DE102019108410B4

DE102019108410B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von Stickstoff aus Schmutzwasser und Abwasser

Info

Publication number: DE102019108410B4
Application number: DE102019108410.5A
Authority: DE
Inventors: Yang Oh JIN; Seong Ju Kim; Hwan Chul Cho
Original assignee: Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd
Current assignee: Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2039-04-02
Also published as: KR20190119344A; US20190315643A1; DE102019108410A1

Abstract

Verfahren zur Entfernung von Stickstoff aus Speisewasser in Form von Schmutzwasser und Abwasser unter Verwendung einer Vorrichtung, die einen aeroben Behälter (10), einen ersten sauerstofffreien Behälter (20) und einen zweiten sauerstofffreien Behälter (30) umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:Einbringen (S1) von Speisewasser in die Vorrichtung, wobei das Speisewasser durch Einbringen einer Menge des Speisewassers in den aeroben Behälter (10) und einer Menge des Speisewassers in den ersten sauerstofffreien Behälter (20) auf aufgeteilte Weise eingebracht wird;Umwandeln (S2) von Ammoniak-Stickstoff in Nitrat-Stickstoff (Nitrifizierungsreaktion) im aeroben Behälter (10) unter Verwendun von Mikroorganismen, die für eine derartige Reaktion geeignet sind;Umwandeln (S3) des Nitrat-Stickstoffs in Nitrit-Stickstoff durch teilweise Denitrifizierung im ersten sauerstofffreien Behälter (20) unter Verwendung eines organischen Materials, das im unbehandelten Speisewasser enthalten ist, wobei das organische Material als Kohlenstoffquelle bei der teilweisen Denitrifizierung im ersten sauerstofffreien Behälter (20) dient;Umwandeln (S4, S5) des Nitrit-Stickstoffs und des Ammoniak-Stickstoffs in Stickstoffgas im zweiten sauerstofffreien Behälter (20) unter Verwendung eines Anammox-Mikroorganismus; und Entfernen von Stickstoffgas.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität für die Koreanische Patentanmeldung Nr. 10-2018-0042671 , eingereicht am 12. April 2018.
Hintergrund der Offenbarung
Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum biologischen Behandeln von Stickstoff und genauer auf die Entfernung von Stickstoff aus Schmutzwasser und Abwasser bei Minimierung der Nutzung von Energie und Kohlenstoffquellen.
Beschreibung des Hintergrundgebiets
Die Behandlung von organischer Materie ist bis heute das Hauptziel bei der Wasserbehandlung gewesen und die Verbreitung von Systemen zum Behandeln von Schmutzwasser und Abwasser hat die Qualität von Schmutzwasser und Abwasser, das in öffentliche Gewässer ausgelassen wird, verbessert, jedoch nimmt die Konzentration von Nährstoffen wie etwa Stickstoff oder Phosphor nach wie vor zu. Daher erfährt die Behandlung von derartigen Nährstoffen sowie von organischer Materie Aufmerksamkeit. Eine fortgeschrittene Wasserbehandlungstechnik, eine, die wirksamer und wirtschaftlicher ist, wird benötigt, um die Planktonwasserblüte und Eutrophierungsbedingungen anzugehen.
Repräsentative Beispiele für biologische Stickstoffbehandlungsverfahren für Schmutzwasser und Abwasser können die Entfernung von Stickstoff, indem ermöglicht wird, dass Mikroorganismen eine Stickstoffkomponente als eine Nahrungsquelle aufnehmen, und die Verwendung des Stickstoffkreislaufs durch Nitrifizierung und Denitrifizierung von bestimmten Gesellschaften von Mikroorganismen enthalten. Diese Verfahren setzen das Assimilieren der Stickstoffkomponente in Abwasser in Mikroorganismen durch das Vermehren von Mikroorganismen in einem Reaktionsbehälter ein. Um die Menge der Mikroorganismen im Reaktionsbehälter während der Behandlung ununterbrochen zu erhöhen, sollte eine bestimmte Menge der Mikroorganismen von Zeit zu Zeit entfernt werden. Indem dies durchgeführt wird, kann eine große Menge neuen Abfalls erzeugt werden, was unerwünscht ist.
Die Entfernung von Stickstoff basiert hauptsächlich auf einer biologischen Behandlung durch eine Kombination von einer Nitrifizierung unter Verwendung autotropher Mikroorganismen und einer Denitrifizierung unter Verwendung heterotropher Mikroorganismen. Hier ist eine Nitrifizierung ein Prozess, bei dem autotrophe Mikroorganismen verwendet werden, um Ammoniak-Stickstoff (NH₄-Stickstoff) in Nitrit-Stickstoff (NO₂-Stickstoff) oder in Nitrat-Stickstoff (NO₃-Stickstoff) umzuwandeln. Das Oxidieren von Ammoniak in Nitrit setzt Ammoniak oxidierende Mikroorganismen wie etwa Nitrosomonas, Nitrosococcus oder Nitrosobacillus ein, und das Oxidieren von Nitrit in Salpetersäure setzt Nitrit oxidierende Mikroorganismen wie etwa Nitrobacter oder Nitrosocystis ein.
Die obige Nitrifizierungsreaktion erfordert Sauerstoff. Um eine hochwirksame Nitrifizierungsreaktion zu erreichen, muss eine große Menge von Nitrifizierungsorganismen im Reaktionsbehälter sichergestellt und aufrechterhalten werden. Da ferner außerdem eine große Menge von Alkalien erforderlich ist, muss ein alkalisches Agens oder ein Pufferagens verwendet werden, um den pH einzustellen, der abgesenkt wird. Andere Faktoren wie etwa die Temperatur, das BOD/N-Verhältnis und die Ammoniakkonzentration beeinflussen ebenfalls die Nitrifizierungsreaktion.
Indes ist die Denitrifizierung ein Prozess, bei dem Nitrat oder Nitrit durch heterotrophe Mikroorganismen wie etwa Pseudomonas, Bacillus oder Micrococcus unter sauerstofffreien Bedingungen, bei denen kein gelöster Sauerstoff (DO) vorhanden ist und bei denen Nitrat-Stickstoff oder Nitrit-Stickstoff vorhanden ist, in Stickstoffgas (N₂-Gas) umgewandelt werden. Die heterotrophe Denitrifizierungsreaktion benötigt eine organische Kohlenstoffquelle, die als Elektronendonator dient. Wenn die Menge der organischen Kohlenstoffquelle gering ist, muss eine organische Kohlenstoffquelle wie etwa Methanol von außen hinzugefügt werden. In Bezug auf das Hinzufügen von Methanol ist es jedoch schwierig, die Menge des Methanols, das hinzugefügt wird, angemessen zu steuern, und die Toxizität von Methanol selbst bewirkt eine sekundäre Verschmutzung, wenn Methanol im behandelten Wasser zurückbleibt.
In diesem technologischen Gebiet ist bekannt, dass die Menge des benötigten Methanols theoretisch mindestens dreimal so groß wie die Menge des zu behandelnden Stickstoffs ist. In der Praxis ist die Menge tatsächlich das Drei- bis Zehnfache, insbesondere etwa das 6,5-Fache im Durchschnitt.
Da insbesondere das meiste Abwasser, das eine hohe Stickstoffkonzentration aufweist, eine große Menge von Ammoniak-Stickstoff enthält, müssen Nitrifizierungs- und Denitrifizierungsprozesse durchgeführt werden. Wenn Ammoniak-Stickstoff in einer hohen Konzentration vorhanden ist, ist es schwierig, eine Nitrifizierung auszuführen, und die Nitrifizierung erfordert eine lange Verarbeitungszeit und eine begleitende Energiequelle zur Belüftung. Andererseits erfordert eine Denitrifizierung eine organische Kohlenstoffquelle. Wenn die Menge der organischen Kohlenstoffquelle unzureichend ist, sollte eine organische Kohlenstoffquelle wie etwa Methanol hinzugefügt werden.
Das Verfahren zur Behandlung von Abwasser, welches in der EP 2 067 750 B1 beschrieben ist, vermeidet den Denitrifizierungsschritt. Durch geeignete Verfahrensführung (z.B. Betriebs-temperatur, Sauerstoffkonzentration) wird die Reaktion von Ammonium zu Nitrat unterdrückt. Aus einem Teil des Ammoniums wird stattdessen direkt Nitrit gebildet. Das gebildete Nitrit kann dann mit dem restlichen Ammonium zu Stickstoff reagieren.
Die EP 2 792 646 B1 bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Behandlung von ammoniumhaltigem Abwasser. Das Verfahren ist als „Eintopf“-Verfahren ausgebildet, d.h. es ist lediglich ein Belebungsbecken vorhanden. Nur der Schlamm wird kontinuierlich durch einen Hydrozyklon gepumpt und rezykliert, damit der Belag, der sich nach einiger Zeit auf den als Planctomyceten-Granulen vorliegenden Anammox-Bakterien abscheidet, regelmäßig entfernt wird.
Die DE 10 2013 009 392 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anlage zur Aufbereitung von Wasser für die Fischzucht. Bei dem Verfahren wird insbesondere Ammoniak aus dem Wasser entfernt, bevor es in die Fischzuchtbecken zurückgeführt wird. Aus anlagentechnischer Sicht kommt ein einziges Filterbecken zum Einsatz, in dem sich körniges Filtermaterial befinden, auf dem sowohl aerobe Bakterien für die Nitrifikation als auch Anammox-Bakterien für die Denitrifikation angesiedelt sind.
Daher wird eine gründliche Forschung bezüglich des Verringerns der Nutzung von Energie und einer externen Kohlenstoffquelle, die zur Stickstoffentfernung notwendig ist, benötigt.
Zusammenfassung der Offenbarung
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum biologischen Entfernen von Stickstoff zu schaffen, die die Nutzung von Energie und einer externen Kohlenstoffquelle minieren können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das Voranstehende eingeschränkt, und die anderen Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung, die hier nicht erwähnt sind, können durch die folgende Beschreibung verstanden werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Technik wird ein Verfahren zum biologischen Behandeln von Stickstoff in Speisewasser geschaffen. Das ,Speisewasser‘ ist das Wasser, das durch das Verfahren der vorliegenden Technik behandelt werden soll, oder das Wasser, das durch die Vorrichtung der vorliegenden Technik behandelt werden soll, und enthält Wasser, das dem Verfahren bei einem Beginn des Verfahrens bereitgestellt wird. Das Speisewasser kann ebenso als unbehandeltes Wasser verstanden werden. Das Behandeln von Stickstoff enthält das Umwandeln zumindest eines Anteils des Ammoniaks oder des Ammoniums im Speisewasser in Stickstoff. Das Verfahren kann eine Vorrichtung verwenden, die einen aeroben Behälter, einen ersten sauerstofffreien Behälter und einen zweiten sauerstofffreien Behälter umfasst.
In der vorliegenden Technik bedeutet ,Ammoniak-Stickstoff‘ Stickstoff, der in der Form von Ammoniak oder Ammonium vorhanden ist, ,Nitrit-Stickstoff bedeutet Stickstoff, der in der Form von Nitrit vorhanden ist, und ,Nitrat-Stickstoff bedeutet Stickstoff, der in der Form von Nitrat vorhanden ist.
In dem Verfahren wird zuerst das Speisewasser in die Vorrichtung eingebracht. Das Speisewasser enthält Stickstoff, der behandelt werden soll, d. h. Stickstoff in der Form von Ammoniak-Stickstoff. Anschließend wird der Ammoniak-Stickstoff in dem aeroben Behälter in Nitrat-Stickstoff umgewandelt (d. h. eine Nitrifizierungsreaktion), vorzugsweise unter Verwendung von Mikroorganismen wie etwa Bakterien, die für eine derartige Reaktion geeignet sind. In dem Verfahren wird der auf derartige Weise erzeugte Nitrat-Stickstoff, der außerdem den Nitrat-Stickstoff enthalten kann, der ursprünglich im Speisewasser vorhanden sein kann, durch eine teilweise Denitrifizierung im ersten sauerstofffreien Behälter unter Verwendung eines organischen Materials, das im Speisewasser enthalten ist, in Nitrit-Stickstoff umgewandelt. Das organische Material, das im Speisewasser enthalten ist, enthält organisches Material, das ursprünglich im Speisewasser vorhanden ist, d. h. organisches Material, das im Speisewasser vorhanden war, wenn das Speisewasser in die Vorrichtung eingebracht wurde, einfach ausgedrückt kann das organische Material, das im Speisewasser enthalten ist, organisches Material bedeuten, das in unbehandeltem Wasser vorhanden ist. Das organische Material kann als der Elektronendonator bei der teilweisen Denitrifizierung dienen, die im ersten sauerstofffreien Behälter ausgeführt wird. Das organische Material, das im Speisewasser enthalten ist, kann als eine Kohlenstoffquelle bei der teilweisen Denitrifizierung dienen, die im ersten sauerstofffreien Behälter ausgeführt wird. Die Reaktion der teilweisen Denitrifizierung wird im ersten sauerstofffreien Behälter vorzugsweise unter Verwendung von Mikroorganismen wie etwa Bakterien, die für eine derartige Reaktion geeignet sind, ausgeführt. Schließlich werden in dem Verfahren der Nitrit-Stickstoff und der Ammoniak-Stickstoff, d. h. der Ammoniak-Stickstoff, der vorher nicht in Nitrat-Stickstoff umgewandelt wurde, im zweiten sauerstofffreien Behälter unter Verwendung eines Anammox-Mikroorganismus in Stickstoffgas umgewandelt (d.h. eine anaerobe Ammonium-Oxidation oder ein Anammox-Prozess oder eine Anammox-Reaktion).
In dem Verfahren kann das Speisewasser eingebracht werden, indem eine Menge des Speisewasser in den aeroben Behälter und eine Menge des Speisewassers in den ersten sauerstofffreien Behälter auf aufgeteilte Weise eingebracht werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Menge des Speisewassers, das in den aeroben Behälter eingebracht wird, 40% bis 60% des Speisewassers, das in die Vorrichtung eingebracht wird, d. h. einer Gesamtmenge des Speisewassers, und die Menge des Speisewassers, das in den ersten sauerstofffreien Behälter eingebracht wird, ist ein Rest des Speisewassers, das in die Vorrichtung eingebracht wird, d. h. der Gesamtmenge des Speisewassers. Die Gesamtmenge des Speisewassers kann eine Summe der Mengen des Speisewassers sein, die in den aeroben Behälter und den ersten sauerstofffreien Behälter eingebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Verfahren das Einstellen der Menge des Speisewassers, das in den aeroben Behälter eingebracht wird, und/oder der Menge des Speisewassers, das in den ersten sauerstofffreien Behälter eingebracht wird, auf der Grundlage einer Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter und/oder der Konzentration von Nitrat und/oder Nitrit im ersten sauerstofffreien Behälter enthalten.
In der vorliegenden Anmeldung bedeutet die Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter eine Ammoniakkonzentration im Speisewasser im aeroben Behälter und kann durch einen Ammoniaksensor bestimmt werden, der beim Speisewasser im aeroben Behälter bereitgestellt ist. Die Nitritkonzentration im ersten sauerstofffreien Behälter bedeutet eine Nitratkonzentration im Speisewasser im ersten sauerstofffreien Behälter und kann durch einen Nitritsensor bestimmt werden, der beim Speisewasser im ersten sauerstofffreien Behälter bereitgestellt ist. Ebenso bedeutet die Nitratkonzentration im ersten sauerstofffreien Behälter eine Nitratkonzentration im Speisewasser im ersten sauerstofffreien Behälter und kann durch einen Nitratsensor bestimmt werden, der beim Speisewasser im ersten sauerstofffreien Behälter bereitgestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens enthält das Umwandeln des Ammoniak-Stickstoffs in den Nitrat-Stickstoff (d. h. die Nitrifizierung) im aeroben Behälter das Bestimmen einer Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter. Das Verfahren kann wahlweise ferner das Steuern einer Belüftungsintensität und/oder einer Belüftungszeit und/oder einer Belüftungsmenge auf der Grundlage der bestimmten Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter enthalten. Die Belüftungsintensität kann die zugeführte Luft, vorzugsweise in Form von Blasen oder Mikroblasen, pro Volumeneinheit des Speisewassers im aeroben Behälter pro Zeiteinheit bedeuten. Die Belüftungszeit kann die Gesamtzeit, für die dem Speisewasser im aeroben Behälter Luft, vorzugweise in Form von Blasen oder Mikroblasen, zugeführt wird, bedeuten, einfach gesagt die Zeit, für die eine gegebene Menge Speisewasser belüftet wird. Die Belüftungsmenge kann die gesamte Luft, die dem Speisewasser im aeroben Behälter während der gesamten Zeit der Nitrifizierung im aeroben Behälter, vorzugsweise in Form von Blasen oder Mikroblasen, zugeführt wird, bedeuten.
Der Ausdruck ,steuern‘ oder ,Steuern‘ oder ähnliche Ausdrücke wie in der vorliegenden Anmeldung verwendet enthalten ,erhöhen‘ und/oder ,absenken‘ und/oder ,aufrechterhalten‘ bei einem gewünschten Wert oder ,festlegen‘ auf einen gewünschten Wert, d. h. ,Erhöhen‘ und/oder ,Absenken‘ und/oder Aufrechterhalten‘ bei einem gewünschten Wert oder ,Festlegen‘ auf einen gewünschten Wert.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Belüftungsintensität an einer Einbringposition, d. h. ebenso als der Startpunkt bezeichnet, im aeroben Behälter gesteuert und an einer Position des aeroben Behälters unmittelbar stromaufwärts von einer Position, von der aus das Speisewasser aus dem aeroben Behälter aus dem aeroben Behälter zum ersten sauerstofffreien Behälter austritt, gesteuert. Die Belüftungsintensität an der Einbringposition im aeroben Behälter und die Belüftungsintensität an der Position des aeroben Behälters unmittelbar stromaufwärts von der Position, von der aus das Speisewasser aus dem aeroben Behälter aus dem aeroben Behälter zum ersten sauerstofffreien Behälter austritt, können unabhängig voneinander gesteuert werden. Die Position, von der aus das Speisewasser aus dem aeroben Behälter aus dem aeroben Behälter zum ersten sauerstofffreien Behälter austritt, kann eine Position sein, von der aus das Speisewasser aus dem aeroben Behälter in den ersten sauerstofffreien Behälter eingebracht wird. Die Belüftungsintensität an der Einbringposition im aeroben Behälter und die Belüftungsintensität an der Position des aeroben Behälters unmittelbar stromaufwärts von der Position, von der aus das Speisewasser aus dem aeroben Behälter aus dem aeroben Behälter zum ersten sauerstofffreien Behälter austritt, können derart gesteuert werden, dass die Belüftungsintensität an der Einbringposition im aeroben Behälter und die Belüftungsintensität an der Position des aeroben Behälters unmittelbar stromaufwärts von der Position, von der aus das Speisewasser aus dem aeroben Behälter aus dem aeroben Behälter in den ersten sauerstofffreien Behälter eingebracht wird, voneinander verschieden sind.
Im vorliegenden Verfahren kann das Speisewasser ununterbrochen oder auf unterbrochene Weise in einer Richtung aus dem aeroben Behälter in Richtung des zweiten sauerstofffreien Behälters fließen. Mit anderen Worten, eine Richtung, die im Allgemeinen durch den aeroben Behälter, anschließend den ersten sauerstofffreien Behälter und anschließend den zweiten sauerstofffreien Behälter definiert ist, ist stromabwärts. Es sei erwähnt, dass das Speisewasser oder das Speisewasser, wenn es zumindest teilweise behandelt ist, direkt aus dem aeroben Behälter zum ersten sauerstofffreien Behälter und anschließend zum zweiten sauerstofffreien Behälter strömen kann oder aus jedem der Behälter entnommen werden kann, bevor es in einen darauffolgenden Behälter eingebracht wird, d. h. das Wasser - das Speisewasser oder das Speisewasser, wenn zumindest teilweise behandelt - kann aus dem aeroben Behälter entnommen oder ausgeleitet werden und kann anschließend in den ersten sauerstofffreien Behälter eingebracht werden, und ebenso kann das Wasser - das Speisewasser oder das Speisewasser, wenn zumindest teilweise behandelt - aus dem ersten sauerstofffreien Behälter entnommen oder ausgeleitet werden und kann anschließend in den zweiten sauerstofffreien Behälter eingebracht werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Belüftungsintensität und/oder die Belüftungsmenge des Speisewassers mit der Zeit abgesenkt, nachdem es in die Vorrichtung eingebracht worden ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Umwandeln des Nitrat-Stickstoffs in Nitrit-Stickstoff (d. h. die teilweise Denitrifizierung) das Bestimmen einer Nitratkonzentration im ersten sauerstofffreien Behälter und/oder einer Nitritkonzentration im ersten sauerstofffreien Behälter. Das Verfahren kann ferner das Steuern einer Reaktionszeit, d. h. der Zeit für die teilweise Denitrifizierung, im ersten sauerstofffreien Behälter auf der Grundlage der Nitratkonzentration und/oder der Nitritkonzentration im ersten sauerstofffreien Behälter wie bestimmt enthalten.
Der Ausdruck ,Reaktionszeit‘ ist ein Zeitraum oder ein Zeitbetrag, für welchen ermöglicht wird, dass eine gegebene Reaktion fortgesetzt wird. Zum Beispiel ist die Reaktionszeit die Zeit, die zu einem Zeitpunkt beginnt, wenn ermöglicht wird, dass die Reaktionspartner reagieren, und sich bis zu einem Zeitpunkt erstreckt, wenn das Reagieren der Reaktionspartner angehalten wird, an einem spezifizierten Ort. Das Reagieren der Reaktionspartner kann z. B. durch Entfernen der Reaktionspartner von dem spezifizierten Ort angehalten werden, z. B. ist die Reaktionszeit im ersten sauerstofffreien Behälter oder im zweiten sauerstofffreien Behälter die Zeit, für die ermöglicht wird, dass ein Volumen des Speisewassers oder eines zumindest teilweise behandelten Speisewassers im ersten sauerstofffreien Behälter oder im zweiten sauerstofffreien Behälter eingesetzt oder enthalten ist. Einfach gesagt ist die Reaktionszeit die Gesamtzeit, für die eine gegebene Reaktion stattfindet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Reaktionszeit im ersten sauerstofffreien Behälter kleiner als eine Stunde, um einen Anteil des Nitrit-Stickstoffs, der in Stickstoffgas umgewandelt wird, zu minimieren
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Umwandeln des Nitrat-Stickstoffs in Nitrit-Stickstoff durch teilweise Denitrifizierung im ersten sauerstofffreien Behälter das Steuern einer Reaktionszeit im zweiten sauerstofffreien Behälter umfassen. Die Reaktionszeit des ersten sauerstofffreien Behälters und die Reaktionszeit des zweiten sauerstofffreien Behälters können derart gesteuert werden, dass die Reaktionszeiten voneinander verschieden sind. Das Steuern der Reaktionszeiten kann auf der Grundlage der Nitratkonzentration und/oder der Nitritkonzentration wie bestimmt durchgeführt werden und vorzugsweise auf der Grundlage sowohl der Nitratkonzentration als auch der Nitritkonzentration wie bestimmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum biologischen Behandeln von Stickstoff unter Verwendung einer Vorrichtung, die einen aeroben Behälter, einen ersten sauerstofffreien Behälter und einen zweiten sauerstofffreien Behälter enthält, geschaffen. Das Verfahren kann die Schritte Einbringen von Speisewasser; Umwandeln von Ammoniak-Stickstoff in Nitrat-Stickstoff im aeroben Behälter; Umwandeln des Nitrat-Stickstoffs in Nitrit-Stickstoff durch teilweise Denitrifizierung im ersten sauerstofffreien Behälter unter Verwendung eines organischen Materials, das im Speisewasser enthalten ist; und Umwandeln des Nitrit-Stickstoffs und des Ammoniaks in Stickstoffgas im zweiten sauerstofffreien Behälter unter Verwendung eines Anammox-Mikroorganismus enthalten.
Das Speisewasser kann durch Einbringen einer Menge des Speisewassers in den aeroben Behälter und einer Menge des Speisewassers in den ersten sauerstofffreien Behälter auf aufgeteilte Weise eingebracht werden. Hier können 40% bis 60% des Speisewassers in den aeroben Behälter eingebracht werden, und ein Rest des Speisewassers kann in den ersten sauerstofffreien Behälter eingebracht werden. Alternativ kann das Verfahren ferner einen Schritt des Einstellens der Menge des Speisewassers, das in den aeroben Behälter eingebracht wird, und der Menge des Speisewassers, das in den ersten sauerstofffreien Behälter eingebracht wird, auf der Grundlage einer Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter und/oder der Konzentrationen von Nitrat und Nitrit im ersten sauerstofffreien Behälter enthalten.
Der Ammoniak-Stickstoff kann durch Bestimmen einer Belüftungsintensität und/oder einer Belüftungszeit und/oder einer Belüftungsmenge abhängig von einer Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter in den Nitrat-Stickstoff umgewandelt werden. Hier kann das Verfahren ferner einen Schritt des Messens der Ammoniakkonzentration unter Verwendung eines Ammoniaksensors (NH₄-Sensors), der dem aeroben Behälter bereitgestellt ist, enthalten. Die Belüftungsintensität kann an einem Startpunkt im aeroben Behälter und einer Position unmittelbar vor dem ersten sauerstofffreien Behälter bestimmt werden, und die Belüftungsintensität, die am Startpunkt im aeroben Behälter bestimmt wird, und die Belüftungsintensität, die an der Position unmittelbar vor dem ersten sauerstofffreien Behälter bestimmt wird, können voneinander verschieden sein. Die Belüftungsintensität und/oder die Belüftungsmenge können mit der Zeit abgesenkt werden.
Der Nitrat-Stickstoff kann durch Bestimmen einer Reaktionszeit des ersten sauerstofffreien Behälters auf der Grundlage einer Nitratkonzentration und einer Nitritkonzentration im ersten sauerstofffreien Behälter in den Nitrit-Stickstoff umgewandelt werden. Die Reaktionszeit des ersten sauerstofffreien Behälters kann derart bestimmt werden, dass sie kleiner als eine Stunde ist, um einen Anteil des Nitrit-Stickstoffs, der in Stickstoffgas umgewandelt wird, zu minimieren. Der Nitrit-Stickstoff und der Ammoniak können durch Bestimmen einer Reaktionszeit des zweiten sauerstofffreien Behälters in das Stickstoffgas umgewandelt werden, und die Reaktionszeit des ersten sauerstofffreien Behälters und die Reaktionszeit des zweiten sauerstofffreien Behälters können auf der Grundlage der Nitratkonzentration und der Nitritkonzentration derart bestimmt werden, dass sie voneinander verschieden sind.
Der Ammoniak-Stickstoff und der Nitrit-Stickstoff im zweiten sauerstofffreien Behälter können bei einem Molverhältnis im Bereich von 1:1 bis 1:3 zur Reaktion gebracht werden.
Gemäß einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum biologischen Behandeln von Stickstoff geschaffen. Die Vorrichtung kann einen aeroben Behälter zum Umwandeln von Ammoniak-Stickstoff eines Speisewassers in Nitrat-Stickstoff; einen ersten sauerstofffreien Behälter zum Umwandeln des Nitrat-Stickstoffs in Nitrit-Stickstoff; und einen zweiten sauerstofffreien Behälter zum Umwandeln des Nitrit-Stickstoffs in Stickstoffgas unter Verwendung eines Anammox-Mikroorganismus enthalten.
Die Vorrichtung kann ferner einen Ammoniaksensor (NH₄-Sensor), der dem aeroben Behälter bereitgestellt ist; einen Nitratsensor (NO₃-Sensor) und einen Nitritsensor (NO₂-Sensor), die jeweils dem ersten sauerstofffreien Behälter bereitgestellt sind; eine Speisewasserleitung, die derart bereitgestellt ist, dass sie zum aeroben Behälter und zum ersten sauerstofffreien Behälter verzweigt ist; eine Leitung für eine externe Kohlenstoffquelle zum Zuführen einer externen Kohlenstoffquelle zum ersten sauerstofffreien Behälter; und/oder eine Rückführleitung, die den zweiten sauerstofffreien Behälter und den aeroben Behälter verbindet, wobei der Ammoniak-Stickstoff oder der Nitrit-Stickstoff über die Rückführleitung aus dem zweiten sauerstofffreien Behälter zum aeroben Behälter zurückgeführt werden, enthalten. Die externe Kohlenstoffquelle kann Glycerin und/oder Methanol und/oder Ethanol und/oder Essigsäure enthalten, und der zweite sauerstofffreie Behälter kann ein Wirbelschichtbett-Bioschichtreaktor oder ein Feststoffbett-Bioschichtreaktor sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann unter Berücksichtigung, dass die Bedingungen, unter welchen Nitrifizierung und Denitrifizierung stattfinden, verschieden sind, unter Verwendung einer Kohlenstoffquelle, die im Abwasser enthalten ist, ohne die zusätzliche Zufuhr einer externen Kohlenstoffquelle Stickstoff aus Abwasser entfernt werden, wodurch die Nutzung von Energie und einer externen Kohlenstoffquelle minimiert werden kann.
Figurenliste

1 ist ein Prozessdiagramm, das das Prinzip eines biologischen Denitrifizierungsprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vorrichtung zeigt, die einen biologischen Denitrifizierungsprozess gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung durchführen kann;
3 ist ein Ablaufplan, der einen biologischen Denitrifizierungsprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
4 ist ein Diagramm, das die Anwendung eines biologischen Denitrifizierungsprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Genaue Beschreibung der Offenbarung
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine genaue Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegeben. Die vorliegende Erfindung kann in einer Vielzahl verschiedener Formen ausgeführt sein und ist nicht auf die Ausführungsformen hierin eingeschränkt.
Um die vorliegende Erfindung eindeutig zu veranschaulichen, wird eine Beschreibung einer Komponente, die nicht mit dem Hauptinhalt der vorliegenden Erfindung in Beziehung steht, weggelassen, und dieselben oder ähnliche Elemente sind in der Beschreibung durchgängig durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
Es versteht sich außerdem, dass dann, wenn auf eine beliebige Komponente als ein beliebiges Element „umfassend“ oder „enthaltend“ Bezug genommen wird, sie nicht andere Elemente ausschließt, sondern ferner andere Elemente enthalten kann, sofern nicht anderweitig angegeben. Die hier verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und ist nicht dafür gedacht, die vorliegende Erfindung einzuschränken, und kann derart interpretiert werden, dass sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Erfindung gehört, verstanden wird, sofern hier nicht anderweitig definiert.
1 stellt das Prinzip eines biologischen Denitrifizierungsprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
Unter Bezugnahme auf 1 wird der biologische Denitrifizierungsprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf eine Weise durchgeführt, bei der 50% des Ammoniaks (NH₄), der im Speisewasser enthalten ist, in Nitrat (NO₃) umgewandelt wird, das Nitrat (NO₃) durch teilweise Denitrifizierung unter Verwendung einer COD-Komponente, die im Speisewasser enthalten ist, in Nitrit (NO₂) umgewandelt wird und das Nitrit (NO₂) und der Ammoniak (NH₄) durch einen Anammox-Prozess unter Verwendung von Anammox-Mikroorganismen in der Form von Stickstoffgas (N₂-Gas) endgültig entfernt werden. Der Anammox-Prozess ermöglicht, dass Nitrit (NO₂), das als ein Oxidationsmittel dient, und ein AmmoniumIon (NH₄ ⁺), das als ein Reduktionsmittel dient, in Stickstoffgas umgewandelt werden.
Ein üblicher Prozess des Entfernens von Stickstoff aus Schmutzwasser und Abwasser enthält eine Nitrifizierung unter aeroben Bedingungen und eine Denitrifizierung unter sauerstofffreien Bedingungen, und somit sind die Wartungskosten des Prozesses hoch. Im Gegensatz dazu wird ein Anammox-Prozess (anaerobe Ammoxidation) unter Verwendung von Mikroorganismen durchgeführt, die eine anaerobe Ammoniak-Oxidation (d. h. ANAMMOX) bewirken, womit die Schritte des Einbringens von Sauerstoff und des Zuführens einer externen Kohlenstoffquelle, die für den bestehenden Prozess des Absonderns von Stickstoff von Abwasser notwendig sind, weggelassen werden. Hier ist der Anammox-Prozess wegen einer kurzen Stickstoffentfernungszeit und einer wirksamen Nutzung des Behandlungsortes und weil eine externe Kohlenstoffquelle und Sauerstoff nicht erforderlich sind, vorteilhaft, derart, dass die Wartungskosten niedrig sind.
Eine Denitrifizierungsvorrichtung zum Durchführen des biologischen Denitrifizierungsprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 2 enthält die biologische Denitrifizierungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen aeroben Behälter 10, einen ersten sauerstofffreien Behälter 20 und einen zweiten sauerstofffreien Behälter 30.
Das Speisewasser kann auf aufgeteilte Weise jeweils in den aeroben Behälter 10 und den ersten sauerstofffreien Behälter 20 eingebracht werden. Insbesondere kann eine Speisewasserleitung L1 derart bereitgestellt sein, dass sie zum aeroben Behälter 10 und zum ersten sauerstofffreien Behälter 20 verzweigt ist.
Der aerobe Behälter 10 kann mit einem Ammoniaksensor (NH₄-Sensor) versehen sein, und der erste sauerstofffreie Behälter 20 kann mit einem Nitratsensor (NO₃-Sensor) und einem Nitritsensor (NO₂-Sensor) versehen sein, womit die Einstellung der Durchflussmenge einer Zuführung des Speisewassers und die Einstellung der Belüftungsintensität ermöglicht werden. Der erste sauerstofffreie Behälter 20 kann mit einer Leitung L2 für eine externe Kohlenstoffquelle versehen sein. Die externe Kohlenstoffquelle, die dem ersten sauerstofffreien Behälter durch die Leitung für eine externe Kohlenstoffquelle zugeführt wird, kann Glycerin und/oder Methanol und/oder Ethanol und/oder Essigsäure enthalten.
Die Anammox-Reaktion kann im zweiten sauerstofffreien Behälter 30 ausgeführt werden. Wenn ein Wirbelschichtbettreaktor als der zweite sauerstofffreie Behälter 30 verwendet wird, ist es notwendig, eine Feststoffverweilzeit (SRT) von vierzig Tagen oder mehr aufrechtzuerhalten, indem der Anammox-Stamm unter Verwendung eines Scheibenfilters und/oder eines Siebfilters und/oder eines Kartuschenfilters abgesondert und zurückgewonnen wird. Daher wird vorzugsweise ein Festbett-Bioschichtreaktor als der zweite sauerstofffreie Behälter 30 verwendet, wodurch der Wirkungsgrad der Denitrifizierung maximiert wird.
Der zweite sauerstofffreie Behälter 30 und der aerobe Behälter 10 können über eine Rückführleitung L3 miteinander verbunden sein. Dementsprechend können der restliche Ammoniak-Stickstoff oder Nitrit-Stickstoff über die Rückführleitung L3 aus dem zweiten sauerstofffreien Behälter 30 zum aeroben Behälter 10 zurückgeführt werden, um somit den Wirkungsgrad der Stickstoffentfernung zu erhöhen.
3 zeigt den biologischen Denitrifizierungsprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 4 zeigt die Anwendung des biologischen Denitrifizierungsprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier ist die Beziehung zwischen der Belüftungsintensität und der Belüftungszeit in dem Denitrifizierungsprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in 4 abgebildet.
Unter Bezugnahme auf 3 enthält der biologische Denitrifizierungsprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Einbringen (S1) von Speisewasser in einen aeroben Behälter und einen ersten sauerstofffreien Behälter auf aufgeteilte Weise, Umwandeln (S2) von Ammoniak-Stickstoff in Nitrat-Stickstoff im aeroben Behälter, Umwandeln (S3) des Nitrat-Stickstoffs (NO₃) in Nitrit-Stickstoff (NO₂) im ersten sauerstofffreien Behälter und Umwandeln (S4, S5) des Nitrit-Stickstoffs (NO₂) in Stickstoffgas (N₂-Gas) in einem zweiten sauerstofffreien Behälter.
Der aerobe Behälter 10 fungiert, um den eingebrachten Ammoniak-Stickstoff (NH₄) in Nitrat (NO₃) umzuwandeln. Hier können die Belüftungsintensität, die Belüftungszeit, die Belüftungsmenge und dergleichen durch die Konzentration des Ammoniaks bestimmt werden, der in den aeroben Behälter 10 eingebracht wird.
Im Belüftungsprozess können die Belüftungsintensität am Punkt des ersten Einbringens und die Belüftungsintensität an einer Position unmittelbar vor dem ersten sauerstofffreien Behälter 20 voneinander verschieden sein, wie in 4 gezeigt ist. Zum Beispiel kann die Belüftungsintensität im aeroben Behälter schrittweise abgesenkt werden, während die Zeit zunimmt.
Zum Beispiel beträgt die Konzentration von Ammoniak-Stickstoff des Speisewassers in Schmutzwasser etwa 40 mg/l, und Schwankungen sind bei diesem Pegel unbedeutend. Wenn hier die Konzentration von Ammoniak-Stickstoff zunimmt, sollten die Belüftungsintensität/die Belüftungsmenge proportional erhöht werden, um somit den eingebrachten Ammoniak-Stickstoff im aeroben Behälter 10 vollständig in Nitrat-Stickstoff umzuwandeln. Zum Beispiel nimmt im Fall der Verwendung eines Flugstromreaktors zur Intensitätssteuerung an verschiedenen Positionen die Konzentration von Ammoniak-Stickstoff vom Punkt der ersten Einbringung in Richtung des ersten sauerstofffreien Behälters 20 ab. Dementsprechend wird bevorzugt, dass die Belüftungsmenge oder die Belüftungsintensität abgesenkt werden.
Der erste sauerstofffreie Behälter 20 fungiert, um den umgewandelten Nitrat-Stickstoff (NO₃) unter Verwendung des eingebrachten organischen Materials (COD) in Nitrit-Stickstoff (NO₂) umzuwandeln. Insbesondere wird der Nitrat-Stickstoff (NO₃), der im aeroben Behälter 10 erzeugt wird, im ersten sauerstofffreien Behälter 20 unter Verwendung des organischen Materials (COD), das im Speisewasser enthalten ist, einer teilweisen Denitrifizierung unterworfen und wird somit in Nitrit-Stickstoff (NO₂) umgewandelt. Hier sollte die hydraulische Verweilzeit (HRT) innerhalb eines kurzen Zeitraums wie z. B. einer Stunde oder weniger im Vergleich zu der HRT des herkömmlichen Denitrifizierungsprozesses aufrechterhalten werden, um den Anteil des Nitrit-Stickstoffs (NO₂), der in Stickstoffgas (N₂) umgewandelt wird, zu minimieren, und der Ammoniak-Stickstoff wird unverändert aufrechterhalten.
Der zweite sauerstofffreie Behälter 20 fungiert derart, dass der Nitrit-Stickstoff (NO₂) und der Ammoniak-Stickstoff (NH₄) unter Verwendung von Anammox-Mikroorganismen in Stickstoffgas (N₂-Gas) umgewandelt und somit entfernt werden.
Eine anaerobe Ammonium-Oxidation, gewöhnlich als Anammox abgekürzt, ist eine Reaktion, die Ammonium (NH₄ ⁺) und Nitrit (NO₂ ^-) unter anaeroben Bedingungen als Nährböden verwendet und Anammox-Bakterien als autotrophe Bakterien verwendet, die Zellen aus anorganischem Kohlenstoff synthetisieren.
Da die Anammox-Reaktion eine autotrophe Reaktion ist, bei der unter Verwendung von NH₄ ⁺ als einen Elektronendonator und NO₂ ^- als einen Elektronenakzeptor unter anaeroben Bedingungen Stickstoffgas erzeugt wird; kann die Zufuhr von Sauerstoff zur Nitrifizierung und einer organischen Kohlenstoffquelle zur Denitrifizierung minimiert werden, womit ermöglicht wird, die Behandlungskosten drastisch zu verringern.
Um die Stickstoffkomponente durch die Anammox-Reaktion zu entfernen, müssen der Ammoniak-Stickstoff (NH₄) und der Nitrit-Stickstoff (NO₂) mit einem Molverhältnis im Bereich von 1:1 bis 1:3 im zu behandelnden Speisewasser vorhanden sein.
Jedoch ist der Ammoniak-Stickstoff (NH₄) im Großteil des zu behandelnden Speisewassers vorhanden, und somit müssen etwa 50% in Nitrit-Stickstoff (NO₂) umgewandelt werden.
Zu diesem Zweck ist ein Prozess einer teilweisen Denitrifizierung erforderlich. Diese Technik der teilweisen Denitrifizierung kann erreicht werden, indem die Reaktion zum Umwandeln von Nitrit-Stickstoff in Nitrat-Stickstoff während der Nitrifizierung im bestehenden Nitrifizierungs/Denitrifizierungs-Prozess gesteuert wird.
Nach der Anammox-Reaktion wird Nitrat-Stickstoff (NO₃) in einer Menge von etwa 10% des eingespeisten Stickstoffs erzeugt, und Nitrit-Stickstoff (NO₂), der nach der Reaktion übrigbleibt, ist im behandelten Wasser enthalten.
Jedoch sind Ammonium oxidierende Bakterien (Nitrosomonas) zur Nitritation und Anammox-Bakterien für die Anammox-Reaktion sehr langsam zu züchten, und es ist nicht einfach, vorherrschend Anammox-Bakterien im Reaktionsbehälter zu kultivieren. Es ist aufgrund ihrer langsamen Wachstumsgeschwindigkeit schwierig, diese Bakterien, die autotrophe Bakterien sind, in einer hohen Konzentration zu kultivieren, was es schwierig macht, sie tatsächlich in Schmutzwasser- und Abwasseranlagen anzuwenden.
Um die Stickstoffentfernungstechnologie unter Verwendung von Nitritation und Anammox zu kommerzialisieren, ist es am wichtigsten, dass Ammonium oxidierende Bakterien (Nitrit-Bakterien) und Anammox-Bakterien im Reaktionsbehälter in einer vorgegebenen Menge stabil aufrechterhalten werden.
Ferner ist der herkömmliche Stickstoffbehandlungsprozess unter Verwendung von teilweiser Nitritation und Anammox problematisch, derart, dass der restliche Nitrit-Stickstoff und Nitrat-Stickstoff im endgültigen Austrittsstrom zurückgelassen werden kann.
Wenn daher der Nitrat-Stickstoff und der Nitrit-Stickstoff, die im behandelten Wasser enthalten sind, durch Denitrifizierung in Stickstoffgas entfernt werden anstelle des Verwendens einer organischen Kohlenstoffquelle wie etwa Methanol, kann der Wirkungsgrad der Stickstoffentfernung weiter erhöht werden.
Gemäß der voranstehenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Energie eingespart werden, indem das Ausmaß der aeroben Reaktion vermindert wird und eine teilweise Denitrifizierung unter Verwendung des organischen Materials des Speisewassers durchgeführt wird, wodurch die Zufuhr und die Kosten einer zusätzlichen, externen Kohlenstoffquelle wie etwa Glycerin, Methanol, Ethanol, Essigsäure oder dergleichen verringert werden.
Wenn außerdem die Reaktion im sauerstofffreien Behälter (teilweise Denitrifizierung + Anammox) nach der Reaktionszeit im aeroben Behälter zweimal oder häufiger ausgeführt wird, kann der Wirkungsgrad der Stickstoffentfernung maximiert werden.
Vom ursprünglichen Speisewasser wird die Menge des Speisewassers, das in den aeroben Behälter eingebracht wird, im Bereich von 40% bis 60% aufrechterhalten, und die Gesamtmenge des Speisewassers, das in den sauerstofffreien Behälter eingebracht wird, wird im Bereich von 60% bis 40% aufrechterhalten.
Das Speisewasser, das in den sauerstofffreien Behälter eingebracht wird, wird ununterbrochen/wiederholt zweimal oder häufiger einer „teilweisen Denitrifizierung (NO3 → NO2) + Anammox“ unterworfen, wodurch der Wirkungsgrad der Stickstoffentfernung maximiert wird. Hier ist jede Reaktionszeit von „erster sauerstofffreier Behälter + zweiter sauerstofffreier Behälter“ verschieden.
Im ersten sauerstofffreien Behälter zum Umwandeln von Nitrat-Stickstoff (NO₃) in Nitrit-Stickstoff (NO₂) tritt eine Umwandlung von Nitrit-Stickstoff (NO₂) in Stickstoffgas (N₂-Gas) auf, wenn die HRT ansteigt, und somit muss die HRT so kurz wie möglich aufrechterhalten werden. Im zweiten sauerstofffreien Behälter zum Umwandeln des umgewandelten Nitrit-Stickstoffs (NO₂) und des Ammoniak-Stickstoffs (NH₄) in Stickstoffgas (N₂-Gas) durch die Anammox-Reaktion muss die HRT lang aufrechterhalten werden. Diese HRT kann abhängig von der Konzentration der Mikroorganismen in jedem Reaktionsbehälter und der Konzentration von jeder Art von Stickstoff variieren. Von daher kann eine Vorgangssteuerung durch die NO2/NO3-Sensoren implementiert sein.
Da es schwierig ist, Nitrat-Stickstoff (NO₃) nach der teilweisen Denitrifizierung unter Verwendung des organischen Materials (COD) des Speisewassers im ersten sauerstofffreien Behälter vollständig lediglich in Nitrit-Stickstoff (NO₂) umzuwandeln, wird der primäre Vorgang zu dem Zeitpunkt, zu dem der Nitrat-Stickstoff (NO₃) am wirksamsten in Nitrit-Stickstoff (NO₂) umgewandelt wird, z. B für einen Zeitraum von dreißig bis sechzig Minuten durchgeführt. Von daher kann dem ersten sauerstofffreien Behälter Glycerin zugeführt werden, falls notwendig.
Anschließend werden der Nitrat-Stickstoff (NO₃), der nach der Reaktion im aeroben Behälter übrigbleibt, und der Ammoniak-Stickstoff (NH₄), der nach der Umwandlung in Nitrit-Stickstoff (NO₂) übrigbleibt, einer Deammonifizierung durch die Anammox-Reaktion unterworfen.
Der größte Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Nutzung der organischen Materials in dem Schritt des Entfernens von Stickstoff durch Umwandeln von Nitrit-Stickstoff (NO₂) in Stickstoffgas (N₂-Gas) verringert werden kann und der Wirkungsgrad der Stickstoffentfernung maximiert werden kann.
Beispiele
Beispiel 1: Ein Verfahren zum biologischen Behandeln von Stickstoff unter Verwendung einer Vorrichtung, die einen aeroben Behälter, einen ersten sauerstofffreien Behälter und einen zweiten sauerstofffreien Behälter umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

Einbringen von Speisewasser;
Umwandeln von Ammoniak-Stickstoff in Nitrat-Stickstoff im aeroben Behälter; Umwandeln des Nitrat-Stickstoffs in Nitrit-Stickstoff durch teilweise Denitrifizierung im ersten sauerstofffreien Behälter unter Verwendung eines organischen Materials, das im Speisewasser enthalten ist; und
Umwandeln des Nitrit-Stickstoffs und des Ammoniaks in Stickstoffgas im zweiten sauerstofffreien Behälter unter Verwendung eines Anammox-Mikroorganismus.

Beispiel 2: Das Verfahren aus Beispiel 1, wobei das Speisewasser durch Einbringen einer Menge des Speisewassers in den aeroben Behälter und einer Menge des Speisewassers in den ersten sauerstofffreien Behälter auf aufgeteilte Weise eingebracht wird.
Beispiel 3: Das Verfahren aus Beispiel 2, wobei 40% bis 60% des Speisewassers in den aeroben Behälter eingebracht wird und ein Rest des Speisewassers in den ersten sauerstofffreien Behälter eingebracht wird.
Beispiel 4: Das Verfahren aus Beispiel 2, das ferner Folgendes umfasst:

Einstellen der Menge des Speisewassers, das in den aeroben Behälter eingebracht wird, und der Menge des Speisewassers, das in den ersten sauerstofffreien Behälter eingebracht wird, auf der Grundlage einer Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter und/oder der Konzentrationen von Nitrat und Nitrit im ersten sauerstofffreien Behälter.

Beispiel 5: Das Verfahren aus Beispiel 1, wobei der Ammoniak-Stickstoff in den Nitrat-Stickstoff umgewandelt wird, indem eine Belüftungsintensität und/oder eine Belüftungszeit und/oder eine Belüftungsmenge abhängig von einer Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter bestimmt werden.
Beispiel 6: Das Verfahren aus Beispiel 5, das ferner Folgendes umfasst:

Messen der Ammoniakkonzentration unter Verwendung eines Ammoniaksensors (NH4-Sensors), der dem aeroben Behälter bereitgestellt ist.

Beispiel 7: Das Verfahren aus Beispiel 5, wobei die Belüftungsintensität an einem Startpunkt im aeroben Behälter und an einer Position unmittelbar vor dem ersten sauerstofffreien Behälter bestimmt wird und wobei die Belüftungsintensität, die am Startpunkt im aeroben Behälter bestimmt wird, und die Belüftungsintensität, die an der Position unmittelbar vor dem ersten sauerstofffreien Behälter bestimmt wird, voneinander verschieden sind.
Beispiel 8: Das Verfahren aus Beispiel 5, wobei die Belüftungsintensität und/oder die Belüftungsmenge mit der Zeit abgesenkt werden.
Beispiel 9: Das Verfahren aus Beispiel 1, wobei der Nitrat-Stickstoff in den Nitrit-Stickstoff umgewandelt wird, indem eine Reaktionszeit des ersten sauerstofffreien Behälters auf der Grundlage einer Nitratkonzentration und einer Nitritkonzentration im ersten sauerstofffreien Behälter bestimmt wird.
Beispiel 10: Das Verfahren aus Beispiel 9, wobei die Reaktionszeit des ersten sauerstofffreien Behälters derart bestimmt wird, dass sie kleiner als eine Stunde ist, um einen Anteil des Nitrit-Stickstoffs, der in Stickstoffgas umgewandelt wird, zu minimieren.
Beispiel 11: Das Verfahren aus Beispiel 9, wobei der Nitrit-Stickstoff und der Ammoniak in das Stickstoffgas umgewandelt werden, indem eine Reaktionszeit des zweiten sauerstofffreien Behälters bestimmt wird, und wobei die Reaktionszeit des ersten sauerstofffreien Behälters und die Reaktionszeit des zweiten sauerstofffreien Behälters auf der Grundlage der Nitratkonzentration und der Nitritkonzentration derart bestimmt werden, dass sie voneinander verschieden sind.
Beispiel 12: Das Verfahren aus Beispiel 1, wobei der Ammoniak-Stickstoff und der Nitrit-Stickstoff im zweiten sauerstofffreien Behälter bei einem Molverhältnis im Bereich von 1:1 bis 1:3 zur Reaktion gebracht werden.
Beispiel 13: Eine Vorrichtung zum biologischen Behandeln von Stickstoff, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:

einen aeroben Behälter zum Umwandeln von Ammoniak-Stickstoff eines Speisewassers in Nitrat-Stickstoff;
einen ersten sauerstofffreien Behälter zum Umwandeln des Nitrat-Stickstoffs in Nitrit-Stickstoff; und
einen zweiten sauerstofffreien Behälter zum Umwandeln des Nitrit-Stickstoffs in Stickstoffgas unter Verwendung eines Anammox-Mikroorganismus.

Beispiel 14: Die Vorrichtung aus Beispiel 13, die ferner einen Ammoniaksensor (NH₄-Sensor), der dem aeroben Behälter bereitgestellt ist, umfasst.
Beispiel 15: Die Vorrichtung aus Beispiel 13, die ferner einen Nitratsensor (NO₃-Sensor) und einen Nitritsensor (NO₂-Sensor), die jeweils dem ersten sauerstofffreien Behälter bereitgestellt sind, umfasst.
Beispiel 16: Die Vorrichtung aus Beispiel 13, die ferner eine Speisewasserleitung umfasst, die derart bereitgestellt ist, dass sie zum aeroben Behälter und zum ersten sauerstofffreien Behälter verzweigt ist.
Beispiel 17: Die Vorrichtung aus Beispiel 13, die ferner eine Leitung für eine externe Kohlenstoffquelle zum Zuführen einer externen Kohlenstoffquelle zum ersten sauerstofffreien Behälter umfasst.
Beispiel 18: Die Vorrichtung aus Beispiel 17, wobei die externe Kohlenstoffquelle Glycerin und/oder Methanol und/oder Ethanol und/oder Essigsäure enthält.
Beispiel 19: Die Vorrichtung aus Beispiel 13, wobei der zweite sauerstofffreien Behälter entweder ein Wirbelstrombett-Bioschichtreaktor oder ein Festbett-Bioschichtreaktor ist.
Beispiel 20: Die Vorrichtung aus Beispiel 13, die ferner eine Rückführleitung, die den zweiten sauerstofffreien Behälter und den aeroben Behälter verbindet, umfasst, wobei der Ammoniak-Stickstoff oder der Nitrit-Stickstoff über die Rückführleitung aus dem zweiten sauerstofffreien Behälter zum aeroben Behälter zurückgeführt werden.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichenden Zwecken offenbart worden sind, wird der Fachmann auf dem Gebiet anerkennen, dass diverse Variationen und Modifikationen durch Hinzufügen, Ändern, Löschen usw. von Elementen möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Somit sollten die obigen Ausführungsformen derart verstanden werden, dass sie nicht einschränkend sind, sondern veranschaulichend sind.
Der Umfang der Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche und nicht durch die obige genaue Beschreibung gegeben und alle Änderungen oder abgewandelten Formen, die aus der Bedeutung, dem Bereich und äquivalenten Konzepten der beigefügten Ansprüche abgeleitet werden können, sollten derart interpretiert werden, dass sie im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind.

Claims

Verfahren zur Entfernung von Stickstoff aus Speisewasser in Form von Schmutzwasser und Abwasser unter Verwendung einer Vorrichtung, die einen aeroben Behälter (10), einen ersten sauerstofffreien Behälter (20) und einen zweiten sauerstofffreien Behälter (30) umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einbringen (S1) von Speisewasser in die Vorrichtung, wobei das Speisewasser durch Einbringen einer Menge des Speisewassers in den aeroben Behälter (10) und einer Menge des Speisewassers in den ersten sauerstofffreien Behälter (20) auf aufgeteilte Weise eingebracht wird; Umwandeln (S2) von Ammoniak-Stickstoff in Nitrat-Stickstoff (Nitrifizierungsreaktion) im aeroben Behälter (10) unter Verwendun von Mikroorganismen, die für eine derartige Reaktion geeignet sind; Umwandeln (S3) des Nitrat-Stickstoffs in Nitrit-Stickstoff durch teilweise Denitrifizierung im ersten sauerstofffreien Behälter (20) unter Verwendung eines organischen Materials, das im unbehandelten Speisewasser enthalten ist, wobei das organische Material als Kohlenstoffquelle bei der teilweisen Denitrifizierung im ersten sauerstofffreien Behälter (20) dient; Umwandeln (S4, S5) des Nitrit-Stickstoffs und des Ammoniak-Stickstoffs in Stickstoffgas im zweiten sauerstofffreien Behälter (20) unter Verwendung eines Anammox-Mikroorganismus; und Entfernen von Stickstoffgas.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Menge des Speisewassers, das in den aeroben Behälter (10) eingebracht wird, 40% bis 60% des Speisewassers ist, das in die Vorrichtung eingebracht wird, und die Menge des Speisewassers, das in den ersten sauerstofffreien Behälter (20) eingebracht wird, ein Rest des Speisewassers ist, das in die Vorrichtung eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner Folgendes umfasst: Einstellen der Menge des Speisewassers, das in den aeroben Behälter (10) eingebracht wird, und der Menge des Speisewassers, das in den ersten sauerstofffreien Behälter (20) eingebracht wird, auf der Grundlage einer Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter (10) und/oder den Konzentrationen von Nitrat und/oder Nitrit im ersten sauerstofffreien Behälter (20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Umwandeln (S2) des Ammoniak-Stickstoffs in den Nitrat-Stickstoffs im aeroben Behälter (10) das Bestimmen einer Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter (10) und das Steuern einer Belüftungsintensität und/oder einer Belüftungszeit und/oder eine Belüftungsmenge auf der Grundlage der bestimmten Ammoniakkonzentration im aeroben Behälter (10) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Belüftungsintensität an einer Einbringposition im aeroben Behälter (10) und an einer Position des aeroben Behälters (10) unmittelbar stromaufwärts von einer Position, von der aus das Speisewasser aus dem aeroben Behälter in den ersten sauerstofffreien Behälter (20) eingebracht wird, gesteuert wird und wobei die Belüftungsintensität an der Einbringposition im aeroben Behälter (10) und die Belüftungsintensität an der Position des aeroben Behälters (10) unmittelbar stromaufwärts von der Position, von der aus das Speisewasser aus dem aeroben Behälter in den ersten sauerstofffreien Behälter (20) eingebracht wird, voneinander verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Belüftungsintensität und/oder die Belüftungsmenge des Speisewassers mit der Zeit abgesenkt werden, nachdem es in die Vorrichtung eingebracht worden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Umwandeln (S3) des Nitrat-Stickstoffs in den Nitrit-Stickstoff Bestimmen einer Nitratkonzentration und/oder einer Nitritkonzentration im ersten sauerstofffreien Behälter (20) und Steuern einer Reaktionszeit im ersten sauerstofffreien Behälter (20) auf der Grundlage der Nitratkonzentration und/oder der Nitritkonzentration im ersten sauerstofffreien Behälter (20) wie bestimmt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Reaktionszeit im ersten sauerstofffreien Behälter (20) kleiner als eine Stunde ist, um einen Anteil des Nitrit-Stickstoffs, der in Stickstoffgas umgewandelt wird, zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Umwandeln (S3) des Nitrat-Stickstoffs in Nitrit-Stickstoff durch teilweise Denitrifizierung im ersten sauerstofffreien Behälter (20) das Steuern einer Reaktionszeit im zweiten sauerstofffreien Behälter (30) umfasst und wobei die Reaktionszeit des ersten sauerstofffreien Behälters (20) und die Reaktionszeit des zweiten sauerstofffreien Behälters (30) auf der Grundlage der Nitratkonzentration und/oder der Nitritkonzentration wie bestimmt voneinander verschieden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Ammoniak-Stickstoff und der Nitrit-Stickstoff im zweiten sauerstofffreien Behälter (30) bei einem Molverhältnis im Bereich von 1:1 bis 1:3 zur Reaktion gebracht werden.
Vorrichtung zur Entfernung von Stickstoff aus Schmutzwasser und Abwasser, wobei dieses als Speisewasser in die Vorrichtung eingebracht wird und wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen aeroben Behälter (10) zum Umwandeln von Ammoniak-Stickstoff des Speisewassers in Nitrat-Stickstoff; einen ersten sauerstofffreien Behälter (20) zum Umwandeln des Nitrat-Stickstoffs in Nitrit-Stickstoff durch teilweise Denitrifizierung im ersten sauerstofffreien Behälter (20) unter Verwendung eines organischen Materials, das im Speisewasser enthalten ist; und einen zweiten sauerstofffreien Behälter (30) zum Umwandeln des Nitrit-Stickstoffs und des Ammoniak-Stickstoffs in Stickstoffgas unter Verwendung eines Anammox-Mikroorganismus, wobei die Vorrichtung ferner eine Speisewasserleitung (L1) umfasst, die zum aeroben Behälter (10) und zum ersten sauerstofffreien Behälter (20) verzweigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, die ferner einen Ammoniaksensor (NH₄-Sensor), der dem aeroben Behälter (10) bereitgestellt ist, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, die ferner einen Nitratsensor (NO₃-Sensor) und/oder einen Nitritsensor (NO₂-Sensor), die dem ersten sauerstofffreien Behälter (10) bereitgestellt sind, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, die ferner eine Leitung (L2) für eine externe Kohlenstoffquelle zum Zuführen einer externen Kohlenstoffquelle zum ersten sauerstofffreien Behälter (20) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der zweite sauerstofffreien Behälter (20) entweder ein Wirbelstrombett-Bioschichtreaktor oder ein Festbett-Bioschichtreaktor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, die ferner eine Rückführleitung (L3), die den zweiten sauerstofffreien Behälter (30) und den aeroben Behälter (10) verbindet, umfasst, wobei die Rückführleitung (L3) konfiguriert ist, den Ammoniak-Stickstoff und/oder den Nitrit-Stickstoff aus dem zweiten sauerstofffreien Behälter (30) zum aeroben Behälter (10) zurückzuführen.