CH685198A5

CH685198A5 - Method and apparatus for the biological purification of waste water.

Info

Publication number: CH685198A5
Application number: CH3738/91A
Authority: CH
Inventors: Stefan Pape; Judith Schulz; Jerzy Mackowiak
Original assignee: Envicon Klaertech Verwalt
Priority date: 1991-01-30
Filing date: 1991-12-17
Publication date: 1995-04-28
Also published as: ATA1892A; NL9200108A; AT399495B; DE4102685A1; DE4102685C2

Description

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Abwässern. Dabei umfasst die Erfindung alle Arten der biologischen Abwasserreinigung, also zum Beispiel anaerobe Verfahren ebenso wie aerobe Verfahren und erstreckt sich gleichermassen zum Beispiel auf Festbettreaktoren oder Belebungsbecken. The invention relates to a method and a device for the biological purification of waste water. The invention encompasses all types of biological wastewater treatment, for example anaerobic processes as well as aerobic processes, and extends equally to fixed bed reactors or aeration tanks, for example.

In der Abwassertechnik ist es generell das Ziel, einen möglichst grossen Teil organischer Inhaltsstoffe des Abwassers in mineralische Endprodukte wie CO2 und H2O zu überführen. Beim Abbau organischer Substanzen werden die energiereichen, hochmolekularen Produkte umgesetzt. In wastewater technology, the general goal is to convert as much of the organic matter in the wastewater as possible into mineral end products such as CO2 and H2O. When organic substances are broken down, the high-energy, high-molecular products are converted.

Bei der aeroben Wasserreinigung werden die organischen Stoffe von den aeroben Bakterien durch Stoffwechselschritte bis zu den genannten anorganischen Endprodukten CO2 und H2O veratmet (oxi-diert). Dabei werden etwa 50% des im Abwasser vorhandenen Kohlenstoffs zu CO2 umgesetzt, das als Abluft anfällt. Die andere Hälfte des Kohlenstoffs bleibt in organischer Form im Klärschlamm. In aerobic water purification, the organic substances are breathed (oxidized) by the aerobic bacteria through metabolic steps up to the named inorganic end products CO2 and H2O. Around 50% of the carbon in the wastewater is converted into CO2, which is produced as exhaust air. The other half of the carbon remains in organic sludge.

Unter anaeroben Bedingungen werden die hochmolekularen organischen Substanzen des Abwassers überwiegend vergoren und nicht veratmet. Organische Stoffe werden dabei nur bis zu Zwischenprodukten wie Säuren und Alkoholen abgebaut. Im Vergleich zu den anorganischen Endprodukten beim aeroben Abbau ist der gewünschte Abbau hier jedoch noch nicht ausreichend. Deshalb wird bei anaeroben Abwassertechniken ein weitergehender Umsatz zu Biogas (CH4, CO2) angestrebt, das aus dem Abwasser entweicht und die Kohlenstoffbelastung des Abwassers entsprechend verringert. Under anaerobic conditions, the high-molecular organic substances in the wastewater are mostly fermented and not breathed. Organic substances are only broken down into intermediate products such as acids and alcohols. In comparison to the inorganic end products in aerobic degradation, the desired degradation is not yet sufficient here. For this reason, anaerobic wastewater technology aims to further convert to biogas (CH4, CO2), which escapes from the wastewater and accordingly reduces the carbon pollution in the wastewater.

Beim sogenannten zweistufigen anaeroben Abbau fallen als Zwischenprodukte Säuren, Alkohole, CO2 und H2 an. In einem zweiten Abbauschritt setzen anaerobe Methanbakterien die Säuren hauptsächlich zu Methan und CO2 um. Der Abbau eines komplexen organischen Stoffes zu Methan kann jedoch nur so schnell und in dem Umfang erfolgen, wie für die methanogenen Bakterien verwertbare Substrate bereitstehen. In the so-called two-stage anaerobic degradation, acids, alcohols, CO2 and H2 are obtained as intermediates. In a second degradation step, anaerobic methane bacteria mainly convert the acids to methane and CO2. However, the decomposition of a complex organic substance to methane can only take place as quickly and to the extent that substrates available for the methanogenic bacteria are available.

Bei der anaeroben Wasserbehandlung wird angestrebt, 90 bis 95% des Kohlenstoffs in Biogas umzuwandeln, während der Rest im Überschussschlamm anfällt. Das Biogas selbst enthält wiederum ca. 30% CO2, je nachdem, wie der Abbauprozess geführt wird. Anaerobic water treatment aims to convert 90 to 95% of the carbon into biogas, while the rest is generated in excess sludge. The biogas itself contains around 30% CO2, depending on how the decomposition process is carried out.

Aus Vorstehendem ergibt sich, dass angesichts der riesigen Abwassermengen, die täglich gereinigt werden, entsprechend grosse Mengen an CO2 in die Atmosphäre abgegeben werden. Für den Bereich Westdeutschland wurden dabei über 1 000 000 Tonnen CCte/Jahr errechnet. CO2 muss jedoch als Schadstoff bewertet werden, dessen in die Atmosphäre abgegebenen Mengen zu begrenzen sind. It follows from the above that, given the huge amounts of wastewater that are cleaned every day, correspondingly large amounts of CO2 are released into the atmosphere. Over 1,000,000 tonnes of CCte / year were calculated for the West Germany area. However, CO2 must be assessed as a pollutant, the amounts of which are released into the atmosphere must be limited.

Der vorliegenden Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, eine Entsorgungs- und Verwertungsmöglichkeit für das bei der Abwasserreinigung anfallende Kohlendioxid anzugeben. In this respect, the present invention is based on the object of specifying a disposal and recycling option for the carbon dioxide produced in wastewater treatment.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dies auf überraschend einfache Weise dadurch erreicht werden kann, dass das aus dem Abwasser gasförmig austretende Kohlendioxid (CO2) aufgefangen und in Anwesenheit von Alkali-und/oder Erdalkalioxiden und/oder -hydroxiden zu Alkali- und/oder Erdalkalicarbonaten umgesetzt wird. The invention is based on the knowledge that this can be achieved in a surprisingly simple manner by collecting the carbon dioxide (CO2) emerging in gaseous form from the wastewater and converting it into alkali and / or alkaline earth oxides and / or hydroxides in the presence of or alkaline earth carbonates is implemented.

Dementsprechend betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwässern, bei dem freiwerdendes und aus dem Abwasser austretendes Kohlendioxid aufgefangen und mit einem Alkali- und/ oder Erdalkalioxid und/oder -hydroxid zu Alkali- und/ oder Erdalkalicarbonat gebunden wird. Die entsprechende Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Abwässern weist in ihrer allgemeinsten Ausführungsform eine Sammel- und Auffangeinrichtung für während der biologischen Reinigung freiwerdendes CO2, sowie eine Reaktionskammer auf, in der das CO2 mit den genannten Reagenzien unter Bildung entsprechender Carbonate zur Reaktion gebracht wird. Accordingly, in its most general embodiment, the invention relates to a process for the biological purification of waste water, in which carbon dioxide which is released and escapes from the waste water is collected and bound with an alkali and / or alkaline earth oxide and / or hydroxide to form alkali and / or alkaline earth carbonate. The corresponding device for the biological purification of waste water has in its most general embodiment a collecting and collecting device for CO2 released during the biological purification, as well as a reaction chamber in which the CO2 is reacted with the said reagents to form corresponding carbonates.

Es ist bekannt, dass zum Beispiel CaO aus der Luft CO2 und Wasser unter Bildung von CaCC>3 anzieht. Diese Carbonatisierung kann auch durch völlig trockenes CO2 ausgelöst werden, sie erreicht ein Maximum bei circa 600 bis 800°C und fällt bei circa 900°C auf Null, ist also eine Gleichgewichtsreaktion. It is known that, for example, CaO from the air attracts CO2 and water to form CaCC> 3. This carbonation can also be triggered by completely dry CO2, it reaches a maximum at around 600 to 800 ° C and drops to zero at around 900 ° C, so it is an equilibrium reaction.

Ebenso ist die Reaktion von Ca(OH)2 in Anwesenheit von CO2 zu CaCC>3 und H2O bekannt. The reaction of Ca (OH) 2 in the presence of CO2 to CaCC> 3 and H2O is also known.

Dabei kann der gelöschte Kalk entweder trocken, leicht angefeuchtet (häufig reicht bereits 1 Gew.-% Überschussfeuchtigkeit) oder als Kalkmilch (weisse milchige Suspension) eingesetzt werden. Die Verwendung von feuchtem Ca(OH)2 oder Kalkmilch ist dabei bevorzugt. Die Reaktionskinetik ist gut steuerbar. Durch die in jedem Fall bei der Reaktion mit CO2 erfolgende Wasserabscheidung (dampfförmig oder flüssig) wird während der Reaktion weitere Feuchtigkeit frei. Diese kann zur Erzielung eines trockenen Endproduktes anschliessend durch Trocknung oder Filtration entfernt werden. The slaked lime can be used either dry, slightly moistened (1% by weight excess moisture is often sufficient) or as lime milk (white milky suspension). The use of moist Ca (OH) 2 or lime milk is preferred. The reaction kinetics are easy to control. Due to the water separation (vapor or liquid) that occurs in any case during the reaction with CO2, further moisture is released during the reaction. This can then be removed by drying or filtration to achieve a dry end product.

Diese Reaktionsmechanismen macht sich die Erfindung in einem völlig neuen Anwendungsbereich (Abwassertechnik) zunutze. The invention makes use of these reaction mechanisms in a completely new field of application (waste water technology).

Das gasförmig aus einem Abwasser-Reinigungs-Becken freigesetzte CO2 wird dazu zunächst aufgefangen. Am einfachsten erfolgt dies durch eine Überdachung der entsprechenden Kläranlage und einen Ventilator, über den das Gas abgesaugt wird. Danach wird das CO2 je nach gewählter Carbonati-sierungstechnologie mit dem betreffenden Reagenz (CaO, Ca(OH)2 fest, Kalkmilch) in einem geeigneten Aggregat zur Reaktion gebracht. The CO2 released from a wastewater treatment basin is initially collected. The easiest way to do this is to cover the corresponding sewage treatment plant and a fan, through which the gas is extracted. Then, depending on the carbonation technology chosen, the CO2 is reacted with the relevant reagent (CaO, Ca (OH) 2 solid, milk of lime) in a suitable unit.

Bei Verwendung von Calciumoxid oder festem Calciumhydroxid sollte dies vorzugsweise feinteilig vorliegen. Je höher die spezifische Oberfläche, um so vollständiger die Carbonatisierungsreaktion und um so höher die carbonatisch gebundene CO2-Menge. Als Reaktionsaggregat können zum Beispiel Wirbelbettreaktoren Verwendung finden, die ebenfalls eine hohe Kontaktierung des Gases mit dem Reagenz ermöglichen. When using calcium oxide or solid calcium hydroxide, this should preferably be in fine particles. The higher the specific surface area, the more complete the carbonation reaction and the higher the amount of carbonated CO2. Fluidized bed reactors, for example, can also be used as the reaction unit, which likewise allow the gas to make high contact with the reagent.

Dabei wird das Reagenz in stückiger oder feintei-liger Form über einen Rost geführt, wobei das Pro5 The reagent is passed in piece or finely divided form over a grate, the Pro5

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zessgas (Fluidisierungsgas) in diesem Fall das CO2 selbst sein kann. Ansonsten wird CO2 getrennt ein-gedüst. Es erfolgt damit im Wirbelstrom eine in-situ-Carbonatisierung. cess gas (fluidizing gas) in this case can be CO2 itself. Otherwise CO2 is injected separately. This results in in-situ carbonation in the eddy current.

Wird die Carbonatisierungsreaktion unter Verwendung von Kalkmilch durchgeführt, bietet es sich an, das gasförmige CO2 in die entsprechende Suspension in möglichst feiner Verteilung einzudüsen. Dazu kann die Suspension in einen einfachen Behälter eingefüllt und über einen Auslass wieder abgezogen werden, wobei entlang des Weges zwischen Ein- und Auslass eine möglichst grosse Menge an CO2 in feinverteilter Form in die Suspension eingedüst wird. Durch Zwangsagitation der Suspension, zum Beispiel durch Rührwerke, Vibratoren oder Ultraschalleinrichtungen etc. lässt sich die Umsetzung des CO2 mit dem flüssigen Kalkhydrat ebenso beschleunigen wie durch gezielte Temperatursteuerung, wie oben ausgeführt. If the carbonation reaction is carried out using lime milk, it is advisable to inject the gaseous CO2 into the corresponding suspension in as fine a distribution as possible. For this purpose, the suspension can be poured into a simple container and drawn off again via an outlet, the greatest possible amount of CO2 being injected into the suspension in finely divided form along the path between the inlet and outlet. By forced agitation of the suspension, for example by agitators, vibrators or ultrasonic devices etc., the conversion of the CO2 with the liquid hydrated lime can be accelerated as well as by targeted temperature control, as explained above.

Auf verblüffend einfache Weise lässt sich erfin-dungsgemäss auch an bestehenden Kläranlagen (durch entsprechende Nachrüstung) eine teilweise oder vollständige Reaktion von umweltschädlichem CO2 mit Alkali- und/oder Erdalkalioxiden und/ oder -hydroxiden zu umweltverträglichen entsprechenden Carbonaten erreichen, und zwar - je nach gewähltem Verfahren - in Form von Schlamm oder - nach Trocknung - in fester, feinteiliger Form. According to the invention, a partially or completely reaction of environmentally harmful CO2 with alkali and / or alkaline earth oxides and / or hydroxides to form environmentally compatible carbonates can be achieved in existing sewage treatment plants (by retrofitting), according to the invention, depending on the selected one Process - in the form of sludge or - after drying - in solid, finely divided form.

Ein besonderer Vorteil und eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemässen Verfahrens liegen darin, dass das gewonnene anorganische carbonatische Material, vor allem Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat oder Mischformen (Dolomit) anschliessend in der Kläranlage selbst wieder verwertet werden können. A particular advantage and a particularly advantageous variant of the process according to the invention are that the inorganic carbonate material obtained, in particular calcium carbonate, magnesium carbonate or mixed forms (dolomite) can then be recycled in the sewage treatment plant itself.

Zum einen dient das carbonatische Material zur pH-Wert-Regulierung (Pufferung) des Abwassers. Gleichzeitig kann auf diese Weise aber auch eine wichtige und notwendige Substratquelle für Nitrifi-kanten im Abwasser bereitgestellt werden. On the one hand, the carbonate material serves to regulate the pH value (buffering) of the wastewater. At the same time, however, an important and necessary substrate source for nitrifi edges in the waste water can also be provided in this way.

Bei der Nitrifikation werden H+-lonen gebildet, und zwar gemäss folgender Reaktionsgleichung: During nitrification, H + ions are formed according to the following reaction equation:

NH4+ + 2O2 -» NO3- + H20 + 2H+ NH4 + + 2O2 - »NO3- + H20 + 2H +

Durch die so gebildeten Säuren wird die Nitrifikation behindert. In Anwesenheit von CaCÛ3 reagiert dieses mit den Säuren unter Bildung von Calicumhydrogencarbonat (Ca(HCC>3)2). Gleichzeitig erfolgt entsprechend eine pH-Wert-Regulierung durch die gebildeten H+-lonen. Die H+-lonen reagieren mit den HC03~-lonen im Wasser, wobei wiederum H2O und CC>2-Gas gebildet werden. Das CO2 wird von den Nitrifikanten als Kohlenstoffquelle aufgenommen. Nitrification is hindered by the acids formed in this way. In the presence of CaCÛ3, this reacts with the acids to form calcium hydrogen carbonate (Ca (HCC> 3) 2). At the same time, the H + ions formed regulate the pH accordingly. The H + ions react with the HC03 ~ ions in the water, again forming H2O and CC> 2 gas. The CO2 is taken up by the nitrifiers as a carbon source.

Die Nitrifikation wird dabei entscheidend durch die Erhöhung der Konzentration von anorganischem Kohlenstoff begünstigt, der von den Nitrifikanten verbraucht wird. Nitrification is decisively promoted by increasing the concentration of inorganic carbon, which is consumed by the nitrifiers.

Aus den anorganischen Kohlenstoffen bauen diese autotrophen Mikroorganismen (Nitrifikanten) Biomasse (C5H7O2N) auf, zum Beispiel nach folgendem Reaktionsschema: These autotrophic microorganisms (nitrificants) build biomass (C5H7O2N) from the inorganic carbons, for example according to the following reaction scheme:

H4+ + 1,83 02 + 1,98 HCO3 -> 0,021 C5H7O2N + 0,98 NO2- + 1,04 H20 + 1,88 H2CO3 H4 + + 1.83 02 + 1.98 HCO3 -> 0.021 C5H7O2N + 0.98 NO2- + 1.04 H20 + 1.88 H2CO3

Ca wird als Ionen im Wasser gelöst. Ca is dissolved in the water as ions.

Auf diese Weise kann ein «Kreisprozess» aufgebaut werden, bei dem während der Abwasserreinigung gebildetes CO2 aufgefangen, in Carbonatform umgewandelt und anschliessend dem Prozess wieder zugeführt wird. In this way, a “cycle process” can be set up, in which CO2 generated during wastewater treatment is collected, converted into carbonate form and then returned to the process.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei die einzige Figur in stark schematisierter Darstellung eine aerob-arbeitende Abwasser-Reinigungsanlage beschreibt. The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment, the single figure describing an aerobically operating wastewater treatment plant in a highly schematic representation.

Mit dem Bezugszeichen 10 wird dabei der Abwasser-Zulauf in eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 12 dargestellte Kläranlage gekennzeichnet. Die Kläranlage 12 weist eine Überdachung 14 auf. The reference number 10 identifies the wastewater inflow into a sewage treatment plant shown overall with the reference number 12. The sewage treatment plant 12 has a roof 14.

Aus den biologischen Stufen der Abwasserreinigung aufsteigendes Kohlendioxid wird unter der Überdachung 14 aufgefangen und von einem Ventilator 16 abgesaugt und in eine Kalkmilch-Suspension 18 eingedüst (Düsen 20), wobei die Suspension 18 über eine Zuführöffnung 22 in den Reaktionsbehälter 24 kontinuierlich zugeführt wird. Am unteren Ende des Reaktionsbehälters 24 (bei 26) ist ein Auslauf vorgesehen, über den die Suspension aus dem Reaktionsbehälter 24 wieder entnommen wird. Durch die Reaktion des Kalkhydrates mit dem ein-gedüsten Kohlendioxid-Gas kommt es im Reaktionsbehälter zur Bildung von Calciumcarbonat und Wasser, die beide über den Auslauf 26 ausgetragen werden. Carbon dioxide rising from the biological stages of wastewater treatment is collected under the canopy 14 and sucked off by a fan 16 and injected into a lime milk suspension 18 (nozzles 20), the suspension 18 being fed continuously into the reaction container 24 via a feed opening 22. At the lower end of the reaction container 24 (at 26) there is an outlet through which the suspension is removed from the reaction container 24 again. The reaction of the lime hydrate with the injected carbon dioxide gas leads to the formation of calcium carbonate and water in the reaction vessel, both of which are discharged via the outlet 26.

Danach kann das so gebildete Calciumcarbonat (gegebenenfalls nach Trocknung) einer weiteren Verwendung (zum Beispiel als Baustoff) zugeführt werden (über die Transporteinrichtung 28a); es ist aber auch möglich, es zum Beispiel ganz oder teilweise zur pH-Wert-Pufferung oder als Substratquelle für Nitrifikanten in die biologisch wirksamen Stufen der Kläranlage zurückzuführen (über die Rückführeinrichtung 28b). Thereafter, the calcium carbonate formed in this way (optionally after drying) can be used (for example as a building material) (via the transport device 28a); however, it is also possible, for example, to wholly or partly return it to the biologically active stages of the sewage treatment plant for pH buffering or as a substrate source for nitrifying agents (via the return device 28b).

Aufgrund seiner besonderen Feinteiligkeit ist das gebildete Calciumcarbonat sowohl innerhalb der Kläranlage selbst als auch für fremde Anwendungszwecke besonders geeignet. Dabei kann es bei Bedarf aber ohne weiteres auch zu Formkörpern ver-presst werden. Due to its particularly fine particle size, the calcium carbonate formed is particularly suitable both within the sewage treatment plant itself and for third-party applications. If necessary, however, it can also be easily pressed into shaped bodies.

Claims

1. A process for the biological purification of waste water, in which CO2 released and emerging from the waste water is collected and bound with an alkali and / or alkaline earth oxide and / or hydroxide to form alkali and / or alkaline earth carbonate.

2. The method according to claim 1 with the proviso that the conversion of the CO2 to carbonate takes place in a moist or liquid medium.

3. The method of claim 1 or 2 with the proviso that the conversion of the CO2 to carbonate is carried out at elevated temperatures up to 800 ° C.

4. The method according to any one of claims 1 to 3

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5. The method according to any one of claims 1 to 3 with the proviso that the alkali and / or alkaline earth oxide and / or hydroxide is contacted with the CO2 in a fluidized bed reactor.

6. The method according to any one of claims 1 to 5 with the proviso that the carbonate thus formed is then introduced into the biological stages of the wastewater treatment plant.

7. The method according to claim 6 with the proviso that the carbonate is introduced into the nitrification stage of the wastewater treatment plant.

8. Device for performing the method according to one of claims 1 to 7, characterized by at least one biological stage for wastewater treatment, in which the previously collected gaseous CO2 can be reacted with alkali and / or alkaline earth oxide and / or hydroxide to form corresponding carbonates is.

9. The device according to claim 8, wherein the wastewater treatment plant is completely or partially covered by a roof (14) from which a gas line for the captured CO2 runs to the reaction chamber (24).

10. The apparatus of claim 8 or 9, wherein the reaction chamber consists of a fluidized bed reactor, in which the alkali and / or alkaline earth oxide and / or hydroxide is passed over a grate which is designed to flow through CO2 from below.

11. The device according to claim 8 or 9, wherein the reaction chamber (24) consists of a container having an inlet (22) and an outlet (26) for alkali and / or alkaline earth metal oxide and / or hydroxide feedable in suspension form and is designed with an injection device (20) for injecting the CO2 into the suspension.

12. Device according to one of claims 8 to 11, wherein from the outlet (26) of the reaction chamber (24) runs a transport device (28) for the carbonate formed, which is designed such that at least a partial amount of the carbonate in the wastewater treatment plant (12 ) is traceable.

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