwässer von Grobbestandteilen befreien, enthalten konventionelle Kläranlagen auch ein Belebungs- und ein Nachklärbecken. Im Belebungsbecken werden Mikroorganismen genutzt, um Fäkalien oder andere organische Stoffe zu zersetzen. Die eingesetzten Mikroorganismen werden im Anschluss an das Belebungsbecken im Nachklärbecken durch Sedimentation wieder vom Abwasser abgetrennt und z.T. in das Belebungsbecken zurückgeführt. Eine vollständige Abtrennung der Mikroorganismen ist durch einen Sedimentationsprozeß nicht möglich, so dass zum Teil gesundheitsschädliche Mikroorganismen mit dem Abwasser in die Umwelt gelangen können. Richtlinien der Europäischen Union zur Gewässerreinhaltung, die bereits weitgehend in nationales Recht umgewandelt wurden, sehen jedoch europaweit vor, dass ausschließlich biologisch geklärtes Abwasser, das im wesentlichen frei von Mikroorganismen ist, in die Umwelt abgelassen werden darf. Die Abtrennung der Mikroorganismen erfolgt in der Regel durch Feinfilter, die Mikroorganismen zuverlässig abtrennen.
In Deutschland sind vor allem in ländlichen Gebieten, insbesondere in Ostdeutschland, überwiegend aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen, derzeit schätzungsweise 5,3 Millionen Menschen nicht an das kommunale Abwassernetz angeschlossen. Für die Betroffenen galt in Folge der genannten EG-Richtlinien, dass sie bis zum 31.12.2005 entweder durch Anschluss an das kommunale Netz oder durch den Betrieb einer Kleinkläranlage versorgt sein müssen. Diese Situation schaffte einen hohen Bedarf an dezentralen Abwasseraufbereitungsanlagen, der bis heute anhält.
Relativ weit verbreitet sind Kleinkläranlagen, die aus einem runden Betonbehälter bestehen, der wiederum in drei Kammern (Vorklärung / Belebungsbecken / Nachklärung) unterteilt ist. Die Vorklärung wird genutzt, um zunächst mechanisch oder über einfache Sedimentation Grobbestandteile aus dem Abwasser zu entfernen. Die abgetrennten Grobbestandteile müssen in regelmäßigen Zeitabständen abgepumpt werden. Das Belebungsbecken enthält Mikroorganismen, die die biologische Reinigung vornehmen, das Nachklärbecken dient zum Abtrennen der eingetragenen Mikroorganismen und deren Zurückführung in das Belebungsbecken und/oder in das Vorklärbecken. Ergänzt werden kann diese Ausrüstung beispielsweise durch einen Verdichter, der dem Belebungsbecken über einen Membranrohrbelüfter Sauerstoff zuführt sowie eine Tauchmotorpumpe zur Förderung des Überschußschlammes.
In einem Belebungsbecken bildet sich im Laufe der Zeit überschüssiger Klärschlamm, der regelmäßig abgesaugt werden muss. Alternativ sind auch sogenannte Schwebebettverfahren bekannt, bei denen die Menge an Überschußschlamm in der Regel drastisch reduziert ist. Im Gegensatz zu dem klassischen Belebungsbecken arbeitet man bei Schwebebettverfahren mit freischwimmenden Kunststoffkörpern, die das Belebungsbecken fast vollständig ausfüllen können. Mikroorganismen finden sich dabei sowohl auf den Kunststoffkörpern als auch freischwebend im Wasser. In den letzten Jahren haben sich als Weiterentwicklung der bekannten Schwebebettverfahren verstärkt auch sogenannte WSB®-Verfahren (Wirbel-Schwebebett-Biofilmverfahren) etablieren können. Solche Verfahren sind beispielsweise in der DE 10127554 sowie in der DE 196 23 592 beschrieben. Auch bei diesen dienen Kunststoffkörper als Träger, auf denen sich die Mikroorganismen ansiedeln können. Die Mikroorganismen sind bei WSB®-Verfahren in der Regel allerdings fast vollständig auf dem Trägermaterial lokalisiert. Während bei Schwebebettverfahren ursprünglich ausschließlich anaerob (ohne Belüftung) gearbeitet wurde, werden bei WSB®-Verfahren durch den Eintrag von Luft die mit Mikroorganismen besiedelten Kunststoffträger optimal und gleichmäßig in der belebten Zone verteilt (bzw. „verwirbelt") und befinden sich in der Schwebe, wodurch es zu dem Namen Wirbel-Schwebe-Bett (WSB®) Verfahren kam. Auch bei stark schwankendem Zufluß, z.B. in der Urlaubszeit, bleibt das biologische System im Belebungsbecken immer intakt.
Auch bei einer Abwasseraufreinigung nach einem WSB®-Verfahren besteht jedoch das Problem, dass Mikroorganismen in die Umwelt herausgetragen werden, also keimhaltiges Abwasser in die belebte Bodenzone oder in einen Vorfluter eingeleitet wird.
Um zu vermeiden, dass schädliche Mikroorganismen in die belebte Bodenzone eingeleitet werden bzw. um zu ermöglichen, dass aufbereitetes Abwasser als Brauchwasser weiter Verwendung finden kann, muss das Abwasser daher zusätzlich filtriert werden.
So ist in der DE 19807890 eine Kläranlage beschrieben, deren Abwasser durch getauchte Mikrofiltrationsmembranen gefiltert wird, um es danach in einen Brauchwasserspeicher zu leiten und wieder zu verwerten. In der DE 20315451 wird eine Mikrofiltrationseinrichtung als Nachrüst- satz für eine Kleinkläranlage beschrieben, die nach dem Belebungsbecken, aber vor dem eigentlichen Ablauf der Kläranlage geschaltet ist.
In allen Fällen kommen dabei organische Filtermembrane zum Einsatz, die in Modulform angeordnet sind. Allerdings haben organische Filtermembranen den Nachteil, dass sie nur unzureichend regeneriert bzw. chemisch gereinigt werden können, so dass alle diese Membranen in der Regel in relativ kurzen Zeiträumen (< 1 Jahr) erneuert werden müssen. Zudem weisen organische Membranen nur eine eingeschränkte mechanische Stabilität auf, so dass sie bei höheren Flüssigkeitsdrücken leicht beschädigt werden können. Besonders gravierend gestaltet sich die Verwendung von organischen Membranen beim den bereits erwähnten Schwebebettverfahren, insbesondere beim WSB®-Verfahren, da bei diesen durch die Kunststoffträgerteilchen, die im Belebungsbecken frei beweglich sind, mechanische Defekte an der organischen Membran verursacht werden können, durch die die wenig stabilen organischen Filtermembranen innerhalb von kurzer Zeit zerstören werden können.
Die Verwendung von Filtermembranen ist zudem mit dem grundsätzlichen Problem verknüpft, dass sich während der Filtration an der Außenfläche der Membran eine Deckschicht abscheidet (das sogenannte Fouling), die dem zu filtrierenden Gut einen Widerstand entgegenstellt. Dies führt zu einer drastischen Reduzierung der Filterleistung bis hin zur totalen Verstopfung und somit zu einem Totalausfall der Filtermembran.
Zum Ablösen dieser Deckschicht auf der Membran bedarf es einer regelmäßigen Reinigung. Dabei wird der Permeatstrom umgekehrt, so dass das vorher gefilterte Wasser nun entgegengesetzt wieder durch die Filtermembran gedrückt wird (Rückspülung). Dadurch wird die Deckschicht zumindest teilweise abgelöst, wodurch die Effizienz der Filterleistung für eine gewisse Zeit wieder erhöht ist. Allerdings erfordert dieses Vorgehen in der Regel ein separates Equipment. Zudem wird die Reini- gung mit einem Verlust an bereits gefiltertem Wasser erkauft, was die Effizienz des Gesamtsystems stark herabsetzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Lösung zur Reinigung von Abwässern bereitzustellen. Der Fokus soll dabei insbesondere auf der Abtrennung von in Abwässern enthaltenen Mikroorganismen liegen. Aus dem Stand der Technik bekannte Probleme wie die genannte Zerstörung von Filtermembranen durch biologische oder mechanische Einwirkung oder die Verstopfung von Membranen und damit verbundene aufwendige Reinigungsschritte sollen dabei weitestgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Filtrationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , die Kläranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 15, das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 sowie die Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 23. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 dargestellt. Die abhängigen Ansprüche 16 und 17 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kläranlage. In den Unteransprüchen 19 bis 22 und 24 sind bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Verwendung dargestellt. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung zur Abwasserreinigung ist insbesondere für den Gebrauch in einer Kläranlage, insbesondere in einer Kleinkläranlage, vorgesehen. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie mindestens eine keramikbasierte Membran zur Abtrennung von Mikroorganismen umfasst. Eine keramikbasierte Membran zeichnet sich durch Resistenz gegenüber biologischer oder chemischer Einwirkung sowie durch hohe mechanische Stabilität aus. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten organischen Filtermembranen, die bislang Anwendung in Kleinkläranlagen fanden, lässt sich eine erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung mit keramikbasierter Membran daher problemlos auch in Schwebebettverfahren, insbesondere auch in nach dem WSB®- Verfahren betriebenen Kleinkläranlagen einsetzen. Sie widersteht problemlos der durch die Mikroorganismen verursachten biologischen Einwirkung und trennt diese zugleich zuverlässig ab. Auch feine Fest- und Schwebstoffe können gegebenenfalls zuverlässig abgetrennt werden. Zugleich ist sie auch resistenter gegenüber mechanischer Einwirkung, beispielsweise durch im Belebungsbecken schwimmenden Kunststoffträgerteilchen. Dies macht sich im Hinblick auf Wartungsintervalle und Lebensdauer der Membran besonders positiv bemerkbar.
Bevorzugt handelt es sich bei einer Membran einer erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung um eine Membranplatte aus einer porösen Keramik. In der Wahl der Form der Membranplatte ist man grundsätzlich frei. So können etwa runde oder rechteckige Membranplatten, abgestimmt auf den jeweiligen Einzelfall, bevorzugt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Membranplatte eine Be- schichtung auf. Diese umfasst vorzugsweise mindestens eine Trennschicht, die mindestens teilweise, in einigen bevorzugten Ausführungsformen im wesentlichen vollständig, aus nanoskaligen Partikeln besteht. Vorzugsweise weist die Trennschicht einen Anteil an nanoskaligen Partikeln von mindestens 5 Gew.-% auf, besonders bevorzugt von mindestens 25 Gew.-%, insbesondere von mindestens 40 Gew.-%.
Unter nanoskaligen Partikeln sollen dabei Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von unter 1 μm, vorzugsweise unter 500 nm, insbesonde- re unter 100 nm, besonders bevorzugt unter 50 nm, verstanden werden. Diese Größenangaben beziehen sich auf Werte, die mittels Lichtstreungsexperimenten gewonnen wurden.
Erfindungsgemäß kann die erwähnte Beschichtung auf der Membran- platte ausschließlich aus der mindestens einen Trennschicht bestehen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beschichtung aber noch mindestens eine weitere poröse Schicht, die zwischen der Membranplatte und der mindestens einen Trennschicht angeordnet ist. Bei der mindestens einen Trennschicht handelt es sich dabei bevorzugt um die außenliegende Schicht, an der im wesentlichen die Abtrennung der Mikroorganismen erfolgt.
Die auf der Membranplatte befindliche Beschichtung weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 100 nm und 150 μm, vorzugsweise zwischen 500 nm und 100 μm, insbesondere von ca. 25 μm bis 60 μm, auf. Diese Werte gelten vorzugsweise auch für die Fälle, bei denen die Beschichtung aus der mindestens einen weiteren porösen Schicht und der mindestens einenTrennschicht besteht.
Die Dicke der mindestens einen Trennschicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 nm und 75 μm, insbesondere im Bereich zwischen 5 μm und 50 μm, insbesondere bei ca. 25 μm.
Die Dicke der mindestens einen weiteren porösen Schicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 nm und 75 μm, insbesondere im Bereich zwischen 5 μm und 50 μm, insbesondere bei ca. 25 μm.
Die poröse Keramik der Membranplatte (Substrat) weist vorzugsweise Poren mit einem Durchmesser zwischen 100 nm und 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 500 nm und 6 μm, insbesondere zwischen 500 nm und 3 μm, auf. Die mindestens eine weitere poröse Schicht weist vorzugsweise Poren mit einem Durchmesser zwischen 500 nm und 2 μm, besonders bevorzugt zwischen 500 nm und 1 μm, insbesondere zwischen 600 nm und 900 nm, auf.
Im Falle einer mit mindestens einer Trennschicht versehenen Membran- platte ist insbesondere die Porengröße der mindestens einen Trennschicht für die Abtrennung der Mikroorganismen sehr wichtig. Bevorzugt weist eine Trennschicht Poren mit einem Durchmesser zwischen 1 nm und 1400 nm, vorzugsweise zwischen 50 nm und 500 nm, insbesondere zwischen 50 nm und 300 nm, besonders bevorzugt zwischen 200 nm und 300 nm, auf.
Die Porengröße ggf. darunterliegender Schichten beeinflusst die Abtrennung der Mikroorganismen in der Regel nicht unmittelbar. Allerdings ist es bevorzugt, dass darunterliegende Schichten im Verhältnis zur Trennschicht größere Poren aufweisen. Besonders bevorzugt besteht die Porengröße betreffend ein Gefälle zur außenliegenden Trennschicht hin. So ist es bevorzugt, dass nach außen hin die Porengrößen sinken.
In bevorzugten Ausführungsformen mit mindestens einer weiteren porösen Schicht zwischen der mindestens einen Trennschicht und der Membranplatte liegt die Größe der Poren der mindestens einen weiteren porösen Schicht zwischen der Größe der Poren der Trennschicht (geringste Porengrößen) und der Größe der Poren der Membranplatte (hat die größten Poren). Dies gilt insbesondere für die Mittelwerte der Porengrößen innerhalb der Schichten (da die Porengröße innerhalb einer Schicht oft nicht einheitlich ist, kann es gegebenenfalls zu Überlappungen im Hinblick auf die absoluten Porengrößen kommen, so dass beispielweise die Größe der größten Poren der mindestens einen Trenn- Schicht die Größe der kleinsten Poren der mindestens einen weiteren porösen Schicht überschreiten kann).
Bei der porösen Keramik der Membranplatte handelt es sich vorzugsweise um eine Keramik auf Basis eines Metalloxids, insbesondere auf Basis von Aluminiumoxid. Neben oxidischen Keramiken wie Aluminiumoxidkeramiken können in weiteren bevorzugten Ausführungsformen auch nichtoxidische Keramiken zum Einsatz kommen.
Bei den Nanopartikeln der Trennschicht handelt es sich vorzugsweise um oxidische Nanopartikel, insbesondere um Aluminiumoxid-Partikel. Daneben können insbesondere auch Nanopartikel aus Zirkoniumdioxid oder Titandioxid oder auch Mischungen aus den genannten oxidischen Nanopartikeln bevorzugt sein. Für besonders dünne Trennschichten sind insbesondere Zeolithe sehr gut geeignet. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann es sich bei den Nanopartikeln auch um nichtoxidische Nanopartikel handeln.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung weist die Membranplatte innenliegend mindestens einen Kanal zur Ableitung von gereinigtem Abwasser auf. Bevorzugt sind jedoch mehrere, vorzugsweise parallel zueinander angeordnete Kanäle, die sich gleichmäßig über den Innenraum der Membranplatte erstrecken.
Eine Filtrationsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise mindestens 2 Membranplatten auf. Abhängig vom Einzelfall kann die Anzahl der Membranplatten sehr stark variieren. So können zur Reinigung relativ geringer Mengen an Abwasser Filtrationsvorrichtungen mit 3 bis 15, insbesondere 3 - 10 Membranplatten bevorzugt sein. Fallen größere Mengen an Abwasser an, so sind jedoch auch Filtrationsvorrichtungen mit mehreren hundert Membranplatten denkbar. Eine erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung weist vorzugsweise einen modularen Aufbau auf, der es erlaubt, die Anzahl der Membranplatten entsprechend den jeweiligen Anforderungen zu variieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung sind die mindestens 2 Membranplatten im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Dabei ist es weiter bevorzugt, dass der Abstand zwischen mehreren, im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Membranplatten im wesentlichen immer der gleiche ist.
Wie bereits angesprochen wurde, kann die Form einer Membranplatte in einer erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung grundsätzlich, abhängig vom Einzelfall, frei gewählt werden. Gleiches gilt grundsätzlich auch für die Dimensionen einer Membranplatte, wobei die Länge bzw. Breite eine Membranplatte in der Regel 150 cm nicht übersteigt. So weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine rechteckige Membranplatte eine Länge von ca. 50 cm und eine Breite von ca. 11 cm auf.
Die Dicke einer Membranplatte in einer erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung liegt dabei in der Regel vorzugsweise im Bereich zwischen 0,15 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 10 mm. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist eine Membranplatte eine Dicke von ca. 6 mm auf.
Eine erfindungsgemäße Kläranlage zeichnet sich dadurch aus, dass sie mindestens eine Filtrationsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung aufweist. Vorzugsweise handelt es sich bei einer erfindungsgemäßen Kläranlage um eine Kleinkläranlage, insbesondere mit einer Reinigungsleistung für 1 bis 5000 Personen (bis zu einem Einwohnerwert von 5000). Die erfindungsgemäße Filtrationseinrichtung wurde bereits hinlänglich erläutert. Auf die entsprechenden Stellen der Beschreibung wird hiermit verwiesen und ausdrücklich Bezug genommen.
Vorzugsweise weist eine Kläranlage nach der vorliegenden Erfindung mindestens ein Belebungsbecken für Abwasser auf. In diesem findet eine biologische Reinigung des Abwassers durch Mikroorganismen statt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kläranlage ist dem mindestens einen Belebungsbecken mindestens ein Nachklärbecken für Abwasser nachgeschaltet.
Eine erfindungsgemäße Filtrationseinrichtung kann dabei sowohl direkt an ein Belebungsbecken angeschlossen sein als auch an ein Nachklärbecken.
Wie schon erwähnt wurde, umfasst die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Reinigung von Abwasser, insbesondere in einer Kläranlage. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass sich im Abwasser befindende Mikroorganismen mittels mindestens einer keramikbasierten Membran abgetrennt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorzugsweise eine biologische Reinigung des Abwassers durch Mikroorganismen in mindestens einem Belebungsbecken.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung eine Nachklärung des Abwassers in mindestens einem Nachklärbecken. Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer keramikbasierten Membran als Filter zur Abtrennung von Mikroorganismen aus Abwässern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verwendung handelt es sich bei der keramikbasierten Membran um eine Membranplatte aus einer porösen Keramik, die mit einer ggf. mehrlagigen Be- schichtung versehen ist, die eine Trennschicht umfasst, welche mindestens teilweise aus nanoskaligen Partikeln besteht.
Sowohl die Membranplatte als auch die die Trennschicht umfassende Beschichtung wurde im Rahmen der Erläuterungen der erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung beschrieben. Entsprechend erfolgt auch hier der Verweis auf die relevanten Stellen der Beschreibung.
Die genannten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des nun folgenden Beispiels und der Abbildungen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Dabei können die einzelnen Merkmale der Erfindung für sich allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Beispiele und Abbildungen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
In den Abbildungen zeigen:
Fig. 1 : Links: Membranplatten für eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filtrationseinrichtung mit Kanälen zur Abführung von gereinigtem Wasser. Es sind jeweils die Ausgänge mehrerer parallel zueinander angeordneter Kanäle in den Membranen zu erkennen. Die Kanäle dienen der Abführung des gereinigten Abwassers. Rechts: Mikroskopischer Ausschnitt eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäß geeignete Membranplatte. Im unteren Bereich (dunkel) erkennt man die relativ grobkörnige Struktur der porösen Keramik der Membranplatte. Oben (hell) erkennt man die wesentlich feinere Struktur einer dünnen Beschichtung (hier nur bestehend aus einer Trennschicht) auf der porösen Keramik.
Fig. 2: REM-Aufnahme eines Schnittes durch eine erfindungsgemäß geeignete Membranplatte. Zu erkennen sind drei Schichten, nämlich links die Trennschicht, mittig eine weitere poröse Schicht und rechts eine Membranplatte aus einer porösen Keramik. Die Schichten und die Membranplatte selbst bestehen jeweils aus Aluminiumoxid. Die Trennschicht und die weitere poröse Schicht weisen jeweils eine Dicke von ca. 25 μm auf. Die Dicke der Membranplatte beträgt bis zu 3,25 mm. Die Porengröße sinkt zur Trennschicht hin von 4000 bis 6000 nm (Membranplatte) über ca. 800 nm (mittige weitere poröse Schicht) auf ca. 200 nm (Trennschicht).
Fig. 3: Erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung mit zehn parallel zueinander angeordneten Membranplatten.
Beispiel
In einem Langzeitversuch wurde untersucht, wie stabil sich eine erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung im Betrieb (Schwebebettverfahren) verhält. Dabei kamen Formkörper aus Kunststoff (K1 Biofilm Carrier E- lements der Firma Kaldness, 3103 Tonsberg, Norwegen) ständig mit der Membran einer erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung in Kontakt. Auch nach mehreren Wochen konnten allerdings weder Beschädigungen noch Abnutzungen der Membran festgestellt werden und auch der Membrandurchsatz war sehr zufriedenstellend.

Claims

Patentansprüche
1. Filtrationsvorrichtung zur Abwasserreinigung, vorzugsweise für eine Kläranlage, insbesondere für eine Kleinkläranlage, umfassend mindestens eine keramikbasierte Membran zur Abtrennung von Mikroorganismen.
2. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Membran um eine Membranplatte aus einer porösen Keramik handelt.
3. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranplatte eine Beschichtung aufweist, die eine Trennschicht umfasst, die mindestens teilweise aus nanoskaligen Partikeln besteht.
4. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mindestens eine weitere poröse Schicht umfasst, die zwischen der Membranplatte und der Trennschicht angeordnet ist.
5. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke zwischen 100 nm und 150 μm, vorzugsweise zwischen 500 nm und 100 μm, insbesondere von ca. 25 μm bis 60 μm, aufweist.
6. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Keramik der Membranplatte Poren mit einem Durchmesser zwischen 100 nm und 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 500 nm und 6 μm, insbesondere zwischen 500 nm und 3 μm, aufweist.
7. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht Poren mit einem Durchmesser zwischen 1 nm und 1400 nm, vorzugsweise zwischen 50 nm und 300 nm, besonders bevorzugt zwischen 200 nm und 300 nm, aufweist.
8. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der porösen Keramik der Membranplatte um eine oxidische Keramik, insbesondere auf Basis von Aluminiumoxid, handelt.
9. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nanopartikeln der Trennschicht um oxidische Nanopartikel handelt, die vorzugsweise aus der Gruppe mit Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Titandioxid und Mischungen daraus ausgewählt sind.
10. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranplatte innenliegend mindestens einen Kanal zur Ableitung von gereinigtem Abwasser aufweist.
1 1. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens 2 Membranplatten aufweist.
12. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens 2 Membranplatten im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
13. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen mehreren, im wesentlichen parallel zu- einander angeordneten Membranplatten im wesentlichen immer der gleiche ist.
14. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranplatte einen Dicke zwischen 0,15 mm und 20 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 10 mm, insbesondere von ca. 6 mm, aufweist.
15. Kläranlage, insbesondere Kleinkläranlage, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist.
16. Kläranlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Belebungsbecken für Abwasser aufweist.
17. Kläranlage nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Nachklärbecken für Abwasser aufweist.
18. Verfahren zur Reinigung von Abwasser, insbesondere in einer Kläranlage, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Abwasser befindende Mikroorganismen mittels mindestens einer keramikbasierten Membran abgetrennt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, umfassend eine biologische Reinigung des Abwassers durch Mikroorganismen in mindestens einem Belebungsbecken.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, umfassend eine Nachklärung des Abwassers in mindestens einem Nachklärbecken.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen mit mindestens einer Filtrationsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 aus dem Abwasser abgetrennt werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen mit einer Filtrationsvorrichtung mit parallel zueinander angeordneten Membranplatten abgetrennt werden.
23. Verwendung einer keramikbasierten Membran als Filter zur Abtrennung von Mikroorganismen aus Abwässern.
24. Verwendung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der keramikbasierten Membran um eine Membranplatte aus einer porösen Keramik handelt, die mit einer ggf. mehrlagigen Be- schichtung versehen ist, die eine Trennschicht umfasst, welche mindestens teilweise aus nanoskaligen Partikeln besteht.
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