DE19960071C1 - Reaktorkammer zur Denitrifikation von Abwasser - Google Patents

Reaktorkammer zur Denitrifikation von Abwasser

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reaktorkammer zur Denitrifikation von Abwasser.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reaktorkammer zur Denitrifikation von Abwasser.
Die Denitrifikation, also die Reduzierung von Nitrat (NO3-N) zu elementarem Stickstoff (N2) ist ein reduzierender Vorgang, der anoxische Abwasserbedingungen voraussetzt. Im Abwasser darf sich kein gelöster Sauerstoff befinden. Gleichzeitig müssen biologisch abbaubare organische Substrate als H-Donator vorhanden sein.
Im Sinne einer möglichst vollständigen Stickstoffelimination aus Abwasser erfolgt diese in der Regel zweistufig. In der ersten Stufe, der Nitrifikation, wird der überwiegend als Ammonium vorliegende Stickstoff zu Nitrat oxidiert. Es schließt sich die beschriebene Denitrifikation an.
Aufgrund des hohen Sauerstoffbedarfs bei der Nitrifikation und der notwendigen Abwesenheit von Sauerstoff bei der Denitrifikation werden beide Stufen verfahrenstechnisch getrennt.
Eine Verfahrensmöglichkeit besteht in einer der Nitrifikation vorgeschalteten Denitrifikation. Diese Variante ist insoweit vorteilhaft, als im Abwasser enthaltene organische Bestandteile wie Kohlenstoffverbindungen (häufig Methanol) simultan abgebaut und dabei neben Stickstoff und Wasser auch Hydrogencarbonate gebildet werden, die die in der Nitrifikation gebildete Säure (H+) teilweise neutralisieren, was sich günstig auf eine nachfolgende Nitrifikation auswirkt. Allerdings ist hierzu eine Rezirkulation von nitratreichem Abwasser vom Ablauf der Nitrifikation zur Denitrifikation erforderlich.
In "Korrespondenz Abwasser, Heft 2/88, 120" beschreibt Schlegel den Einsatz von getauchten Festbettkörpern zur Nitrifikation. Unterhalb des vollständig vom Abwasser durchströmbaren Festbetts sind Belüfter angeordnet, welche Luft über die Grundfläche des Festbetts verteilen, wobei die Luft anschließend das Festbett von unten nach oben durchströmt. Mit dieser Belüftung wird im Rahmen der Nitrifikation auf den Oberflächen des Festbetts vorhandene Biomasse mit Sauerstoff versorgt, gleichzeitig die Dicke des Biofilms, der auch als biologischer Rasen bezeichnet wird, kontrolliert und eine Durchmischung des Reaktors sichergestellt.
Für die Denitrifikation läßt sich dieses Verfahren ersichtlich nicht einsetzen, da die Denitrifikation nur unter Ausschluß von gelöstem Sauerstoff abläuft.
Durch die DE 43 39 630 C1 ist ein Festbettverfahren zur simultanen Reduzierung des biologischen und chemischen Sauerstoffbedarfs, zur Nitrifikation und Denitrifikation von Abwasser bekanntgeworden. Dabei wird während eines ersten Zeitintervalls der Reaktor bis zur Nitrifikation belüftet und während eines zweiten Zeitintervalls mit neuem Abwasser beschickt, wobei während des zweiten Zeitintervalls die Belüftung zumindest zeitweise abgeschaltet wird. Konkret wird dazu ein Reaktor beschrieben, der aus mehreren, im strömungstechnischen Sinne hintereinander geschalteten Teilreaktoren besteht, die intervallartig zur Nitrifikation beziehungsweise Denitrifikation genutzt werden.
Im Ergebnis arbeitet das bekannte Verfahren diskontinuierlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zur optimierten Denitrifikation eines Abwassers in einem möglichst kontinuierlichen Verfahren aufzuzeigen.
Dabei geht die Erfindung von einem Festbettreaktor aus, der an die spezifischen Anforderungen einer Denitrifikation konstruktiv angepaßt wird.
Grundüberlegung dabei ist es, innerhalb der Reaktorkammer eine Strömungswalze (einen Kreislauf) für das Abwasser zu erzeugen. Das Abwasser soll also im Kreislauf durch das Festbett geführt werden. Damit wird das Ziel verfolgt, die auf der Festbettoberfläche angesiedelte Biomasse kontinuierlich mit sauerstoffreiem Substrat zu versorgen. Auf diese Weise wird einerseits die Denitrifikation beschleunigt und andererseits die Dicke des biologischen Rasens (der Biomasse) kontrolliert. Gleichzeitig werden Schlammablagerungen am Boden der Reaktorkammer aufgrund der Zirkulationsströmung des Abwassers zumindest reduziert.
Konkret schlägt die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform eine Reaktorkammer zur Denitrifikation von Abwasser vor, die folgende Merkmale aufweist:
  • - einen Abwasser-Zulauf,
  • - einen Abwasser-Ablauf,
  • - mindestens einen, in allen Richtungen des Koordinatensystems vom Abwasser durchströmbaren Festbettkörper,
  • - der Festbettkörper ist so ausgebildet und in der Reaktorkammer angeordnet, daß er
  • - mit Abstand zum Boden der Reaktorkammer endet (also zwischen dem unteren Ende des Festbettkörpers und dem Boden der Reaktorkammer das Abwasser kein Festbett durchströmt), wobei
  • - innerhalb des Festbettkörpers, und/oder
  • - zwischen benachbarten Festbettkörpern, und/oder
  • - zwischen Festbettkörper und Innenwand der Reaktorkammer,
  • - mindestens ein Freiraum ausgebildet ist, der sich über die gesamte Höhe des Festbettkörpers erstreckt, und
  • - in diesem Freiraum eine Einrichtung zur Zwangsführung des Abwassers in Richtung auf den Boden der Reaktorkammer angeordnet ist.
Der Festbettkörper wird so in der Reaktorkammer angeordnet, daß er vollständig im Abwasser liegt. Mit anderen Worten: Der Abwasserspiegel liegt oberhalb des oberen Endes des Festbettkörpers. Dabei kann zwischen dem Wasserspiegel und dem oberen Ende des Festbettkörpers der genannte Zulauf beziehungsweise Ablauf angeordnet werden. Zulauf und Ablauf können dabei diametral gegenüber liegen.
Der Festbettkörper kann einteilig oder mehrteilig sein. Er kann beispielsweise aus sogenannten Netzrohren bestehen, die untereinander verankert, beispielsweise verschweißt sind, jedoch derart, daß das Abwasser nicht nur in Axialrichtung der Rohre, sondern auch senkrecht dazu strömen kann. Der Festbettkörper kann auch aus beweglichen Trägerkörpern (auch Füllkörper genannt) bestehen, die beispielsweise durch Rückhaltemittel in ihrer Beweglichkeit auf einen definierten Bereich im Abwasser begrenzt werden. Insoweit unterliegt der Begriff Festbettkörper keinen Beschränkungen.
Wesentlich für die Reaktorkammer ist, daß das Festbett (unabhängig davon, ob fest oder als beweglicher Körper konfektioniert) sich nicht über das gesamte Volumen beziehungsweise über die gesamte Querschnittsfläche der Reaktorkammer erstreckt. Vielmehr ist vorgesehen, daß innerhalb des Festbettkörpers oder zwischen benachbarten Festbettkörpern beziehungsweise zwischen einem Festbettkörper und der Innenwand des Reaktors ein Freiraum verbleibt, der sich entsprechend vertikal über die Höhe des Festbettkörpers erstreckt.
Mit diesem Freiraum werden für das Abwasser im wesentlichen zwei Zonen geschaffen, eine Zone, bei der das Abwasser durch das Festbett geführt wird und eine zweite Zone, durch die das Abwasser entsprechend ungehindert strömen kann.
Sinn und Zweck dieses Freiraums ist es, dem Abwasser eine gezielte Strömungsrichtung zu geben und damit eine sogenannte Strömungswalze (Zirkulationsströmung) innerhalb der Reaktorkammer auszubilden.
Zu diesem Zweck ist im Freiraum die genannte Einrichtung zur Zwangsführung des Abwassers angeordnet, die sicherstellt, daß das Abwasser von oben nach unten durch den Freiraum strömt und, sobald es den Freiraum am unteren Ende verlassen hat, zunächst umgelenkt wird und anschließend durch den Festbettkörper wieder nach oben zurückströmt, bevor es wieder in den Freiraum umgelenkt und in Richtung auf den Boden der Reaktorkammer zurückgeführt wird.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, die Strömungsrichtung umzukehren.
Die gezielte Führung des Abwassers von oben nach unten durch den Freiraum und von unten nach oben durch das Festbettmaterial hat jedoch den Vorteil, daß das Abwasser durch entsprechende Umlenkorgane am Boden der Reaktorkammer, also unterhalb der Festbettzone, eine zusätzliche Zwangsführung erfährt und damit die Zirkulationsströmung optimiert werden kann.
Zur Optimierung dieser Zwangsströmung sieht eine Ausführungsform vor, den Freiraum umfangsseitig von einem wasserundurchlässigen Mantel zu begrenzen. Auf diese Weise wird eine gezielte Trennung der genannten Zonen erreicht.
Dabei kann der Mantel entlang mindestens einer horizontalen Ebene mit einer Vielzahl von Durchbrechungen ausgebildet sein.
Dies ermöglicht es, anstelle einer einzigen Zirkulationsströmung über die gesamte Höhe der Reaktorkammer mehrere Strömungswege für das Abwasser auszubilden, wie anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert wird.
Dabei können die Durchbrechungen in ihrem Querschnitt veränderbar sein, beispielsweise dadurch, indem den Durchbrechungen benachbart mindestens ein Schieber angeordnet ist, der die Durchbrechungen teilweise oder vollständig verschließt beziehungsweise öffnet. Auf diese Weise kann die Intensität der Zirkulationsströmungen anwendungsspezifisch variiert werden, Grundsätzlich kann die Reaktorkammer eine beliebige Größe und einen beliebigen Querschnitt aufweisen.
Die genannte Strömungswalze läßt sich optimiert bei einer Reaktorkammer mit kreisförmigem Querschnitt einstellen, wobei der genannte Freiraum mittig in der Reaktorkammer angeordnet wird.
Es ist aber ebenso möglich, mehrere Freiräume zum Beispiel innerhalb des Festbettmaterials auszubilden und entsprechend eine Vielzahl von Zirkulationsströmungen für das Abwasser zu schaffen. Zur Vermeidung von Toträumen sollte dabei eine symmetrische Anordnung, beispielsweise rotationsymmetrische Anordnung der Freiräume gewählt werden.
Um das Abwasser innerhalb des Freiraums gezielt zu führen kann die Einrichtung als Rührwerk oder Düse ausgebildet sein. In jedem Fall erfährt das Abwasser auf diese Weise eine Beschleunigung und eine gezielte Strömungsrichtung.
Die Anordnung der Einrichtung an dem dem Boden der Reaktorkammer benachbarten unteren Ende des Freiraums schafft eine zusätzliche Sogwirkung für das Abwasser in dem darüber liegenden Abschnitt des Freiraums.
Gleichzeitig herrscht im Bereich der Einrichtung die höchste Strömungsenergie, so daß Schlammablagerungen im Bodenbereich des Behälters (der Reaktorkammer) nachhaltig vermieden werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann in Verlängerung und unterhalb des Freiraums mindestens eine Umlenkeinrichtung für das Abwasser angeordnet werden. Diese dient dazu, daß Abwasser gezielt in Richtung unter und durch den Festbettkörper zu führen. Gleichzeitig werden Reibungsverluste minimiert. Dazu kann die Umlenkeinrichtung beispielsweise eine hyperbolische Form besitzen. Mit der Hilfe eines Kegels als Umlenkkörper kann gleichzeitig eine Justiereinrichtung zur Aufnahme des Mantels des Freiraums geschaffen werden, der dazu an seinem unteren Ende, welches den Festbettkörper nach unten überragt und auf dem Kegel aufsteht, Durchbrechungen aufweist, um die Abwasserzirkulation nicht zu stören. Grundsätzlich kann der Mantel von oben oder seitlich gegenüber der Innenwand der Reaktorkammer gestützt werden. Es ist auch möglich, den Boden der Reaktorkammer so auszubilden, daß eine verlustarme Strömungsumlenkung - wie vorstehend beschrieben - ohne zusätzliche Einbauten realisiert wird.
Bei der beschriebenen Reaktorkammer ist nicht auszuschließen, daß insbesondere in Randzonen des Festbettes, beispielsweise im Übergangsbereich zwischen dem Festbett und dem Mantel des Freiraums beziehungsweise im Übergangsbereich zwischen Festbett und Innenwand der Reaktorkammer eine übermäßige Biomassenkonzentration auftritt, die unerwünscht ist. Dies liegt daran, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Abwassers in diesen Randzonen des Festbetts geringer sein kann als im Zentrum des Festbetts.
Zu diesem Zweck sieht eine weitere Ausführungsform vor, am unteren Ende des Festbettkörpers und/oder unterhalb des Festbettkörpers Mittel zur Zuführung eines Fluids unter Druck in den Festbettkörper anzuordnen, wobei diese Mittel so angeordnet sein können, daß das Fluid zumindest überwiegend nur die genannten Randzonen des Festbettkörpers beaufschlagt.
Das Fluid kann das Abwasser selbst oder eine andere Flüssigkeit sein; es ist aber auch möglich, als Fluid Druckluft zu wählen. Da Luft (Sauerstoff) die Denitrifikation des Abwassers jedoch stört sollten bei Verwendung von Luft als Fluid die genannten Mittel taktbar sein, das heißt, die Luft allenfalls in bestimmten Zeitintervallen stoßartig abgeben, so daß der Sauerstoffeintrag auf das notwendige Minimum reduziert wird.
Bezüglich der möglichen Anordnung der genannten Mittel gibt die nachfolgende Figurenbeschreibung ergänzende Hinweise.
Dabei enthält die Figurenbeschreibung auch Erfindungsmerkmale, die über die konkrete Beschreibung des Ausführungsbeispiels hinaus allgemein anwendbar sind.
Die einzige Figur zeigt in schematisierter Darstellung einen Längsschnitt durch eine Reaktorkammer mit Kreisquerschnitt.
Entsprechend besitzt die Reaktorkammer, die das Bezugszeichen 1 trägt, eine zylindrische Wand 12 und einen Boden 10.
Mit 14 ist ein Abwasserspiegel symbolisiert.
Unmittelbar unterhalb des Wassserspiegels 14 ist ein Abwasserzulauf 16 und diametral gegenüber ein Abwasserablauf 18 zu erkennen.
Unterhalb von Zulauf 16 und Ablauf 18 liegt ein ringförmiger Festbettkörper 20 im Abwasser. Der Festbettkörper 20 besteht aus einer Vielzahl von Netzrohren mit einer Kunststoffoberfläche, wobei die Netzrohre untereinander punktuell verschweißt sind.
Durch die Ringform des Festbettkörpers 20 wird mittig ein Freiraum 22 ausgebildet, der entsprechend koaxial zur einer Mittenlängsachse M der Reaktorkammer 1 verläuft.
Der Freiraum 22 wird von einem zylindrischen Stahlmantel 24 umfangsseitig begrenzt, der entlang zweier beabstandeter horizontaler Ebenen umfangsseitig mit Schlitzen 26 beziehungsweise Rundlöchern 28 ausgebildet ist. Die Schlitze 26 beziehungsweise Rundlöcher 28 sind über getrennte, hier nicht dargestellte Schieber, die außenseitig auf dem Stahlmantel 24 verlaufen, in ihrem Querschnitt variabel einstellbar.
Unterhalb der Rundlöcher 28 ist am unteren Ende 22U des Freiraums 22 ein Rührwerk 30 angeordnet, welches motorisch (nicht dargestellt) angetrieben wird.
Der Stahlmantel 24 ist über das untere Ende 20U des Festbettkörpers 20 verlängert, wobei dieser Abschnitt 24U eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweist, um eine Durchströmbarkeit für das Abwasser zu schaffen.
Dieser Abschnitt 24U steht auf einem Kegel 32 auf, der auf dem Boden 10 der Reaktorkammer 1 so angeordnet ist, daß seine Spitze in der Mittelängsachse M liegt.
Der Festbettkörper 20 ist auf einem ringförmigen Stahlträger 34 aufgestellt.
Entsprechend wird zwischen dem unteren Ende 20U des Festbettkörpers 20 und dem Boden 10 der Reaktorkammer 1 ein Bereich 36 ausgebildet, der frei von Festbettmaterial ist.
Am oberen Ende des Abschnitts 24U des Stahlmantels 24 verläuft umfangsseitig eine ringförmige Luftleitung 38, die über eine (nicht dargestellte) Anschlußleitung mit Druckluft versorgbar ist.
Zusätzlich verläuft eine ringförmige Wasserleitung 40 unterhalb des Festbettkörpers 20 unmittelbar benachbart zur Wand 12, wobei die Austrittsöffnung der Wasserleitung 40 nach oben weist.
Im Normalbetrieb sind die Luftleitung 38 und die Wasserleitung 40 nicht aktiviert.
Entsprechend sorgt das Rührwerk 30 dafür, daß das Abwasser in Pfeilrichtung P1 den Freiraum 22 von oben nach unten durchströmt.
Sobald es den Freiraum 22 nach unten verläßt strömt es in Pfeilrichtung P2 radial nach außen, wobei diese Strömungsbewegung durch den Kegel 32 unterstützt wird.
Das Abwasser durchströmt anschließend den Festbettkörper 20 von unten nach oben in Pfeilrichtung P3.
Sobald es den Festbettkörper 20 am oberen Ende verlassen hat wird das Abwasser in Pfeilrichtung P4 wieder umgelenkt und erneut in Pfeilrichtung P1 durch den Freiraum 22 geführt.
Auf diese Weise wird eine Rotationsströmung innerhalb der Reaktorkammer 1 ausgebildet. Auf der Oberfläche des Festbettkörpers 20 aufwachsende Biomasse wird auf diese Weise kontinuierlich mit stickstoffhaltigem Substrat versorgt und in Abhängigkeit von der Förderleistung des Rührwerks 30 kann gleichzeitig die Dicke des biologischen Rasens (der Biomasse) gesteuert werden.
Aufgrund der beschriebenen konstruktiven Gestaltung der Reaktorkammer 1 ist die Zirkulationsströmung über den horizontalen Querschnitt der Reaktorkammer 1 betrachtet nicht konstant. Insbesondere im Bereich der Außenwand des Stahlmantels 24 beziehungsweise im Bereich der Innenfläche der Wand 12 ist die Strömung geringer, so daß es hier zu einer verstärkten Ausbildung eines biologischen Rasens kommen kann.
Dem kann zum einen dadurch entgegengewirkt werden, daß die Schlitze 26 beziehungsweise Rundlöcher 28 geöffnet werden, so daß sich zusätzliche Zirkulationsströmungen ausbilden, die durch die Pfeile PS beziehungsweise P6 gekennzeichnet sind.
Alternativ oder kumulativ besteht die Möglichkeit, die Luftleitung 38 beziehungsweise die Wasserleitung 40 zu aktivieren, so daß in den zuvor genannten Bereichen die Strömungsenergie des Abwassers erhöht wird, was zu einem verstärkten Abtrag des biologischen Rasens führt.
Im Sinne einer möglichst vollständigen Denitrifikation erfolgt insbesondere die Zuschaltung (Aktivierung) der Luftleitung 38 aber nur getaktet, das heißt, intervallartig, wobei die Intervalle anwendungsspezifisch gewählt werden, um möglichst wenig Sauerstoff in das Abwasser zu bringen.
Im Fall der Öffnung der Schlitze 26 und/oder Rundlöcher 28 wird eine gezielte horizontale Teilströmung des Abwassers im Festbett erreicht, die sich wiederum günstig auf die Kontrolle des Biofilms auswirkt.

Claims (15)

1. Reaktorkammer zur Denitrifikation von Abwasser, mit folgenden Merkmalen:
  • 1. 1.1 einem Abwasser-Zulauf (16),
  • 2. 1.2 einem Abwasser-Ablauf (18),
  • 3. 1.3 mindestens einem, in allen Richtungen des Koordinatensystems von Abwasser durchströmbaren Festbettkörper (20),
  • 4. 1.4 der Festbettkörper (20) ist so ausgebildet und in der Reaktorkammer (1) angeordnet, daß er
  • 5. 1.5 mit Abstand zum Boden (10) der Reaktorkammer (1) endet,
  • 6. 1.6 von unten nach oben von Abwasser durchströmbar ist und
    • 1. 1.7.1 innerhalb des Festbettkörpers (20), und/oder
    • 2. 1.7.2 zwischen benachbarten Festbettkörpern und/oder
    • 3. 1.7.3 zwischen Festbettkörper (20) und Innenwand der Reaktorkammer (1)
  • 7. 1.8 mindestens ein Freiraum (22) ausgebildet ist, der sich über die gesamte Höhe des Festbettkörpers (20) erstreckt und
  • 8. 1.9 in den Abwasser vom Festbettkörper (20) umlenkbar ist,
  • 9. 1.10 in dem Freiraum (22) ist eine Einrichtung (30) zur Zwangsführung des Abwassers in Richtung auf den Boden (10) der Reaktorkammer (1) angeordnet.
2. Reaktorkammer nach Anspruch 1, bei der der Freiraum (22) umfangsseitig von einem wasserundurchlässigen Mantel (24) begrenzt ist.
3. Reaktorkammer nach Anspruch 2, bei der der Mantel (24) entlang mindestens einer horizontalen Ebene mit einer Vielzahl von Durchbrechungen (26, 28) ausgebildet ist.
4. Reaktorkammer nach Anspruch 3, bei der die Durchbrechungen (26, 28) in ihrem Querschnitt veränderbar sind.
5. Reaktorkammer nach Anspruch 3, bei der den Durchbrechungen (26, 28) benachbart mindestens ein Schieber angeordnet ist, mit dem die Durchbrechungen (26, 28) mindestens teilweise verschließbar sind.
6. Reaktorkammer nach Anspruch 1, bei der der Freiraum (22) mittig in der Reaktorkammer (1) ausgebildet ist.
7. Reaktorkammer nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung (30) aus einem Rührwerk besteht.
8. Reaktorkammer nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung (30) aus einer Düse besteht.
9. Reaktorkammer nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung (30) an dem, dem Boden (10) der Reaktorkammer (1) benachbarten unteren Ende des Freiraums (22) angeordnet ist.
10. Reaktorkammer nach Anspruch 1, bei der in Verlängerung und unterhalb des Freiraums (22) mindestens eine Umlenkeinrichtung (32) für das Abwasser angeordnet ist, entlang der das Abwasser unter den Festbettkörper (20) führbar ist.
11. Reaktorkammer nach Anspruch 1, bei der am unteren Ende (20U) des Festbettkörpers (20) und/oder unterhalb des Festbettkörpers (20) Mittel (38, 40) zur Zuführung eines Fluids unter Druck in den Festbettkörper (20) angeordnet sind.
12. Reaktorkammer nach Anspruch 11, bei der die Mittel (38, 40) so angeordnet sind, daß das Fluid zumindest überwiegend nur Randzonen des Festbettkörpers (20) beaufschlagt.
13. Reaktorkammer nach Anspruch 12, bei der die Mittel (38, 40) so angeordnet sind, daß das Fluid Randzonen des Festbettkörpers (20) zum Freiraum (22) und/oder Randzonen des Festbettkörpers (20) zur Innenwand der Reaktorkammer (1) beaufschlagt.
14. Reaktorkammer nach Anspruch 11, bei der die Mittel (38) Belüfter sind.
15. Reaktorkammer nach Anspruch 11, bei der die Mittel (38, 40) taktbar sind.
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