DE102022102019A1

DE102022102019A1 - Verfahren zur Entfernung von Nitrat aus Membranfiltrationskonzentraten

Info

Publication number: DE102022102019A1
Application number: DE102022102019.3A
Authority: DE
Inventors: Torsten Hentschel; Ekaterina Vasyukova
Original assignee: WTE Wassertechnik GmbH
Current assignee: WTE Wassertechnik GmbH
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationskonzentrat („Konzentrat“), wobei das Konzentrat aus der Aufbereitung von Rohwässern mittels Umkehrosmose und/oder Nanofiltration für die Trink- und/oder Betriebswasseraufbereitung stammt, umfassend ein Leiten des Konzentrats über das Filterbett mit einem körnigen und/oder partikulären und biologisch aktivierten Filtermaterial zur Durchführung einer mikrobiellen Denitrifikation sowie einen Reaktor, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung stellt auf das technische Gebiet der Wassertechnik ab, insbesondere auf die Behandlung von Membranfiltrationskonzentraten aus der Trink- und Betriebswasseraufbereitung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Behandlung von Umkehrosmose- und Nanofiltrationskonzentraten und darüber hinaus einen Reaktor, welcher für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Behandlung von Umkehrosmose- und Nanofiltrationskonzentraten eingerichtet ist. Insbesondere können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. mit dem erfindungsgemäßen Reaktor Nitrate aus Umkehrosmose- oder Nanofiltrationskonzentration entfernt werden.
Bei Nitraten handelt es sich um wasserlösliche Salze der Salpetersäure, welche im Rahmen des Stickstoffkreislaufs durch eine metabolische Umsetzung von stickstoffhaltigen Verbindungen durch nitrifizierende Bakterien im Boden gebildet werden. Die Nitrate wiederum werden von Pflanzen aufgenommen und vom pflanzlichen Stoffwechsel als Stickstoffquelle genutzt oder von sogenannten denitrifizierenden (Boden-)Bakterien in atmosphärischen Stickstoff umgewandelt. Unter natürlichen Bedingungen werden insgesamt nur geringe Mengen an Stickstoff ausgebracht, so dass dessen Verfügbarkeit in fast allen terrestrischen und einigen aquatischen Ökosystemen der limitierende Wachstumsfaktor ist.
Erhöhte Nitratwerte in Grund-, Oberflächen- und Brunnenwasser sowie sonstigen Gewässern sind im Hinblick auf gesundheitliche Aspekte von Menschen und Tieren problematisch. Die „Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch“ (Trinkwasserverordnung - TrinkwV) legt daher in Deutschland für die Nitratkonzentration in Trinkwasser einen Grenzwert von maximal 50 mg/l fest.
Trink- bzw. Betriebswasser werden üblicherweise aus sogenannten Rohwässern, wie Quell-, Oberflächen- und Grundwasser oder aber auch Meerwasser, gewonnen. Da stark nitratbelastete Quell-, Oberflächen- und Grundwässer mit den oben beschriebenen Gesundheitsgefahren einhergehen, müssen viele Wasserwerke bestehende Grundwasserreservoirs aufgeben und neue, tiefer liegende Grundwasservorräte erschließen bzw. alternativ aufwendigere Aufbereitungstechniken zur Wasserbehandlung anwenden.
Eine Technik zur Entfernung von niedermolekularen Stoffen, wie z.B. Nitrat, aus Rohwässern sind Membranfiltrationsverfahren, insbesondere Umkehrosmose oder Nanofiltration. Die Aufbereitung von Betriebs- oder Trinkwasser mittels Membranfiltration, insbesondere Umkehrosmose und teilweise Nanofiltration, führt jedoch zu einer erheblichen Anreicherung von Nitrat im Abwasserstrom bzw. dem Konzentrat oder Retentat der Filtrationsverfahren. Die Nitratkonzentration in UmkehrosmoseKonzentraten aus der Betriebs- oder Trinkwasseraufbereitung überschreitet regelmäßig die gesetzlich festgelegten Grenzwerte für Gesamtstickstoff für eine Direkteinleitung in Fließgewässer oder eine öffentliche Kanalisation (für Deutschland: Verordnung des Bundesministers für Land- und Forstwirtschaft über die Begrenzung von Abwasseremissionen aus der Wasseraufbereitung (AEV Wasseraufbereitung), BGBI. II Nr. 128/2019, kurz: Direkteinleiterverordnung). Aus Gründen des Umweltschutzes, insbesondere um eine weitere Nitratbelastung von Grund- und Oberflächenwässern zu verhindern, ist daher vor der Entsorgung bzw. Direkteinleitung in der Regel eine aufwändige Behandlung des Umkehrosmose-Konzentrats aus der Trink- oder Betriebswasseraufbereitung erforderlich. Alternativ muss das Aufbereitungsverfahren, d.h. die Umkehrosmose oder Nanofiltration, so angepasst werden, dass die Nitratkonzentration im Abwasser gering gehalten wird.
Vor dem Hintergrund der erforderlichen aufwändigen Nachbehandlungsverfahren wird die Trink- bzw. Betriebswasserausbeute bei Membranfiltrationsverfahren, insbesondere Umkehrosmose- und Nanofiltrationsverfahren, durch die starke Nitratbelastung im Konzentrat bzw. Retentat limitiert. Eine Erhöhung der Ausbeute ist üblicherweise auch mit einer Erhöhung der im Konzentrat verbleibenden Nitratmenge verbunden. Im Ergebnis ist eine verbesserte Produktivität der Aufbereitungsverfahren, insbesondere Membranfiltrationsverfahren, für Trink- und Betriebswasser wünschenswert.
Vor dem Hintergrund der zuvor geschilderten Nachteile besteht im Stand der Technik Bedarf, die Aufbereitung von Rohwässern, insbesondere für die Betriebs- oder Trinkwassererzeugung, im Hinblick auf Nachhaltigkeit, Umweltverträglichkeit und Produktivität zu verbessern.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren oder eine Vorrichtung bereitzustellen, welches oder welche die zuvor genannten Nachteile überwindet oder aber zumindest abschwächt.
Insbesondere soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitgestellt werden, welches die Betriebs- oder Trinkwassererzeugung im Hinblick auf Nachhaltigkeit, Umweltverträglichkeit und Produktivität verbessert.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die zuvor geschilderte Aufgabe - gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung - durch ein Verfahren zur Behandlung von Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationskonzentrat („Konzentrat“) gelöst.
Weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist - gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt - ein Reaktor mit einem Filterbett zur Verwendung bei der Behandlung von Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationskonzentrat („Konzentrat“).
Es versteht sich von selbst, dass Merkmale, welche nur im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt konkret beschrieben sind, gleichermaßen für den zweiten erfindungsgemäßen Aspekt gelten und vice versa.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit - gemäß einem ersten Aspekt - ein Verfahren zur Behandlung von Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationskonzentrat („Konzentrat“), wobei das Konzentrat aus der Aufbereitung von Rohwässern mittels Umkehrosmose und/oder Nanofiltration für die Trink- und/oder Betriebswasseraufbereitung stammt, umfassend:

(a) Einleiten des zu behandelnden Konzentrats in ein Filter, wobei das Filter ein Filterbett mit einem körnigen und/oder partikulären Filtermaterial aufweist und wobei das Filtermaterial einen Biofilm mit Mikroorganismen für eine mikrobielle Denitrifikation aufweist,
(b) Leiten des Konzentrats über das Filterbett, wobei das Konzentrat das körnige und/oder partikuläre Filtermaterial zur Durchführung einer mikrobiellen Denitrifikation durchströmt, und
(c) Ausleiten des gereinigten bzw. denitrifizierten Konzentrats aus dem Filterbett,

Dass das erfindungsgemäße Verfahren für die Behandlung von Umkehrosmose- bzw. Nanofiltrationskonzentraten, insbesondere unter Durchführung einer Denitrifikation im Filterbett, geeignet ist, ist vor dem Hintergrund des mitunter hohen Gehalts an gelösten Salzen und Härtebildnern in den Konzentraten überraschend. Bislang stellt der hohe Gehalt an Salz und Härtebildnern in Umkehrosmose- bzw. Nanofiltrationskonzentraten einen limitierenden Faktor für eine Aufreinigung im Filterbett dar, da Salze und Härtebildner im Filterbett ausfallen und zu Verkalkungen führen können, was letzten Endes zu einem Verblocken des Filters führt. Erfindungsgemäß wird daher erstmals ein Verfahren auf Basis eines partikulären bzw. körnigen Filtermaterials bereitgestellt, welches auch für die Behandlung von Wässern mit hohem Gehalt an Salz, insbesondere in Form von Nitraten, und Härtebildnern geeignet ist und der Entfernung von Nitrat dient.
Mit seiner hohen Nitratabbaurate kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine deutliche Erhöhung der Trinkwasserausbeute in Membranfiltrationsverfahren, insbesondere Nanofiltrations- und Umkehrosmoseverfahren, zur Aufbereitung von Rohwasser auf Trinkwasser- oder Betriebswasserqualität erzielt werden. Wie eingangs ausgeführt, wird bislang die Ausbeute von Umkehrosmose oder Nanofiltrationsverfahren durch die Nitrat- bzw. Gesamtstickstoffanreicherung in den dabei anfallenden Konzentraten bzw. Abwässern limitiert, d.h. die Aufbereitungsverfahren laufen nicht unter Vollauslastung, um zu große Nitrat- oder Stickstoffkonzentrationen im anfallenden Abwasser bzw. Konzentrat zu vermeiden. Hohe Nitrat- bzw. Gesamtstickstoffkonzentrationen insbesondere oberhalb der gesetzlich festgelegten Grenzwerte stehen einer Direkteinleitung der Konzentrate in Fließgewässer oder sonstige Wasserkörper zu Zwecken der Entsorgung bzw. Rezyklierung in den Wasserkreislauf in der Regel entgegen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher eine ökonomische und umweltsowie ressourcenschonende separate Reinigungsstufe für Abwässer aus der Trink- und/oder Betriebswasseraufbereitung bereitgestellt, welche auch die Entfernung großer Nitratmengen aus den Abwässern und damit deren Direkteinleitung in den Wasserkreislauf ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit weiteren Vorteilen und Besonderheiten verbunden, welche nachfolgend geschildert und als Indiz für das Vorliegen einer erfinderischen Tätigkeit zu werten sind:

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann mitunter eine Nitratabbaurate bzw. Denitrifikationsrate von über 2,0 kgNO₃-N/(m³d) erzielt werden. Auch die Gesamtstickstoffkonzentration in stickstoff- bzw. nitratbelasteten Abwässern aus der Trink- oder Betriebswasseraufbereitung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf Werte unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte für eine Direkteinleitung gebracht werden. Wie die nachfolgend geschilderten Ausführungsbeispiele belegen, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mitunter ein Abbaugrad des Gesamtstickstoffs von über 90 % auch in stark nitratbelasteten Wässern bzw. Konzentraten erzielt.

Weiterhin ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren im kontinuierlichen Betrieb zu führen, wodurch die Verfahrenseffizienz weiterführend gesteigert werden kann. Bei einem kontinuierlichen Betrieb ist insbesondere nur eine einmalige Anfahrphase bzw. einmalige Adaption der Mikroorganismen an die Prozessbedingungen für die Denitrifikation erforderlich.
Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren umwelt- und ressourcenschonend, da es ohne den Zusatz von umweltbelastenden oder aufwendig zu entsorgenden Chemikalien auskommt. Auch kann das Verfahren ohne Temperaturregulation durchgeführt werden, d.h. es wird keine Energie zum Kühlen oder Erwärmen benötigt.
Die zuvor geschilderten Vorteile und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung sind als Indiz für das Vorliegen einer erfinderischen Tätigkeit zu werten.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachfolgend im Detail beschrieben. In diesem Zuge werden auch die zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendeten Begriffe weiterführend erläutert:

Unter dem Begriff „Umkehrosmose- bzw. Nanofiltrationskonzentrate“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Konzentrate bzw. Abwässer verstanden, welche bei der Aufbereitung von Rohwässern mittels Membranfiltrationsverfahren, insbesondere Umkehrosmose oder Nanofiltration, anfallen. Synonym kann für die Konzentrate auch der Begriff „Retentate“ verwendet werden. Insbesondere stammen die Konzentrate, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden, aus der Aufbereitung von Rohwasser zu Trink- oder Betriebswasser. Im Konzentrat bzw. Abwasser befinden sich die bei der Aufbereitung mittels Filtration zurückbehaltenen niedermolekularen Substanzen, wie z.B. Salze, welche auch Nitrate umfassen.

Unter dem Begriff „Rohwasser“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedwedes unbehandelte Wasser, welches Oberflächenquellen, wie beispielweise Teichen, Talsperren, Seen oder Flüssen, oder aber unter der Oberfläche liegenden Wasserquellen, wie Brunnen oder Grundwasser, entstammt, verstanden. Darüber hinaus wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Meerwasser als Rohwasser im Sinne der Erfindung verstanden.
Unter dem Begriff „Denitrifikation“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die mikrobielle Umwandlung des in Form von Nitrat gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff bzw. Stickstoffgas und Stickoxiden durch Denitrifizierer bzw. Denitrifikanten verstanden. Die Denitrifikation umfasst - ohne sich hierbei auf diese Theorie beschränken zu wollen - als ersten Teilabschnitt die Reduktion von Nitrat zu Nitrit, welche durch das Enzym Nitratreduktase katalysiert wird. Weiterhin umfasst die Denitrifikation die Reduktion von Nitrit zu Stickstoffmonooxid, welche durch das Enzym Nitritreduktase katalysiert wird. Darüber hinaus umfasst die Denitrifikation als weiteren Teilschritt die Reduktion von Stickstoffmonooxid zu Distickstoffmonooxid, wobei die Reaktion durch das Enzym Stickstoffmonooxid-Reduktase umgesetzt wird. Durch das Enzym Distickstoffmonooxid-Reduktase wird als letzter Teilschritt die Reduktion von Distickstoffmonooxid zu molekularem Stickstoff bzw. Stickstoffgas katalysiert.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Biofilm mit Mikroorganismen, welche eine mikrobielle Denitrifikation zu katalysieren im Stande sind, auf dem Filtermaterial, insbesondere dessen Partikeln bzw. Körnern, angesiedelt ist bzw. aufwächst. Die Mikroorganismen, welche die Denitrifikation ausführen bzw. bewirken, können auch als Denitrifizierer bzw. Denitrifikanten bezeichnet werden. Unter anderem kann es sich bei denitrifizierenden Bakterien bzw. Denitrifizierern um fakultativ anaerobe Bakterien verschiedener Gattungen handeln, welche vorzugsweise unter im Wesentlichen anaeroben Bedingungen Energie durch Denitrifikation gewinnen. Bakterien, welche zur Denitrifikation fähig sind, gehören beispielsweise den Gattungen Agrobacterium, Alcaligenes, Azospirillum, Acidovorax, Arcobacter Bacillus, Flavobacterium, Hydrogenophaga, Hyphomicrobium, Paracoccus, Pseudomonas, Rhodopseudonomas, Thiobacillus, Thiomicrospira, Simplicispira, Streptomyces oder Actonomyces, insbesondere Acidovorax, Arcobacter, Flavobacterium, Hydrogenophaga und/oder Simplicispira, an, wobei die vorliegende Auflistung nicht abschließend zu verstehen ist. Wie nachfolgend noch ausgeführt, hängt die Biozönose des Biofilms auf dem Filtermaterial insbesondere von den mit dem Verfahren behandelten Konzentraten, d.h. den darin befindlichen Mikroorganismen, ab. Vorzugsweise stellt sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Biofilm eine Mischpopulation verschiedenster Mikroorganismen ein, welche letzten Endes die Stickstoff-, insbesondere Nitratelimination, in den zu behandelnden Konzentraten bewirken.
Die für die Durchführung der Denitrifikation oder Nitrateliminierung erforderliche Biozönose in dem Biofilm stellt sich insbesondere durch die nachfolgend noch beschriebene Konditionierung des jeweils eingesetzten Umkehrosmose- bzw. Nanofiltrationskonzentrats ein. Die Ansiedelung und Einstellung der Biozönose erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise in einer Anfahrphase des Filterbetts über den diesbezüglich erforderlichen Zeitraum. Vor dem Beschicken des Filterbetts mit den Konzentraten bzw. vor dem Anfahren mit Konzentraten kann das Filterbett mit einer Starterkultur, z.B. auf Basis von Paracoccus denitrificans, angeimpft werden. Üblicherweise stellt sich die Biozönose in dem Biofilm in Abhängigkeit von den in den jeweils eingesetzten Umkehrosmose- oder Nanofiltrationskonzentraten bereits enthaltenen Mikroorganismen ein bzw. variiert je nach eingesetztem Umkehrosmose- oder Nanofiltrationskonzentrat. Diesbezüglich wird bereits an dieser Stelle auf die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele verwiesen, welche exemplarisch ein Anfahren bzw. die Inbetriebnahme eines geeigneten Filters beschreiben.
Mit der erfindungsgemäßen Konditionierung des Konzentrats werden Milieubedingungen geschaffen, welche die Ansiedelung und Aufrechterhaltung der für die Denitrifikation erforderlichen Mikroorganismen bzw. Biozönose auf dem Trägermaterial und deren Aufrechterhaltung ermöglichen:

Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationskonzentrat, insbesondere aus der Trink- und/oder Betriebswasseraufbereitung, als solches ist in der Regel zumindest im Wesentlichen frei von oder zumindest arm an Kohlenstoffverbindungen bzw. weist keinen nennenswerten chemischen Sauerstoffbedarf auf. Vor diesem Hintergrund ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, das Umkehrosmose- bzw. Nanofiltrationskonzentrat vor bzw. während des Verfahrens auf einen definierten chemischen Sauerstoffbedarf einzustellen.

Bei dem chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) handelt es sich um ein Maß für die Summe aller organischen Verbindungen im Wasser. Der CSB kennzeichnet dabei die Menge an Sauerstoff, welche zur Oxidation der gesamten, im Wasser enthaltenen organischen Stoffe verbraucht wird. Der CSB kann insbesondere mit einer photometrischen Messmethode gemäß DIN 15705 oder mittels maßanalytischer Messmethode gemäß DIN 38409-H41 bestimmt werden. Die den CSB bildenden Stoffe und Substanzen können den Mikroorganismen im Biofilm als Energie-, insbesondere Kohlenstoffquelle dienen.
Gemäß einer diesbezüglich besonders bevorzugten Ausführungsform kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Konzentrat vor und/oder während des Verfahrens, vorzugsweise in Verfahrensschritt (a) bzw. im Zulauf, auf einen CSB (chemischen Sauerstoffbedarf) im Bereich von 5 bis 200 mg/l, insbesondere 20 bis 160 mg/l, vorzugsweise 30 bis 150 mg/l, bevorzugt 40 bis 130 mg/l, eingestellt wird.
In diesem Zusammenhang kann es zudem vorgesehen sein, den CSB an den Stickstoff- bzw. Nitratgehalt im Konzentrat anzupassen, insbesondere wobei der CSB derart eingestellt wird, dass der Nitratabbau nicht durch einen Mangel an organischen Energiequellen limitiert wird, aber das denitrifizierte Konzentrat beim Ausleiten bzw. im Ablauf nur noch einen CSB unterhalb der in der Direkteinleiterverordnung festgelegten Grenzwerte für den CSB aufweist. Derzeit legt die Direkteinleiterverordnung einen Grenzwert von maximal 90 mg/l für den CSB fest.
Bevorzugt erfolgt die Einstellung des CSB durch Zugabe einer Kohlenstoffquelle für die im Biofilm enthaltenen Mikroorganismen, insbesondere durch die Zugabe von leicht biologisch abbaubaren organischen Säuren, insbesondere Essigsäure. Bei Essigsäure handelt es sich um eine leicht abbaubare, kostengünstige und daher insgesamt verfahrensökonomische Kohlenstoffquelle. Nichtsdestotrotz kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit allen anderen, dem Fachmann grundsätzlich bekannten Kohlenstoffquellen für Mikroorganismen mit vorzugsweise heterotrophem Stoffwechsel durchgeführt werden, wie zum Beispiel Zitronensäure, Succinat oder diversen Sacchariden. Die Auswahl einer geeigneten Kohlenstoffquelle ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und bedarf keiner weiteren Ausführungen.
Darüber hinaus hat es sich im Hinblick auf den bakteriellen Stoffwechsel als vorteilhaft erwiesen, wenn dem Konzentrat vor und/oder während des Verfahrens, vorzugsweise in Verfahrensschritt (a) bzw. im Zulauf, eine Phosphorquelle für die im Biofilm enthaltenen Mikroorganismen zudosiert wird, insbesondere wobei als Phosphorquelle Phosphorsäure eingesetzt wird. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Phosphorquelle 0,3 %-ige Phosphorsäure eingesetzt.
Auch die Phosphorquelle wird vorzugsweise derart zudosiert, dass der Nitratabbau nicht durch einen Phosphormangel limitiert wird, aber die Phosphatkonzentration im denitrifizierten Konzentrat die für Phosphor festgelegten gesetzlichen Grenzwerte - derzeit in Deutschland 2 mg/l - für eine Direkteinleitung nicht überschreitet.
Darüber hinaus hat es sich insbesondere im Hinblick auf hohe Nitratkonzentrationen im Zulauf, vorzugsweise Nitratkonzentrationen von mehr als 2.000 g/m³, als vorteilhaft erwiesen, wenn dem Konzentrat vor und/oder während des Verfahrens, vorzugsweise in Verfahrensschritt (a) bzw. im Zulauf, eine Eisenquelle, bevorzugt eine Eisen-(II)-Quelle, zudosiert wird. Bevorzugt wird als Eisen-(II)-Quelle Eisen(II)-sulfat, insbesondere in Form von FeSO₄ · 7 H₂O, eingesetzt. Erfindungsgemäß kann es insbesondere vorgesehen sein, dass eine Konzentration von Eisen im Zulauf im Bereich von 0,0001 mg/l bis 10 mg/l, insbesondere 0,001 bis 5 mg/l, bevorzugt 0,01 bis 2 mg/l, besonders bevorzugt 0,1 bis 1 mg/l, bezogen auf den Zulauf, eingesetzt wird. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Konzentration von 0,2 mg/l Eisen, insbesondere Eisen(II)-sulfat, bezogen auf den Zulauf, im Zulauf eingesetzt.
Weiterhin hat es sich im Hinblick auf die Förderung der Denitrifikation durch die Mikroorganismen als vorteilhaft erwiesen, wenn dem Konzentrat bei Bedarf vor und/oder während des Verfahrens, vorzugsweise in Verfahrensschritt (a) bzw. im Zulauf, Spurenelemente für die im Biofilm enthaltenen Mikroorganismen zudosiert werden. Vorzugsweise werden die Spurenelemente im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aus der Gruppe von Zink, Mangan, Bor, Kobalt, Kupfer, Nickel und/oder Molybdän und/oder deren Salzen, ausgewählt.
Im Zusammenhang mit dem Zusatz von Spurenelementen ist es besonders bevorzugt, wenn die Spurenelemente dem Konzentrat in Form von Zinksulfat (ZnSO₄), Manganchlorid (MgCl₂), Borsäure (H₃Bo₃), Kobaltchlorid (CoCl₂), Kupferchlorid (CuCl₂), Nickelchlorid (NiCl₂) und/oder Natriummolybdat (Na₂MoO₄), vorzugsweise in gelöster Form, zugeführt bzw. zudosiert werden.
Auf Basis der zuvor beschriebenen Konditionierungen des zu behandelnden Konzentrats können die Milieubedingungen für die mikrobielle Denitrifikation bzw. die im Biofilm enthaltenen Mikroorganismen zielgerichtet eingestellt werden, was letzten Endes zu einer verbesserten bzw. hohen Nitratabbaurate führt, da für die Mikroorganismen im Hinblick auf den Denitrifikationsstoffwechsel optimale Bedingungen geschaffen werden.
Um die Nitratabbauleistung der Mikroorganismen im Biofilm konstant hoch bzw. aufrecht zu erhalten, ist es erfindungsgemäß zudem bevorzugt, wenn die Ausbildung des Biofilms auf dem körnigen und/oder partikulären Filtermaterial reguliert und/oder gesteuert wird. Durch die Regulierung bzw. Steuerung wird zum einen sichergestellt, dass übermäßiges Wachstum der Mikroorganismen bzw. eine übermäßige Ausbildung des Biofilms, welche zu einer Verblockung des Filterbetts führen würde, verhindert wird. Gleichermaßen wird sichergestellt, dass Biofilm auf dem partikelförmigen bzw. körnigen Filtermaterial dennoch hinreichend ausgebildet ist, um eine leistungsfähige Denitrifikation zu erlauben.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Regulierung bzw. Steuerung der Ausbildung des Biofilms auf dem Filtermaterial durch ein Reduzieren des Biofilms auf dem körnigen und/oder partikulären Filtermaterial. Das Reduzieren des Biofilms kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen im Hinblick auf die Regulierung des Biofilms und die Einstellung des Filtermaterials bzw. Filterbetts werden nachfolgend beschrieben:

Erfindungsgemäß hat es sich im Hinblick auf die Einstellung bzw. Regulierung des Biofilms als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ausbildung des Biofilms durch den Eintrag mindestens eines Fluids in das Filterbett reguliert und/oder gesteuert wird. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn das Filterbett und/oder das Filtermaterial vollständig oder teilweise fluidisiert wird.

Ohne sich hierbei auf diese Theorie beschränken zu wollen, werden durch den Fluideintrag im Filterbett turbulente Strömungen erzeugt, welche zum einen zu einer Grenzschicht um die Partikel führen und zum anderen zu einem Abscheren eines Teils der Biomasse auf den Partikeln.
Die Schwierigkeit der Fluidisierung besteht erfindungsgemäß insbesondere darin, dass einerseits das Filterbett mit seinen spezialisierten Mikroorganismen so langsam und gleichmäßig durchströmt werden sollte, dass eine möglichst lange Kontaktzeit mit dem umgebenden Medium gewährleistet ist. Gleichzeitig muss jedoch auch sichergestellt werden, dass die wachsende Biomasse nicht das Filterbett verblockt und so den Stoffaustausch mit dem umgebenden Medium verhindert. Sind der Fluideintrag bzw. die mittels Fluideintrag erzeugten Strömungen zu stark, wird der Biofilm auf dem Träger zu stark abgeschert und die Biomasse zu stark reduziert und gleichzeitig die Zeit für einen Stoffaustausch mit dem umgebenden Fluid reduziert. Ist der Fluideintrag zu schwach oder zu gering, kann durch die stetig wachsende Biomasse das Filterbett verblocken, so dass ein Medienaustausch unvorteilhaft verhindert wird. Darüber hinaus besteht bei partikulären bzw. körnigen Filtermaterialien das Risiko eines Ausfalls von Härtebildnern und Salzen, da die Umkehrosmose- bzw. Nanofiltrationskonzentrate einen hohen Salz- und Nitratgehalt aufweisen.
Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß wünschenswert, den Biofilm bzw. die Menge an Mikroorganismen auf dem Filtermaterial derart einzustellen, insbesondere derart zu regulieren, dass zwar ein Verblocken des Filters verhindert wird, gleichzeitig jedoch ausreichend Biomasse auf dem Filtermaterial für die Denitrifikation erhalten bleibt. Gleichzeitig sollte zudem einem Ausfall von Härtebildnern und Salzen vorgebeugt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Fluid aus Luft, technischen Gasen und/oder Wasser, besonders bevorzugt Luft und/oder technischen Gasen, ausgewählt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich weiterhin gezeigt, dass die oben beschriebene Problematik im Hinblick auf ein unter Umständen zu starkes bzw. zu geringes Ablösen der Biomasse von den Partikeln oder Körnern des Filtermaterials überwunden werden kann, wenn der Fluideintrag in Abhängigkeit von dem Filterwiderstand gesteuert wird. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Fluideintrag dabei mittels Zeit-Pause-Steuerung in Abhängigkeit vom Filterwiderstand gesteuert.
Der Filterwiderstand hat sich als geeignetes, indirektes Maß für die Ausbildung des Biofilms auf dem Filtermaterial erwiesen. Unter dem Filterwiderstand wird im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren der beim Durchströmen des Filterbetts mit dem zu behandelnden Konzentrat auftretende Druckverlust, gemessen oder angegeben in cm Wassersäule [cmWs], verstanden. Ein Meter Wassersäule (= 100 cmWs) entspricht unter Normfallbeschleunigung 9,80665 kPa. Mit zunehmender Biofilmbildung und damit dichterem Filtermaterial steigt auch der Filterwiderstand bzw. Druckverlust, wohingegen ein Reduzieren des Biofilms zu einem Absinken des Filterwiderstands bzw. einem geringeren Druckverlust führt. Die Messung oder Überwachung des Filterwiderstands erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Fachmann grundsätzlich bekannten Mitteln bzw. Messeinrichtungen oder Drucksensoren.
Erfindungsgemäß, insbesondere bei Regulierung des Fluideintrags mittels Zeit-Pause-Steuerung, kann es insbesondere vorgesehen sein, dass der Fluideintrag bei steigendem Filterwiderstand, insbesondere bei Überschreiten eines Grenzwerts, erhöht wird und/oder einsetzt. Gleichermaßen kann es in diesem Zuge vorgesehen sein, dass der Fluideintrag bei sinkendem Filterwiderstand, insbesondere bei Unterschreiten eines Grenzwerts, verringert und/oder gestoppt wird.
Geeignete Werte für den Filterwiderstand bzw. eine Zeit-Pause-Steuerung können in weiten Bereichen variieren und sind insbesondere vom partikulären bzw. körnigen Filtermaterial, darüber hinaus jedoch auch von der Dimensionierung des Filterbetts abhängig und dementsprechend durch den Fachmann auszuwählen bzw. zu bestimmen. Zur Bestimmung eines geeigneten Filterwiderstands wird vorzugsweise die Nitratabbaurate herangezogen. Sowohl ein zu geringer als auch ein zu hoher Filterwiderstand würden die Nitratabbaurate negativ beeinträchtigen.
Bei Einsatz eines körnigen bzw. partikulären Filtermaterials auf Basis von Sand mit einer Körnung im Bereich von 1 mm bis 2 mm in einer halbtechnischen Anlage hat es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft erwiesen, wenn mithilfe des Fluideintrags ein Filterwiderstand im Bereich von 20 cmWs und 60 cmWs eingestellt wird. Weisen die Partikel bzw. Körner des Filtermaterials eine größere bzw. gröbere Körnung auf, sind höhere Werte denkbar. Weist das Filtermaterial eine feinere Körnung auf, dürften geringere Werte vorteilhaft sein.
Im Ergebnis ist es erfindungsgemäß bevorzugt, die Menge bzw. den Volumenstrom und/oder die Intensität bzw. den Druck des eingetragenen Fluids derart einzustellen, dass es zu einer gewissen Durchströmung des Filtermaterials kommt, um zum einen die Grenzschicht um die Partikel des Filtermaterials zu erneuern bzw. den Stoffaustausch zwischen Filtermaterial bzw. Biofilm sowie dem zu behandelnden Konzentrat aufrechtzuerhalten, und zum anderen eine zu starke Biofilmbildung auf dem Filtermaterial zu verhindern. Dabei muss insbesondere beachtet werden, dass der Fluideintrag nicht überdosiert wird, da dies zu einer übermäßigen oder fast vollständigen Ablösung des Biofilms von den Partikeln bzw. Körnern des Filtermaterials führen würde. Als geeigneter Referenzwert zur Einstellung bzw. Steuerung des Fluideintrags hat sich erfindungsgemäß der Filterwiderstand erwiesen.
Der Eintrag des Fluids in das Filterbett bzw. Filtermaterials erfolgt vorzugsweise über dem Fachmann grundsätzlich bekannte bzw. übliche Fluideinlässe, insbesondere Luft- bzw. Gaseinlässe. In diesem Zusammenhang kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine Fluid über mindestens einen, vorzugsweise mehrere Fluideinlässe in das Filterbett und/oder Filtermaterial eingetragen wird. Die Anordnung bzw. Positionierung des Fluideintrags in das Filterbett richtet sich in erster Linie nach den Bereichen des Filterbetts, welche fluidisiert werden sollen, insbesondere danach, ob eine vollständige oder nur teilweise Fluidisierung vorgesehen ist. Darüber hinaus sind die Fluideinlässe bzw. deren Anzahl und Anordnung an die Form und Dimensionierung des Filterbetts anzupassen.
Um abgetragene und/oder abgestorbene Biomasse sowie sonstige partikuläre Rückstände des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem Konzentrat zu entfernen, kann es erfindungsgemäß zudem vorgesehen sein, dass das behandelte bzw. denitrifizierte Konzentrat beim Ausleiten aus dem Filterbett, vorzugsweise im Ablauf, einer weiteren Filtration, insbesondere über einen Partikel- und/oder Sterilfilter, unterzogen wird.
Weitere spezielle Ausführungsformen in Bezug auf den Fluideintrag sind nachfolgend beschrieben:

Entsprechend einer ersten möglichen Ausführungsform kann es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der Fluideintrag über mindestens einen Fluideinlass im Bereich der Längsachse des Filterbetts erfolgt. Eine Fluidisierung bzw. ein Fluideintrag über mindestens einen Fluideinlass im Bereich der Längsachse des Filterbetts hat sich insbesondere im Hinblick auf eine kontinuierliche, jedoch nur partielle Fluidisierung des Filterbetts als vorteilhaft erwiesen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass der Fluideintrag über Fluideinlässe in der Wandung und/oder im Boden eines das Filterbett einschließenden Filtermoduls und/oder Reaktors erfolgt. Ein Fluideintrag über Einlässe in der Wandung bzw. im Boden eines das Filterbett einschließenden Filtermoduls bzw. Reaktors hat sich insbesondere für eine intermittierende, vorzugsweise im Wesentlichen vollständige Fluidisierung des Filtermaterials bzw. Filterbetts erwiesen.
Die beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen im Hinblick auf die Auswahl der Fluideinlässe im Bereich der Längsachse bzw. in der Wandung bzw. im Boden des das Filterbett einschließenden Filtermoduls bzw. Reaktors können auch in Kombination eingesetzt werden bzw. der Fluideintrag kann sowohl mittels Fluideinlässen im Bereich der Längsachse als auch in der Wandung bzw. im Boden des Reaktors erfolgen. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn über den Fluideinlass im Bereich der Längsachse eine kontinuierliche Fluidisierung des Filterbetts erfolgt, wohingegen über die Einlässe in der Wandung bzw. im Boden des Filtermoduls bzw. Reaktors nur intermittierend, insbesondere mittels Zeit-Pause-Steuerung, mindestens ein Fluid eingetragen wird, z.B. bei einem übermäßigen Anstieg des Filterwiderstands bzw. Überschreiten eines Grenzwerts für den Filterwiderstand.
Insbesondere kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Fluideintrag über in der Wandung und/oder im Boden eines das Filterbett einschließenden Filtermoduls und/oder Reaktors angeordnete Lanzen erfolgt. Über die in der Wandung bzw. im Boden angeordneten Lanzen ist eine besonders zielgerichtete Steuerung des Fluideintrags in das Filtermaterials möglich. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist die vollständige Fluidisierung des Filterbetts. Die Anzahl und Anordnung der Lanzen richtet sich nach der Größe und Form des Filters und den zu fluidisierenden Bereichen des Filterbetts.
Auch kann es vorgesehen sein, dass der Fluideintrag über eine axial entlang der Längsachse des Filterbetts angeordnete Leitung zum Einlass mindestens eines Fluids erfolgt. Über eine axial entlang der Längsachse angeordnete Leitung kann insbesondere ein Fluideintrag im unteren, zentralen Bereich des Filterbetts erfolgen. Bei dieser Ausführungsform hat sich eine kontinuierliche Fluidisierung als besonders vorteilhaft erwiesen.
Auch in Bezug auf die beiden vorgenannten Ausführungsformen ist es möglich, dass der Fluideintrag über in der Wandung und/oder im Boden eines das Filterbett einschließenden Filtermoduls bzw. Reaktors angeordnete Lanzen und darüber hinaus eine axial entlang der Längsachse angeordnete Leitung zum Eintrag des Fluids erfolgt.
Eine besonders zielgerichtete Steuerung bzw. Regulierung der Ausbildung des Biofilms und Entfernung weiterer partikulärer Rückstände des Verfahrens ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, wenn das Filtermaterial einer Reinigung außerhalb des Filterbetts unterzogen wird, insbesondere wenn die Reduzierung der Biomasse vorwiegend außerhalb des Filterbetts erfolgt:

In diesem Zusammenhang kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das partikuläre und/oder körnige Filtermaterial zu einer außerhalb des Filterbetts angeordneten Spüleinheit gefördert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Förderung des Filtermaterials zu der Spüleinheit durch den Eintrag mindestens eines Fluids, vorzugsweise von Luft bzw. eines technischen Gases, in das Filterbett, insbesondere in Abhängigkeit vom Filterwiderstand.

Diesbezüglich kann es vorgesehen sein, dass das Filtermaterial in der Spüleinheit gereinigt wird. Dabei wird der Biofilm durch den Eintrag des mindestens einen Fluids und/oder die Reinigung in der Spüleinheit vorzugsweise um mindestens 10 %, insbesondere mindestens 20 %, vorzugsweise um mindestens 30 %, und/oder um höchstens 80 %, insbesondere um höchstens 70 %, vorzugsweise um höchstens 60 %, reduziert.
Zur Verbesserung der Verfahrenseffizienz und der kontinuierlichen Aufrechterhaltung des Verfahrens hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn das gereinigte Filtermaterial mit reduziertem Biofilm aus der Spüleinheit wieder an das Filterbett abgegeben wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Spüleinheit oberhalb des Filterbetts im Bereich des Auslasses für das gereinigte Konzentrat angeordnet. In der Spüleinheit wird das Filtermaterial mit entgegenströmendem bzw. Richtung Auslass strömendem Filtrat gereinigt und/oder gespült und sinkt mit reduziertem Biofilm wieder auf das Filterbett ab.
Das die vom Filtermaterial abgetragene Biomasse und sonstige partikuläre Rückstände enthaltende Abwasser aus der Spüleinheit wird vorzugsweise über einen Spülwasserauslass ausgeleitet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es zudem vorgesehen sein, dass das beim Spülen und/oder Reinigen des Filtermaterials anfallende Abwasser mittels Partikelrückhalt gereinigt und vorzugsweise über den Zulauf in das Filterbett zurückgeführt wird.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Filtermaterial mittels eines vorzugsweise axial entlang der Längsachse des Filterbetts angeordneten Drucklufthebers (synonym auch als Mammutpumpe bezeichnet) aus dem unteren Bereich des Filterbetts zu einer oberhalb des Filterbetts angeordneten Spüleinheit gefördert wird. Der Lufteintrag wird in diesem Zusammenhang vorzugsweise in Abhängigkeit von der Dimensionierung des Filterbetts, dem Filtermaterial, insbesondere dessen Körnung, und/oder dem Filterwiderstand eingestellt. Bei der Spüleinheit handelt es sich bei der hier beschriebenen Ausführungsform vorzugsweise um einen Sandwäscher, wobei das partikuläre bzw. körnige Filtermaterial in entgegenströmendem, bereits denitrifiziertem bzw. behandeltem Konzentrat gewaschen wird und nach der Reinigung wieder auf das Filterbett absinkt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren können verschiedene Filterbetten mit partikulärem bzw. körnigem Filtermaterial und Filtermodule bzw. Reaktoren zur Aufnahme des Filterbetts eingesetzt werden. Ein Beispiel für einen Reaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 dargestellt, welche nachfolgend noch im Detail beschrieben wird.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen in Bezug auf geeignete Filtermaterialien bzw. dessen Eigenschaften beschrieben:

Was das partikelförmige bzw. körnige Filtermaterial als solches anbelangt, muss dieses zum einen eine ausreichend große Oberfläche zum Aufwachsen der Biomasse bereitstellen und zum anderen eine Durchströmbarkeit für das zu behandelnde Konzentrat gewährleisten und darüber hinaus ein Filterbett ausbilden können. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, partikuläres bzw. körniges Material mit definierten Partikel- bzw. Korndurchmessern für das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen. In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn als Filtermaterial ein partikuläres und/oder körniges Material mit Partikel- bzw. Korngrößen, insbesondere mittleren Partikel- bzw. Korndurchmessern, vorzugsweise bestimmt gemäß DIN EN 120904, im Bereich von 0,1 bis 15 mm, insbesondere 0,2 bis 10 mm, vorzugsweise 0,5 bis 5 mm, bevorzugt 0,7 bis 3 mm, besonders bevorzugt 1 bis 2 mm, eingesetzt wird.

Im Zusammenhang mit der Auswahl der Filtermaterials hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn als Filtermaterial ein partikuläres und/oder körniges Material mit einer spezifischen Dichte im Bereich von 0,7 bis 6 g/cm³, insbesondere 1 bis 5 g/cm³, vorzugsweise 1,5 bis 4 g/cm³, bevorzugt 2 bis 3,5 g/cm³, besonders bevorzugt 2,5 bis 3,2 g/cm³, bezogen auf ein einzelnes Korn bzw. Partikel, eingesetzt wird. Der Einsatz von Partikeln oder Körnern mit der zuvor definierten spezifischen Dichte hat sich im Hinblick auf die Ausbildung des Filterbetts als vorteilhaft erwiesen. Durch den Einsatz eines Filtermaterials mit der zuvor definierten spezifischen Dichte kann insbesondere einem unerwünschten Auftrieb der Partikel bzw. Körner im zu behandelnden Konzentrat entgegengewirkt werden.
Was das Filtermaterial weiterhin anbelangt, wird bzw. werden erfindungsgemäß bevorzugt als partikuläres und/oder körniges Material Sand, Bentonit und/oder zerkleinerte Lavasteine eingesetzt. Die zuvor genannten Filtermaterialien ermöglichen aufgrund ihrer Oberflächeneigenschaften ein Aufwachsen des Biofilms, da sie eine gewisse Oberflächenrauheit aufweisen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemä-ße Verfahren in einem Sandfilter betrieben bzw. wird als partikelförmiges oder körniges Filtermaterial Sand, insbesondere Quarzsand, eingesetzt.
Im Folgenden werden besondere Ausführungsformen in Bezug auf die weitere Verfahrensführung und Verfahrensparameter beschrieben:

Was den Biofilm auf dem partikelförmigen Filtermaterial weiterhin anbelangt, verhält es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise so, dass die Mikroorganismen für die mikrobielle Denitrifikation auf den Körnern und/oder Partikeln des Filtermaterials sessil aufwachsen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich oder intermittierend, vorzugsweise kontinuierlich, durchgeführt werden. Eine kontinuierliche Verfahrensführung hat sich im Hinblick auf die Verfahrenseffizienz als besonders vorteilhaft erwiesen, insbesondere auch vor dem Hintergrund, dass nur einmalig eine Anfahrphase bzw. Adaptierung der Biozönose an die Denitrifikationsbedingungen notwendig ist.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Konzentrat mit einer Bettbelastung (Menge Gesamtstickstoff pro Kubikmeter Filtermaterial pro Tag) im Bereich von 100 bis 2.500 g/m³/d, insbesondere 300 bis 2.200 g/m³/d, vorzugsweise 500 bis 2.000 g/m³/d, bevorzugt 800 bis 1.800 g/m³/d, in das Filterbett geleitet wird. Gleicherma-ßen ist es erfindungsgemäß möglich, dass das Konzentrat mit einer Bettbelastung (Menge Gesamtstickstoff pro Kubikmeter Filtermaterial pro Tag) von mindestens 200 g/m³/d, insbesondere mindestens 400 g/m³/d, vorzugsweise mindestens 600 g/m³/d, bevorzugt mindestens 800 g/m³/d, in das Filterbett geleitet wird.
Darüber hinaus kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Konzentrat mit einer Bettbelastung (Menge Nitratstickstoff pro Kubikmeter Filtermaterial pro Tag) im Bereich von 80 bis 2.500 g/m³/d, insbesondere 100 bis 2.100 g/m³/d, vorzugsweise 200 bis 1.900 g/m³/d, bevorzugt 400 bis 1.700 g/m³/d, in das Filterbett geleitet wird. Zudem kann es in diesem Zusammenhang auch vorgesehen sein, dass das Konzentrat mit einer Bettbelastung (Menge Nitratstickstoff pro Kubikmeter Filtermaterial pro Tag) von mindestens 80 g/m³/d, insbesondere mindestens 100 g/m³/d, vorzugsweise mindestens 200 g/m³/d, bevorzugt mindestens 400 g/m³/d, besonders bevorzugt mindestens 600 g/m³/d, in das Filterbett geleitet wird.
Unter der Bettbelastung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Gesamtstickstoffmenge (Einheit: g) verstanden, mit der im erfindungsgemäßen Verfahren ein definiertes Volumen der Filtermasse (Einheit: m³) im Filter, d.h. das „Filterbett“ im Filter, pro Zeiteinheit (Einheit: d bzw. Tag) belastet wird. Unter Berücksichtigung bzw. Hinzuziehung der Bettbelastung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf alle Arten von Filtern bzw. Filterbetten übertragen, da sich die in das Filterbett bzw. Filter pro Zeiteinheit eingebrachte Stickstoffmenge unabhängig von der Art, Größe oder des Volumens des Reaktionsraums auf das Volumen der Filtermasse bezieht.
Der Volumenstrom des zu behandelnden Konzentrats kann in weiteren Bereichen variieren und hängt in erster Linie von der Dimensionierung der Anlage bzw. dem Filterbett zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ab. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in halbtechnischen Anlagen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Konzentrat mit einem Volumenstrom Q (Volumen Konzentrat pro Stunde) im Bereich von 0,3 bis 4 m³/h, insbesondere 0,5 bis 3,5 m³/h, bevorzugt 6,0 bis 3,0 m³/h, vorzugsweise 0,9 bis 2,5 m³/h, in das Filterbett geleitet wird. Darüber hinaus kann es gleichermaßen vorgesehen sein, dass das Konzentrat mit einem Volumenstrom Q (Volumen Konzentrat pro Stunde) von mindestens 0,7 m³/h, insbesondere mindestens 1,0 m³/h, vorzugsweise mindestens 1,3 m³/h, bevorzugt mindestens 1,8 m³/h, in das Filterbett geleitet wird. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in großtechnischen Anlagen ist es vorteilhaft, wenn das Konzentrat mit einem Volumenstrom Q (Volumen Konzentrat pro Stunde) von mindestens 4,0 m³/h, insbesondere mindestens 6,0 m³/h, vorzugsweise mindestens 8,0 m³/h, bevorzugt mindestens 10,0 m³/h, in das Filterbett geleitet wird.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandelnden Konzentrate aus Umkehrosmose- bzw. Nanofiltrationsverfahren können auf Rohwässer aller Art zurückgehen. Insbesondere kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Konzentrat aus Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationsverfahren, insbesondere Umkehrosmoseverfahren, zur Aufbereitung von Grund-, Quell-, Meer- und/oder Oberflächenwasser zu Betriebs- und/oder Trinkwasser, vorzugsweise zu Trinkwasser, stammt.
Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Konzentrat im Zulauf eine Gesamtstickstoffkonzentration TNb von mindestens 30 mg/l, insbesondere mindestens 40 mg/l, vorzugsweise mindestens 50 mg/l, bevorzugt mindestens 60 mg/l, aufweist. Insbesondere kann es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass das Konzentrat im Zulauf eine Nitratstickstoffkonzentration von mindestens 20 mg/l, insbesondere mindestens 30 mg/l, vorzugsweise mindestens 40 mg/l, bevorzugt mindestens 50 mg/l, aufweist.
Wie eingangs bereits ausgeführt, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch seine Eignung zur Behandlung von Wässern mit einem hohen Gehalt an gelösten Salzen, insbesondere Nitraten, bzw. Härtebildnern aus. Was das zu behandelnde Konzentrat daher weiterhin anbelangt, kann dieses üblicherweise im Zulauf eine Wasserhärte [Gesamthärte] im Bereich von 10 bis 150 °dH, insbesondere 20 bis 120 °dH, vorzugsweise 30 bis 100 °dH, bevorzugt 40 bis 80 °dH, vorzugsweise bestimmt gemäß DIN 38409-6, aufweisen. Wie zuvor ausgeführt, war es vollkommen überraschend, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch für Wässer mit der zuvor definierten Gesamthärte geeignet ist.
Darüber hinaus kann es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass das Konzentrat im Zulauf eine Temperatur im Bereich von 2 bis 40 °C, insbesondere 3 bis 30 °C, vorzugsweise 4 bis 25 °C, bevorzugt 5 bis 20 °C, aufweist.
Was das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandelnde Konzentrat weiterhin anbelangt, kann es zudem vorgesehen sein, dass das Konzentrat im Zulauf einen pH-Wert im Bereich von 6 bis 8,5, vorzugsweise 7 bis 8, aufweist.
In Bezug auf die Verfahrensführung kann es zudem vorgesehen sein, dass das Filter als Abstrom- oder Aufstromfilter, vorzugsweise als Aufstromfilter, betrieben wird. Im Hinblick auf einen Betrieb des Filters als Aufstromfilter ist es besonders bevorzugt, wenn das Konzentrat in den unteren Bereich des Filterbetts geleitet wird bzw. das Konzentrat im Filterbett, vorzugsweise im unteren Bereich des Filterbetts, verteilt wird und das Filterbett, insbesondere das Filtermaterial, von unten nach oben durchströmt. „Unterer Teil“ meint in diesem Fall die untere Hälfte, vorzugsweise das untere Drittel, des Filterbetts. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform, welche den Betrieb als Aufstromfilter vorsieht, ist in 1 beschrieben. Nichtsdestotrotz sind andere Ausführungsformen gleichermaßen möglich und liegen im üblichen Tun des Fachmanns.
Im Hinblick auf die Verfahrensökonomie, insbesondere im Hinblick auf den Energieverbrauch, ist es vorteilhaft, wenn das Verfahren nicht temperaturgeregelt und/oder bei Umgebungstemperatur durchgeführt wird.
Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die nachfolgend aufgeführten Messwerte während des Verfahrens zu bestimmen, um gegebenenfalls die Prozessparameter anpassen zu können bzw. die Qualität des zu behandelnden oder behandelten bzw. denitrifizierten Konzentrats zu überprüfen:

Insbesondere kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass während des Verfahrens der pH-Wert, die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit, die Nitritkonzentration, die Trübung und/oder die Konzentration abfiltrierbarer Stoffe im zu behandelnden Konzentrat und/oder im denitrifizierten Konzentrat gemessen werden, insbesondere im Zulauf und/oder in Verfahrensschritt (a) und/oder im Ablauf und/oder in Verfahrensschritt (c). Die Messungen erfolgen mittels dem Fachmann grundsätzlich bekannten Messeinrichtungen.

Im Ergebnis wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine leistungsstarke, separate Reinigungsstufe für Konzentrate bzw. Abwässer aus der Betriebs- bzw. Trinkwasseraufbereitung von Rohwässern bereitgestellt, welche geeignet ist, große Mengen von Nitrat aus dem Konzentrat bzw. Abwasser zu entfernen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in der Regel der gesetzlich vorgegebene Grenzwert für Stickstoff bzw. Nitrat für eine Direkteinleitung erreicht bzw. kann eingehalten werden. Vor diesem Hintergrund kann die Ausbeute der Trinkwasseraufbereitung deutlich erhöht werden, da große Nitratmengen im dabei anfallenden Abwasser bzw. Konzentrat nicht mehr einen limitierenden Faktor darstellen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem - gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung - ein Reaktor 1 zur Verwendung bei der Behandlung von Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationskonzentrat („Konzentrat“), wobei das Konzentrat aus der Aufbereitung von Rohwässern mittels Umkehrosmose- und/oder Nanofiltration für die Trink- und/oder Betriebswasseraufbereitung stammt, insbesondere wobei der Reaktor zur Durchführung eines Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet und ausgebildet ist, umfassend einen Einlass 2 für das zu behandelnde Konzentrat, einen Auslass 3 für das denitrifizierte Konzentrat, ein fluidisiertes Filterbett 4, wobei das Filterbett 2 ein körniges und/oder partikuläres und biologisch aktiviertes Filtermaterial 32 mit einem Biofilm für eine mikrobielle Denitrifikation aufweist, und mindestens eine Einrichtung zur Fluidisierung des Filterbetts 5, insbesondere wobei die Einrichtung zur Fluidisierung den Fluideintrag in Abhängigkeit vom Filterwiderstand steuert, insbesondere derart, dass die Ausbildung des Biofilms auf dem partikulären und/oder körnigen Filtermaterial reguliert und/oder gesteuert wird.
Der erfindungsgemäße Reaktor ist vorzugsweise für die Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens eingerichtet und ausgebildet. Dabei ist der Reaktor mit einer Einrichtung zur Fluidisierung ausgerüstet, welche eine zielgerichtete Regulierung bzw. Steuerung der Ausbildung des Biofilms auf dem körnigen bzw. partikulären Filtermaterial erlaubt, insbesondere in Abhängigkeit vom im Betriebszustand gemessenen Filterwiderstand.
Für weitere Einzelheiten zur Regulierung und/oder Steuerung der Ausbildung des Biofilms kann auf die diesbezüglichen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen werden.
Nachfolgend werden anhand von 1 und 2 beispielhaft eine Anlage und ein Reaktor beschrieben, welche für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sind.
Es zeigt

1: ein Fließbild einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2: eine schematische Darstellung eines für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Reaktors, welcher ein Filterbett auf Basis eines partikelförmigen bzw. körnigen Filtermaterials mit einem darauf aufwachsenden Biofilm für die mikrobielle Denitrifikation aufweist.

In 1 ist ein Fließbild einer Anlage zur Behandlung von Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationskonzentrat, welches aus der Aufbereitung von Rohwasser mittels Umkehrosmose und/oder Nanofiltration für die Trink- und/oder Betriebswasseraufbereitung stammt, wiedergegeben:

In der Anlage wird das zu behandelnde Konzentrat im Zulauf 6 zunächst in eine Zulaufvorlage 8 geleitet und über eine Zulaufleitung 18 und einen Einlass 2 in den Reaktor 1 geleitet. Der Zulaufstrom wird über Ventile 16 und Pumpeinrichtungen 14 eingestellt. Bevorzugterweise kann es weiterhin vorgesehen sein, den Zufluss des zu behandelnden Konzentrats mittels eines Durchflussmessers 22 zu überwachen und weiterführend regulieren. Über Messeinrichtungen 17 können die Konzentrationen relevanter Wasserinhaltsstoffe, wie z.B. der Gesamtstickstoff TNb, die Nitratkonzentration, der CSB, die Wasserhärte, pH-Wert, Phosphorgehalt etc., gemessen werden.

Um das zu behandelnde Konzentrat für die Denitrifikation zu konditionieren, können dem Konzentrat über Dosiereinrichtungen 10, 11 Chemikalien, wie z.B. eine Kohlenstoffquelle, vorzugsweise in Form von Essigsäure, und/oder eine Phosphorquelle, vorzugsweise in Form von 0,3-%iger Phosphorsäure, Eisen(II)-sulfat, vorzugsweise mit einer von 0,2 mg/l bezogen auf Eisen(II)-sulfat im Zulauf, sowie verschiedene Spurenelemente zudosiert werden. Die Dosierung kann über Pumpeinrichtungen 14 eingestellt bzw. gesteuert werden. Die Substanzen zur Konditionierung werden dem zu behandelnden Konzentrat vorzugsweise in gelöster Form über einen Mischer 21 im Zulauf 6 bzw. in der Zulaufleitung 18 zugeführt.
Im Reaktor 1 erfolgt die Behandlung des Konzentrats durch Filtration über das Filtermaterial unter mikrobieller Denitrifikation zu Zwecken der Entfernung des Nitrats. Die Fluidisierung des Filterbetts erfolgt vorzugsweise über ein Fluidisierungssystem 13. Der Fluideintrag wird dabei vorzugsweise über einen Schaltschrank 23 gesteuert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Fluid um Luft, insbesondere Druckluft, und/oder mindestens ein technisches Gas, wobei das Fluid ausgehend von dem Fluidisierungssystem 13 über eine Fluidleitung 24 in den Reaktor 1 bzw. das Filterbett eingetragen werden kann. Der Reaktor 1 ist im Übrigen mit Sensoreinrichtungen zur Messung bzw. Überwachung des Filterwiderstands ausgerüstet.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehende Gase, insbesondere der bei der Denitrifikation entstehende molekulare Stickstoff, können über ein Abluftsystem 12, welches vorzugsweise einen Ventilator 15 aufweist, aus dem Reaktor 1 entweichen.
Bei dem Verfahren insbesondere durch die Reinigung des Filtermaterials anfallendes Spülwasser kann über eine Spülwasserleitung 20 aus dem Reaktor 1 ausgeleitet werden. Vorzugsweise wird das über die Spülwasserleitung 20 abgeführte Abwasser über die Zulaufvorlage 8 rezykliert, um die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens anfallenden Abwassermengen weiter zu reduzieren.
Das denitrifizierte bzw. behandelte Konzentrat wird über den Auslass 3 und eine Ablaufleitung 19 in eine Ablaufvorlage 9 für das denitrifizierte Konzentrat bzw. behandelte Konzentrat geleitet. Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, im Ablauf 7 mittels Messeinrichtungen 17 die Konzentration relevanter Wasserinhaltsstoffe bzw. -eigenschaften im behandelten Konzentrat zu bestimmen, insbesondere den Gesamtstickstoffgehalt, den pH-Wert, die Nitratkonzentration und/oder die Gesamthärte.
In 2 ist darüber hinaus ein Reaktor 1 dargestellt, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet und ausgebildet ist.
Der Reaktor 1 weist einen Einlass 2 für das zu behandelnde Konzentrat, einen Auslass 3 für das denitrifizierte bzw. behandelte Konzentrat und ein Filterbett 4 auf Basis eines körnigen bzw. partikulären Filtermaterials 32, insbesondere auf Basis von Sand, mit einem Biofilm für eine mikrobielle Denitrifikation auf. Der in 2 dargestellte Reaktor 1 ist für den Betrieb als Aufstromfilter eingerichtet. Zu diesem Zweck weist der Reaktor 1 eine interne Zulaufleitung 31 für das zu behandelnde Konzentrat auf, welche in einer in das Filterbett reichenden, vorzugsweise sternförmigen Verteileinrichtung 26 zur gleichmäßigen Verteilung des zu behandelnden Konzentrats im Filterbett 4 mündet.
Das zu behandelnde Konzentrat durchströmt das Filterbett 4 von unten nach oben, wie schematisch anhand der Durchströmungsrichtung 27 für das zu behandelnde Konzentrat angedeutet.
Um ein Verblocken des Filters zu verhindern, ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, die Ausbildung des Biofilms auf dem körnigen bzw. partikulären Filtermaterial 32 zu regulieren bzw. zu steuern, vorzugsweise durch ein kontinuierliches oder intermittierendes Reduzieren des Biofilms auf dem körnigen bzw. partikulären Filtermaterial 32. Vorzugsweise erfolgt dies durch eine Fluidisierung des Filterbetts 4 bzw. Filtermaterials 32. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, den Filterwiderstand des Filterbetts zu messen bzw. zu überwachen und den Fluideintrag in Abhängigkeit vom Filterwiderstand zu steuern.
Bei dem in 2 dargestellten Reaktor erfolgt die Fluidisierung des Filterbetts 4 über eine axial entlang der Längsachse des Filterbetts 4 bzw. des Reaktors angeordnete Mammutpumpe 25 unter Eintrag von Druckluft als Fluid. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über ein Fluidisierungssystem 13 (in 2 nicht gezeigt) und eine Fluidleitung 24 das Fluid, vorzugsweise in Form von Druckluft, in die Mammutpumpe (Druckluftheber) 25 eingetragen. Durch die in der Mammutpumpe 25 eingetragene Druckluft wird partikuläres bzw. körniges Filtermaterial 32 aus dem unteren Bereich des Filterbetts 4 von der Mammutpumpe angesaugt und im Fluidstrom von unten nach oben gefördert. Der Eintrag des Fluids wird vorzugsweise über einen Schaltschrank 23 in Abhängigkeit vom Filterwiderstand gesteuert.
Mit Hilfe der Mammutpumpe 25 wird bei der hier gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Filtermaterial 32 zu einer oberhalb des Filterbetts angeordneten Spüleinheit 28, hier in Form eines Sandwäschers, gefördert und in der Spüleinheit 28 mit entgegenströmendem, denitrifiziertem Konzentrat 30 gewaschen. Das gereinigte Filtermaterial 32 sinkt auf das Filterbett 4 zurück, während der in der Spüleinheit 28 entstehende Abwasserstrom, welcher insbesondere abgetragene Biomasse und gegebenenfalls weitere partikuläre Rückstände, wie beispielsweise Feinabrieb des Filtermaterials oder ausgefallene Härtebildner, enthält, über einen Spülwasserauslass 29 aus dem Reaktor 1 entfernt wird.
Das denitrifizierte Konzentrat 30 wird über einen Auslass 3 und den Ablauf 7 aus der Anlage geleitet.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend zudem anhand der Ausführungsbeispiele geschildert, welche jedoch keinesfalls beschränkend zu verstehen sind.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE:
Auf Basis der nachfolgend geschilderten Ausführungsbeispiele wurde die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere im Hinblick auf die Entfernung von Nitrat aus Umkehrosmosekonzentrat, untersucht.
1. Technischer Hintergrund zur Zielsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Ausgangspunkt für die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele ist eine Naturfilteranlage, in der Rohwasser, wie z.B. Brunnenwasser, mittels Umkehrosmose (synonym auch Reverse Osmosis, abgekürzt RO) auf Trinkwasserqualität aufbereitet wird. Das bei der Aufbereitung mittels Umkehrosmose anfallende Konzentrat wird zu Zwecken der Entsorgung bzw. Rezyklierung in den Wasserkreislauf in ein Fließgewässer eingeleitet. Um die vom Gesetzgeber vorgegebenen Grenzwerte für Gesamtstickstoff von 20 mg/l bei der Einleitung des Konzentrats in den Wasserkörper nicht zu überschreiten, wurde die großtechnische Naturfilteranlage bislang so betrieben, dass die Stickstoff- bzw. Nitratkonzentration im Konzentrat der Umkehrosmose diesen Wert einhält.
Die bisherige Verfahrensführung hat eine verringerte Trinkwasserausbeute der Naturfilteranlage zur Folge. Mit anderen Worten steht bislang die Stickstofffracht im Umkehrosmosekonzentrat einer Verbesserung der Produktivität des Aufbereitungsprozesses entgegen.
Das erfindungsgemäße, nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschriebene Verfahren ermöglicht eine Reduzierung der Gesamtstickstofffracht in Umkehrosmosekonzentraten aus der Trinkwasseraufbereitung und erlaubt so eine Erhöhung der Ausbeute bei der Trinkwasseraufbereitung.
2. Behandlung von Umkehrosmosekonzentrat mit dem erfindunqsqemäßen Verfahren
Um die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung der Gesamtstickstoffkonzentration in Umkehrosmosekonzentraten aus der Aufbereitung von Rohwasser auf Trinkwasserqualität zu untersuchen, wurde das nachfolgend beschriebene Filtrationsverfahren in einer Anlage gem. 1, welche einen Reaktor, wie in 2 dargestellt, aufweist, durchgeführt.
Inbetriebnahme des Reaktors
Die Inbetriebnahme des Reaktors bzw. Filters gestaltete sich dabei wie folgt:

Der Reaktor wurde zunächst mit Quarzsand nach DIN EN 120904 als Filtermaterial befüllt, wobei die Sandkörner einen Partikeldurchmesser bzw. eine Partikelgröße im Bereich von 1 bis 2 mm aufwiesen. Im Anschluss wurden die Anlage bzw. der Reaktor in Betrieb genommen.

Zum Animpfen des Filterbetts im Reaktor wurde die Zulaufvorlage der Anlage mit einer ausgewählten Bakterien- bzw. Mikroorganismenkultur beschickt. Im vorliegenden Fall handelte es sich um eine Reinkultur von Paracoccus dentrificans. Um bei den Mikroorganismen Stress beim Anfahren des Reaktors bzw. Filters zu vermeiden, erfolgte die Adaptierung zunächst nur mit Brauchwasser unter Zugabe von Essig- und Phosphorsäure. Mit dem Brauchwasser wurden weitere Mikroorganismen in das Filterbett eingebracht. Nachdem sich ein stabiler Biofilm auf dem Filtermaterial ausgebildet hatte, wurde das Brauchwasser durch Umkehrosmosekonzentrat ersetzt, wobei dem Konzentrat weiterhin zur Konditionierung Essig- und Phosphorsäure zudosiert wurde. Nach Adaption der Mikroorganismen bzw. des Biofilms an das konditionierte Konzentrat wurde im Ablauf der Anlage ein signifikanter Abbau von Nitrat verzeichnet. Damit war der Reaktor bzw. das Filter für das erfindungsgemäße Verfahren betriebsbereit. RNA-Anlaysen haben gezeigt, dass sich im Biofilm u.a. Bakterien der Gattungen Arcobacter, Hydrogenophaga, Bdellovibrio, Flavobacterium, Simplicispira, Acidovorax und Chitinophagaceae angesiedelt hatten.
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde der Reaktor mit einer Pumpeinrichtung aus der Zulaufvorlage, welche mit Umkehrosmosekonzentrat aus einer vorgeschalteten Umkehrosmose versorgt wurde, beschickt. Um eine Entleerung der Vorlage bei unterschiedlichen Betriebszuständen der Umkehrosmose zu vermeiden, war der Zulaufvolumenstrom des Konzentrats zur Zulaufvorlage größer als jener zum Reaktor.
Das zu behandelnde Konzentrat wurde mittels einer Zulaufleitung über den Einlass in den Reaktor zum sternenförmigen Verteiler geleitet und gleichmäßig über das Filterbett verteilt. Die Belastung des Filterbetts mit Umkehrosmosekonzentrat wurde langsam gesteigert. In einer 30-tägigen Anfahrphase wurde das Umkehrosmosekonzentrat zunächst mit einer Bettbelastung (Menge Gesamtstickstoff pro Kubikmeter Filtermaterial pro Tag) von bis zu 500 g/m³/d in das Filterbett geleitet. In der sich anschließenden Betriebsphase wurde die Bettbelastung auf bis zu 2.100 g/m³/d erhöht. Unter Berücksichtigung der Nitratabbaurate hat sich ein Filterwiderstand im Bereich von 20 cmWS bis 60 cmWS als geeignet erwiesen.
Das Filter wurde als Aufstromfilter betrieben, d.h. das Konzentrat hat das Filterbett zu Zwecken der Denitrifikation von unten nach oben durchströmt. Dabei wurden Nitrit (NO₂) als Zwischenprodukt und Nitrat (NO₃) von den sessil auf dem partikulärem Filtermaterial aufwachsenden Mikroorganismen zu molekularem Stickstoff (N₂) reduziert. Der bei der Denitrifikation entstehende molekulare Stickstoff wurde über ein Abluftsystem aus dem Reaktor abgeführt. Das behandelte bzw. denitrifizierte Konzentrat wurde über den Auslass und eine Ablaufleitung bzw. über den Ablauf aus dem Reaktor ausgeleitet.
Um eine Verblockung des Filters zu verhindern und darüber hinaus einen kontinuierlichen Stoffaustausch sowie eine Aufrechterhaltung der Biozönose zu gewährleisten, wurde das Filtermaterial kontinuierlich fluidisiert und in der oberhalb des Filterbetts angeordneten Spüleinheit gereinigt. Der Filterwiderstand wurde dabei überwacht und mit Hilfe des Fluideintrags auf geeignete Werte eingestellt. Die Fluidisierung des Filterbetts und die Förderung des Filtermaterials zu der Spüleinheit erfolgte mittels einer axial entlang der Längsachse des Reaktors bzw. Filters angeordneten Mammutpumpe. Durch den Eintrag von Druckluft in die Mammutpumpe wurde das Filtermaterial aus dem Kegel am Boden des Reaktors in die Spüleinheit in Form eines Sandwäschers im oberen Bereich des Reaktors transportiert bzw. gefördert und mittels eines kleinen Teils des Ablaufs bzw. des entgegenströmenden, bereits behandelten Konzentrats gereinigt. Im Rahmen des Fördervorgangs und/oder der Reinigung wurde dabei ein Teil des Biofilms vom Filtermaterial abgetragen, um ein Zuwachsen des Filterbetts mit Biomasse zu vermeiden. Die Stärke des Abtrags des Biofilms wurde über den Drucklufteintrag in die Mammutpumpe gesteuert. Das in der Spüleinheit anfallende, Biomasse und ggf. weitere partikuläre Rückstände des Verfahrens enthaltende Spülwasser wurde über einen Spülwasserauslass aus dem Reaktor geleitet und über die Zulaufvorlage rezykliert. Das gereinigte Filtermaterial in Form von Sand wurde durch ein Absinken aus der Spüleinheit zurück auf das Filterbett ebenfalls rezykliert.
Um die Milieubedingungen für die denitrifizierenden Mikroorganismen einzustellen bzw. das Konzentrat für die mikrobielle Denitrifkation zu konditionieren, wurden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens dem Konzentrat im Zulauf mittels Dosiereinrichtungen eine Kohlenstoffquelle und bei Bedarf eine Phosphorquelle und ggf. Spurenelemente, jeweils in gelöster Form, zudosiert. Als Kohlenstoffquelle wurde 60 %-ige Essigsäure, als Phosphorquelle 0,3 %-ige Phosphorsäure und als Eisenquelle Eisen(II)-sulfat eingesetzt. Die Spurenelementlösung enthielt Zinksulfat (ZnSO₄), Manganchlorid (MgCl₂), Borsäure (H₃Bo₃), Kobaltchlorid (CoCl₂), Kupferchlorid (CuCl₂), Nickelchlorid (NiCl₂) und/oder Natriummolybdat (Na₂MoO₄), jeweils in gelöster Form.
Mit Hilfe dem Fachmann grundsätzlich bekannter Mittel, z.B. Druckmesssonden und/oder Durchflussmessern, wurden darüber hinaus der Filterwiderstand und der Zulaufvolumenstrom überwacht.
Das Verfahren wurde kontinuierlich und unterbrechungsfrei betrieben. Die Steuerung des Verfahrens, insbesondere der Eintrag von Druckluft zur Fluidisierung des Filterbetts, erfolgte über einen Schaltschrank.
Die Konzentrationen von insbesondere im Hinblick auf die Direkteinleiterverordnung relevanten Wasserinhaltsstoffen, wie Gesamtstickstoff TNb, chemischem Sauerstoffbedarf (CSB), Härtebildnern, Gesamtphosphor, gesamtem organisch gebundenem Kohlenstoff (TOC), abfiltrierbaren Stoffe und pH-Wert, wurden sowohl im Zu- als auch im Ablauf mit Hilfe geeigneter Messeinrichtungen gemessen.
3. Untersuchung der Nitratabbauleistung
Die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde weiterführend untersucht:

Zunächst wurde die Nitrat- bzw. Stickstoffabbauleistung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei unterschiedlicher Beschickung und Verweilzeit des zu reinigenden Umkehrosmosekonzentrats im Filterbett in der Anfahr- bzw. Betriebsphase untersucht. Der nachfolgenden Tabelle sind der Volumenstrom sowie die Gesamtstickstoffkonzentration im Zulauf für die Anfahr- bzw. ersten Betriebsphasen zu entnehmen:

	Anfahrphase		Betriebsphase
	Phase I	Phase II	Phase III	Phase IV
Versuchstage	1 bis 16	17 bis 30	31 bis 41	42 bis 50
Zulauf	1,3 m³/h	1,5 m³/h	1,8 m³/h	2,0 m³/h
Gesamtstickstoffkonz.	20-31 mg/l	20-27 mg/l	20-27 mg/l	20-27 mg/l

Die Beschickung des Reaktors bzw. Filterbetts mit Umkehrosmosekonzentrat erfolgte, wie oben geschildert, kontinuierlich. Zur Schaffung optimaler Milieubedingungen für die Denitrifizierer wurden dem Konzentrat im Zulauf Essigsäure als Kohlenstoffquelle und Phosphorsäure als Phosphorquelle zudosiert.
In späteren Betriebsphasen wurden Zulaufvolumenstrom und die Gesamtstickstoffkonzentration im Zulauf weiter variiert. Während der Versuchstage 193 bis 204 wurde beispielsweise die Gesamtstickstoffkonzentration im Zulauf bei verringerten Volumenstrom von 1,2 m³/h bzw. 1,5 m³/h auf circa 49 mg/l bis 59 mg/l erhöht.
Die Gesamtstickstoffkonzentrationen TNb in Zu- und Ablauf wurden jeweils ermittelt. Die diesbezüglichen Ergebnisse für die Anfahrphase und die Betriebsphasen sind in 3A, 3B und 3C grafisch dargestellt.
In Phase I der Anfahrphase wurde im Mittel ein Abbaugrad von 88 % des Gesamtstickstoffs erreicht. Der minimale und maximale Abbaugrad betrugen 84 % bzw. 93 %. Mit der Anhebung des Zulaufvolumenstroms in Phase II der Anfahrphase auf 1,5 m³/h wurde ein mittlerer Abbaugrad von 86 % des Gesamtstickstoffs erzielt. Mit einem maximalen Abbau von 97 % wurde bereits eine nahezu vollständige Reduzierung von Stickstoff im UmkehrosmoseKonzentrat erreicht. Der minimale Abbaugrad betrug in Phase II 77 %. Bereits in der gesamten Anfahrphase lag die Gesamtstickstoffkonzentration im Ablauf im Schnitt bei etwa 3,25 mg/l und somit deutlich unter dem gesetzlich einzuhaltenden Grenzwert von 20 mg/l für eine Einleitung in Fließgewässer.
In der anschließenden Phase III und Betriebsphase erfolgte eine weitere Erhöhung des Zulaufvolumenstroms auf 1,8 m³/h, wobei eine nahezu vollständige Reduzierung des Gesamtstickstoffs (im Durchschnitt von 95 %) erfolgte. Die Werte unterlagen einer geringen Schwankungsbreite mit minimal 90 % und maximal 100 % Abbaugrad. In Phase IV mit einem Zulaufvolumenstrom von 2,0 m³/h konnte weiterhin eine sehr deutliche Reduzierung des Gesamtstickstoffs mit einem mittleren Abbaugrad von 94 % verzeichnet werden. Die Werte für den Abbaugrad lagen in einem sehr kleinen Schwankungsbereich zwischen minimal 90 % und maximal 97 %. Die Gesamtstickstoffkonzentration im Ablauf lag in dieser Betriebsphase im Mittel bei 1,38 mg/l und somit ebenfalls deutlich unter dem gesetzlich einzuhaltenden Grenzwert von 20 mg/l.
Im späteren Verlauf wurde, wie oben bereits ausgeführt, die Gesamtstickstoffkonzentration im Zulauf erhöht. Exemplarisch werden an dieser Stelle die Daten der Versuchstage 193 bis 204 herangezogen, wo die Gesamtstickstoffkonzentration im Zulauf auf ca. 49 mg/l bis 58 mg/l erhöht wurde. Wie aus 3C ersichtlich ist, wurden auch bei deutlich erhöhter Gesamtstickstoffkonzentration bzw. Stickstofffracht ein minimaler Abbaugrad von ca. 80 % und ein maximaler Abbaugrad von mehr als 99 % erzielt. Auch mit erhöhter Gesamtstickstoffkonzentration wurde damit der gesetzlich einzuhaltende Grenzwert von 20 mg/l für eine Direkteinleitung problemlos eingehalten.
In 4A ist die spezifische Abbaurate gegenüber der Bettbelastung, bezogen auf die Gesamtstickstoffkonzentration, für die Phasen I bis IV dargestellt. Anhang von 4A ist erkennbar, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einer Anpassungsphase die gesamte Stickstofffracht, die der Anlage zugeführt wird, im Reaktor abgebaut wird, somit also ein Abbaugrad von nahezu 100 % erreicht werden kann. Vor dem Hintergrund der Ergebnisse ist sogar davon auszugehen, dass die Grenze für einen vollständigen Abbau der Stickstofffracht noch nicht erreicht ist und sowohl das Potential bezüglich der größtmöglichen Beschickung des Filterbetts als auch der Erhöhung der Nitratkonzentration noch nicht ausgeschöpft ist.
In 4B ist die spezifische Abbaurate gegenüber der Bettbelastung, bezogen auf die spezifische Abbaurate für Nitratstickstoff, exemplarisch für die späteren Versuchstage 193 bis 204 dargestellt. Anhand von 4B ist erkennbar, dass auch nach Erhöhung der Gesamt- bzw. Nitratstickstofffracht, die der Anlage zugeführt wird, weiterhin ein Abbaugrad von Nitrat von 85 bis nahezu 100 % erreicht werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich daher durch eine hervorragende Nitratabbaurate aus.
In 5 ist zudem für die Versuchstage 193 bis 204 die Nitratstickstoffkonzentration in Zu- und Ablauf grafisch dargestellt. Im Zulauf lag die Nitratstickstoffkonzentration im Bereich von 41 bis 51 mg/l. Im Ablauf hingegen wurden nur Nitratstickstoffkonzentrationen im Bereich von annähernd 0 mg/l bis maximal 12 mg/l gemessen. Im Ergebnis können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dabei durchgeführten Denitrifikation große Mengen bzw. Konzentrationen von Nitrat nahezu vollständig aus Umkehrosmosefiltraten entfernt werden. Bei den hier gezeigten Versuchstagen wurden Nitratabbaugrade von circa 85 % bis 99 % erzielt.
4. Steuerung des Fluideintrags in Abhängigkeit vom Filterwiderstand
Wie zuvor bereits ausgeführt, hat es sich erfindungsgemäß als vorteilhaft erwiesen, den Fluideintrag in Abhängigkeit vom Filterwiderstand zu steuern, um ein zu starkes Abscheren der Biomasse zu verhindern, gleichzeitig jedoch auch einem Verblocken des Filters vorzubeugen. Der Filterwiderstand dient dabei insbesondere als indirektes Maß für die Ausbildung des Biofilms auf dem Filterwiderstand. Bei der im Rahmen der Ausführungsbeispiele eingesetzten Anlage mit einem Reaktor, welcher ein Filterbett auf Basis von Quarzsand mit einer Partikelgröße im Bereich von 1 bis 2 mm aufwies, hat sich auf Basis der Nitratabbaurate ein Filterwiderstand im Bereich von 20 bis maximal 60 cmWS, insbesondere im Bereich von 25 bis 40 cmWS, als geeignet erwiesen. In 7 sind der Filterwiderstand, angegeben in cm Wassersäule [cmWS], und der Fluideintrag, angegeben in Volumen Normluft pro Minute [Nl/min], exemplarisch für die Versuchstage 193 bis 204 gezeigt. Bei einem übermäßigen Anstieg des Filterwiderstands, wie an den Versuchstagen 201 und 202 auf 46 bis 47 cmWS, wurde der Fluideintrag erhöht, um die Biomasse auf dem Filtermaterial zu reduzieren und so den Filterwiderstand wieder zu senken. Bei Erreichen eines Filterwiderstands im besonders bevorzugten Bereich, vorliegend im Bereich von ca. 30 bis 35, wurde der Fluideintrag wieder reduziert, um ein weiteres Abscheren der Biomasse zu vermeiden.
5. Messung des CSB
Für den Chemischen Sauerstoffbedarf legt die Direkteinleiterverordnung derzeit einen Grenzwert von 90 mg/l fest, der in Wässern bei einer Direkteinleitung in Fließgewässer und kommunale Abwässer nicht überschritten werden darf.
Im Hinblick auf eine mikrobielle Denitrifikation zur Einhaltung der Grenzwerte für Nitrat und insbesondere die Gesamtstickstoffkonzentration ist jedoch ein gewisser CSB im Umkehrosmosekonzentrat für den mikrobiellen Stoffwechsel erforderlich.
Durch die Kontrolle bzw. Messung des CSB in Zu- und Ablauf kann sichergestellt werden, dass zwar ausreichend Nährsubstrat für die Stoffumsetzung zur Verfügung gestellt wird, gleichzeitig aber keine unnötige Überdosierung erfolgt, d.h. der gesetzliche Grenzwert von 90 mg/l für eine Direkteinleitung im Ablauf nicht überschritten wird. Die Ergebnisse der CSB-Messung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in 6A und 6B grafisch dargestellt.
In Phase I der Anfahrphase lag die CSB-Konzentration im Ablauf im Mittel bei etwa 7,4 mg/l, sodass mit etwa 93 % Abbaugrad der zugeführte Kohlenstoff für die Reduzierung des Gesamtstickstoffs optimal verbraucht wurde. Nach Erhöhung des Zulaufvolumenstroms in Phase II wurde die Dosierung der Essigsäure zweimalig um 4,5 % bzw. 13,6 % erhöht. Der zugeführte Kohlenstoff wurde jeweils annähernd gleich um etwa 91 % gezehrt und lag im Ablauf bei einem Mittelwert von 7,8 mg/l (vgl. 6A). Der Abbau des Gesamtstickstoffs konnte dadurch auf bis zu 97 % gesteigert werden (vgl. 3A).
Trotz Steigerung des Zulaufvolumenstroms auf 1,8 m³/h in Phase III wurden lediglich 83 % des zugeführten Kohlenstoffs verbraucht, wobei der Abbaugrad des Gesamtstickstoffs weiterhin anstieg. Dies deutet auf eine Steigerung der Effizienz im Stoffwechsel der Mikroorganismen (im Biofilm) hin. Die CSB Konzentration betrug während dieses Zeitraums im Ablauf im Mittel 17,9 mg/l. Die Dosiermenge an Essigsäure konnte daher reduziert werden.
Bei einem Zulaufvolumenstrom von 2,0 m³/h in Phase IV der Betriebsphase betrugt die Zehrung des zudosierten Kohlenstoffs im Mittel 80 %. Die CSB-Konzentration im Ablauf lag bei einem mittleren Wert von 18,9 mg/l (vgl. 6B).
6. Messung von Trübstoffen
Wie auch die Gesamtstickstoffkonzentration und der CSB wird die Konzentration an Trübstoffen und Härtebildnern für eine Direkteinleitung in Fließgewässer gesetzlich reguliert. Derzeit wird in Deutschland für abfiltrierbare Stoffe ein Grenzwert von 30 mg/l festgelegt.
In der Anfahr- und Betriebsphase lagen die Konzentrationen bezüglich der abfiltrierbaren Stoffe im Ablauf mit einem Mittelwert von 12,3 mg/l unter dem gesetzlich einzuhaltenden Grenzwert von 30 mg/l.
In 8 werden der Ablauf, Spülwasser und Zulauf (von links nach rechts) aus dem zuvor geschilderten Verfahren nebeneinander aufgestellt gezeigt. Es ist ohne Weiteres ersichtlich, dass sowohl der Zulauf als auch der Ablauf klar sind und keine Trübung aufweisen. Hingegen zeigt das Spülwasser eine deutliche Trübung. Die abfiltrierbaren Stoffe des Ablaufs betrugen im Mittel 10,1 mg/l. Die abfiltrierbaren Stoffe im Spülwasser lagen bei 202 mg/l.
Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Filtration durch ein partikuläres Filtermaterial mit einem Biofilm, führt im Ergebnis zu keiner Anreicherung von Trübstoffen im Ablauf. Abrieb des partikulären Filtermaterials, wie er insbesondere bei Einsatz von Sand als Filtermaterial auftreten kann, potenziell ausgefallene Härtebildner und abgelöste Biomasse werden durch das Filterbett zurückgehalten und mit dem Spülwasser ausgeschleust.
7. Fazit und Ausblick
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Behandlung von Konzentraten mit hoher Nitratstickstofffracht aus der Aufbereitung von Rohwasser mittels Umkehrosmose die Anforderungen an den Abbau von Stickstoffverbindungen hinsichtlich der gesetzlichen Grenzwerte für eine Direkteinleitung sicher eingehalten werden.
Nach Adaption der Mikroorganismen und der Umstellung des Zulaufs von Brauchwasser auf Konzentrat wurde eine nahezu vollständige Reduzierung der Gesamtstickstoffkonzentration des Zulaufs (hier im Wesentlichen als Nitrat vorliegend) mit dem ausgewählten biologischen Verfahren erreicht. Die Konzentrationen anderer Stickstoffverbindungen, wie bspw. Nitrit, lagen im nicht messbaren Bereich. Des Weiteren konnte die Menge an zudosierten, prozessrelevanten Chemikalien, wie leicht abbaubarem Kohlenstoff (Essigsäure) und Phosphor, so eingestellt werden, dass keine Überdosierung stattfand und die jeweilige Konzentration im Ablauf unter den einzuhaltenden geseztlichen Grenzwerten lag.
Abfiltrierbare Stoffe (AFS) werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls auf einen Wert im Ablauf, der unter dem gesetzlichen Grenzwert liegt, sicher zurückgehalten. Auch ein Ausfall von Härtebildnern im Ablauf wird nicht beobachtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit ein vielversprechender Ausgangspunkt, um die Trinkwasserausbeute bei der Behandlung von Rohwasser mittels Umkehrosmose bzw. Nanofiltration zu erhöhen. Im Übrigen ist das erfindungsgemäße Verfahren umwelt- und ressourcenschonend.
Bezugszeichenliste

1: Reaktor
2: Einlass
3: Auslass
4: Filterbett
5: Einrichtung zur Fluidisierung
6: Zulauf
7: Ablauf
8: Zulaufvorlage
9: Zulaufvorlage
10: Dosiereinrichtung
11: Dosiereinrichtung
12: Abluftsystem
13: Fluidisierungssystem
14: Pumpeinrichtung
15: Ventilator
16: Ventil
17: Messeinrichtung
18: Zulaufleitung
19: Ablaufleitung
20: Spülwasserleitung
21: Mischer
22: Durchflussmesser
23: Schaltschrank
24: Fluidleitung
25: Mammutpumpe / Druckluftheber
26: Verteiler
27: Strömungsrichtung Konzentrat
28: Spüleinheit
29: Spülwasserauslass
30: denitrifiziertes Konzentrat
31: Interne Zulaufleitung
32: Filtermaterial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 120904 [0067]
DIN 38409-6 [0079]

Claims

Verfahren zur Behandlung von Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationskonzentrat („Konzentrat“), wobei das Konzentrat aus der Aufbereitung von Rohwässern mittels Umkehrosmose und/oder Nanofiltration für die Trink- und/oder Betriebswasseraufbereitung stammt, umfassend: (a) Einleiten des zu behandelnden Konzentrats in ein Filter, wobei das Filter ein Filterbett mit einem körnigen und/oder partikulären Filtermaterial aufweist und wobei das Filtermaterial einen Biofilm mit Mikroorganismen für eine mikrobielle Denitrifikation aufweist, (b) Leiten des Konzentrats über das Filterbett, wobei das Konzentrat das körnige und/oder partikuläre Filtermaterial zur Durchführung einer mikrobiellen Denitrifikation durchströmt, und (c) Ausleiten des denitrifizierten Konzentrats aus dem Filterbett, wobei das Konzentrat vor und/oder während des Verfahrens, vorzugsweise in Verfahrensschritt (a) bzw. im Zulauf, für die mikrobielle Denitrifikation konditioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Konzentrat vor und/oder während des Verfahrens, vorzugsweise in Verfahrensschritt (a) bzw. im Zulauf, auf einen CSB (chemischen Sauerstoffbedarf) im Bereich von 10 bis 200 mg/l, insbesondere 20 bis 160 mg/l, vorzugsweise 30 bis 150 mg/l, bevorzugt 40 bis 130 mg/l, eingestellt wird, insbesondere wobei die Einstellung des CSB durch Zugabe einer Kohlenstoffquelle für die im Biofilm enthaltenen Mikroorganismen erfolgt, vorzugsweise durch die Zugabe von organischen Säuren, insbesondere Essigsäure.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei dem Konzentrat vor und/oder während des Verfahrens, vorzugsweise in Verfahrensschritt (a) bzw. im Zulauf, eine Phosphorquelle für die im Biofilm enthaltenen Mikroorganismen zudosiert wird, insbesondere wobei als Phosphorquelle Phosphorsäure eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei dem Konzentrat vor und/oder während des Verfahrens, vorzugsweise in Verfahrensschritt (a) bzw. im Zulauf, Spurenelemente für die im Biofilm enthaltenen Mikroorganismen zudosiert werden, insbesondere wobei die Spurenelemente ausgewählt sind aus der Gruppe von Zink, Mangan, Bor, Kobalt, Kupfer, Nickel und/oder Molybdän und/oder deren Salzen, und/oder wobei dem Konzentrat vor und/oder während des Verfahrens, vorzugsweise in Verfahrensschritt (a) bzw. im Zulauf, eine Eisenquelle, vorzugsweise mindestens eine Eisen(II)-Quelle, besonders bevorzugt Eisen(II)sulfat, zudosiert wird; insbesondere wobei die Spurenelemente dem Konzentrat in Form von Zinksulfat (ZnSO₄), Manganchlorid (MgCl₂), Borsäure (H₃Bo₃), Kobaltchlorid (CoCl₂), Kupferchlorid (CuCl₂), Nickelchlorid (NiCl₂) und/oder Natriummolybdat (Na₂MoO₄) zugeführt werden, insbesondere in gelöster Form.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausbildung des Biofilms auf dem körnigen und/oder partikulären Filtermaterial reguliert und/oder gesteuert wird, vorzugsweise durch ein Reduzieren des Biofilms auf dem körnigen und/oder partikulären Filtermaterial.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausbildung des Biofilms durch den Eintrag mindestens eines Fluids in das Filterbett reguliert und/oder gesteuert wird, insbesondere wobei das mindestens eine Fluid ausgewählt ist aus technischen Gasen, Luft und/oder Wasser, vorzugsweise technischen Gasen und/oder Luft; insbesondere wobei der Fluideintrag und/oder die Regulierung des Biofilms in Abhängigkeit vom Filterwiderstand gesteuert wird, und/oder insbesondere wobei der Fluideintrag mittels Zeit-Pause-Steuerung in Abhängigkeit vom Filterwiderstand gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruche 6, wobei das mindestens eine Fluid über mindestens einen, vorzugsweise mehrere Fluideinlässe in das Filterbett und/oder Filtermaterial eingetragen wird, insbesondere wobei der Fluideintrag über mindestens einen Einlass im Bereich der Längsachse des Filterbetts erfolgt und/oder wobei der Fluideintrag über Einlässe in der Wandung und/oder im Boden eines das Filterbett einschließenden Filtermoduls und/oder Reaktors erfolgt; insbesondere wobei der Fluideintrag über in der Wandung und/oder im Boden eines das Filterbett einschließenden Filtermoduls und/oder Reaktors angeordnete Lanzen erfolgt und/oder wobei der Fluideintrag über eine axial entlang der Längsachse des Filterbetts angeordnete Leitung zum Einlass mindestens eines Fluids erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das partikuläre und/oder körnige Filtermaterial zu einer außerhalb des Filterbetts angeordneten Spüleinheit gefördert wird, insbesondere durch den Eintrag mindestens eines Fluids, vorzugsweise von Luft und/oder eines technischen Gases, und wobei das Filtermaterial in der Spüleinheit gereinigt wird; insbesondere wobei das Filtermaterial mittels eines vorzugsweise axial entlang der Längsachse des Filterbetts angeordneten Drucklufthebers aus dem unteren Bereich des Filterbetts zu einer oberhalb des Filterbetts angeordneten Spüleinheit gefördert wird, insbesondere wobei der Eintrag der Druckluft in Abhängigkeit vom Filterwiderstand gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Filtermaterial ein partikuläres und/oder körniges Material mit Partikel- bzw. Korngrößen, insbesondere mittleren Partikel- bzw. Korndurchmessern, vorzugsweise bestimmt gemäß DIN EN 120904, im Bereich von 0,1 bis 15 mm, insbesondere 0,2 bis 10 mm, vorzugsweise 0,5 bis 5 mm, bevorzugt 0,7 bis 3 mm, besonders bevorzugt 1 bis 2 mm, eingesetzt wird; und/oder wobei als Filtermaterial ein partikuläres und/oder körniges Material mit einer spezifischen Dichte im Bereich von 0,7 bis 6 g/cm³, insbesondere 1 bis 5 g/cm³, vorzugsweise 1,5 bis 4 g/cm³, bevorzugt 2 bis 3,5 g/cm³, besonders bevorzugt 2,5 bis 3,2 g/cm³, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mikroorganismen für die mikrobielle Denitrifikation auf den Körnern und/oder Partikeln des Filtermaterials sessil aufwachsen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als partikelförmiges und/oder körniges Material Sand, Bentonit und/oder zerkleinerte Lavasteine eingesetzt wird bzw. werden; und/oder wobei das Verfahren in einem Sandfilter betrieben wird und/oder wobei als partikuläres und/oder körniges Filtermaterial Sand, insbesondere Quarzsand, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren kontinuierlich oder intermittierend, vorzugsweise kontinuierlich, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Konzentrat mit einer Bettbelastung (Menge Gesamtstickstoff pro Kubikmeter Filtermaterial pro Tag) im Bereich von 100 bis 1.500 g/m³/d, insbesondere 200 bis 1.300 g/m³/d, vorzugsweise 300 bis 1.200 g/m³/d, bevorzugt 400 bis 1.000 g/m³/d, in das Filterbett geleitet wird, und/oder wobei das Konzentrat mit einer Bettbelastung (Menge Gesamtstickstoff pro Kubikmeter Filtermaterial pro Tag) von mindestens 200 g/m³/d, insbesondere mindestens 400 g/m³/d, vorzugsweise mindestens 600 g/m³/d, bevorzugt mindestens 800 g/m³/d, in das Filterbett geleitet wird; und/oder wobei das Konzentrat mit einem Volumenstrom Q (Volumen Konzentrat pro Stunde) im Bereich von 0,5 bis 4 m³/h, insbesondere 0,7 bis 3,5 m³/h, 1,0 bis 3,0 m³/h, vorzugsweise 1,3 bis 2,5 m³/h, in das Filterbett geleitet wird und/oder wobei das Konzentrat mit einem Volumenstrom Q (Volumen Konzentrat pro Stunde) von mindestens 0,7 m³/h, insbesondere mindestens 1,0 m³/h, vorzugsweise mindestens 1,3 m³/h, bevorzugt mindestens 1,8 m³/h, in das Filterbett geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Konzentrat aus Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationsverfahren, insbesondere Umkehrosmose, zur Aufbereitung von Grund-, Quell-, Meer- und/oder Oberflächenwasser zu Betriebs- und/oder Trinkwasser, vorzugsweise Trinkwasser, stammt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Konzentrat im Zulauf eine Gesamtstickstoffkonzentration TNb von mindestens 30 mg/l, insbesondere mindestens 40 mg/l, vorzugsweise mindestens 50 mg/l, bevorzugt mindestens 60 mg/l, aufweist und/oder wobei das Konzentrat im Zulauf eine Nitratkonzentration von mindestens 20 mg/l, insbesondere mindestens 30 mg/l, vorzugsweise mindestens 40 mg/l, bevorzugt mindestens 50 mg/l, aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Konzentrat im Zulauf eine Wasserhärte [Gesamthärte] im Bereich von 10 bis 150 °dH, insbesondere 20 bis 120 °dH, vorzugsweise 30 bis 100 °dH, bevorzugt 40 bis 80 °dH, vorzugsweise bestimmt gemäß DIN 38409-6, aufweist; und/oder wobei das Konzentrat im Zulauf eine Temperatur im Bereich von 2 bis 30 °C, insbesondere 3 bis 25 °C, vorzugsweise 4 bis 20 °C, bevorzugt 5 bis 15 °C, aufweist; und/oder wobei das Konzentrat im Zulauf einen pH-Wert im Bereich von 6 bis 8,5, vorzugsweise 7 bis 8, aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Filter als Abstrom- oder Aufstromfilter, vorzugsweise als Aufstromfilter, betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Konzentrat in den unteren Bereich des Filterbetts geleitet wird und/oder wobei das Konzentrat im Filterbett, vorzugsweise im unteren Bereich des Filterbetts, verteilt wird und das Filterbett, insbesondere das Filtermaterial, von unten nach oben durchströmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren nicht temperaturgeregelt und/oder bei Umgebungstemperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während des Verfahrens der pH-Wert, die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit, die Nitritkonzentration, die Nitratkonzentration, der Gesamtstickstoff TNb, der CSB, der Phosphorgehalt die Trübung und/oder die Konzentration abfiltrierbarer Stoffe im Konzentrat und/oder im denitrifizierten Konzentrat gemessen werden, insbesondere im Zulauf und/oder im Ablauf.
Reaktor (1) zur Verwendung bei der Behandlung von Umkehrosmose- und/oder Nanofiltrationskonzentrat („Konzentrat“), wobei das Konzentrat aus der Aufbereitung von Rohwässern mittels Umkehrosmose- und/oder Nanofiltration für die Trink- und/oder Betriebswasseraufbereitung stammt, insbesondere wobei der Reaktor zur Durchführung eines Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet und ausgebildet ist, umfassend einen Einlass (2) für das zu behandelnde Konzentrat, einen Auslass (3) für das denitrifizierte Konzentrat, ein fluidisiertes Filterbett (4), wobei das Filterbett (2) ein körniges und/oder partikuläres und biologisch aktiviertes Filtermaterial (32) mit einem Biofilm für eine mikrobielle Denitrifikation aufweist, und mindestens eine Einrichtung zur Fluidisierung des Filterbetts (5), insbesondere wobei die Einrichtung zur Fluidisierung den Fluideintrag in Abhängigkeit vom Filterwiderstand steuert, insbesondere derart, dass die Ausbildung des Biofilms auf dem partikulären und/oder körnigen Filtermaterial reguliert und/oder gesteuert wird.