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Verfaiirt;n zur Nitrifikation, Entmanganung und Enteisenung in Festbetten
und biologischen Festbettreaktoren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stickstoffnitrifikation,
Entmanganung und Enteisenung in Wässern und eine Einrichtung zur Durchführung des
Verl fahrens .
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Behandlung ammom.akstickstofthalLiger
Abwässer in der Abwasserbehandlung, Trink- und Brauchwasseraufbereitung.
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Die Nitrifikation hat folgende ökologische Bedeutung: a) Abwasserbehandlung
Durch die Oxidation des im Abwasser enthaltenen Ammoniaks in der Kläranlage wird
der Sauerstoffverbrauch im Vorfluter, der bei der Einleitung von Abwässern hervorgerufen
wird, erheblich reduziert.
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Amrnoniak ist unter den Stickstoffverbindungen diejenige, die den
größten Eutroph#kationseffekt hat. (Sawyer, C. N. "Fertilization of Lakes by Agricultural
and Urban Drainage"; Journal New England Water Works Assoc., 61, 109, (1947)).
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Ammoniak hat ab einem Konzentrationsbereich von 0, 2 bis 2, 0 mg Nu3/1
eine Giftwirkung auf Fische. (Körting, W. "Untersuchungen zur Einwirkung des Ammoniaks
auf das Blut der Fische"; Wasser und Abwasser-Forschung, Nr. 4, 1969, pp 154- 159).
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Die Nitrifikation ist eine Vorstufe zur biologischen N-Elimination
durch Denitrifikation.
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b) Brauchwässer Durch eine vorhergehende Oxidation des Ammoniaks kann
einer Verschleimung der Leitungen durch nitrifizierende Bakterien und einer damit
verbundenen S auerst offz ehrung vorge veugt werden.
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Trinkwasser Im Trinkwasser wird Ammoniak nur in Spuren zugelassen.
Die im Rohwasser enthaltenen Ammoniakmengen müssen deswegen im Laufe des Aufbereitungs
prozesses oxidiert werden.
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Der Stand der Technik war bislang dadurch gekennzeichnet, daß in der
Abwassertechnik die Oxidation des Ammoniaks vor allem mit Hilfe des Belebungsverfahrens
durchgeführt wird.
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Der Ammoniakstickstoff wird dabei hauptsächlich durch die Bakteriengattungen
Nitrosomonas und Nitrobacter zu Nitrit- und Nitratstickstoff oxidiert. Der für diese
biochemischen Prozesse notwendige Sauerstoff wird durch Belüftung in Form von Luftsauerstoff
dem Belebtschlamm zugeführt.
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Eine nennenswerte Nitrifikation findet im Belebungsbecken nur dann
statt, wenn die Aufenthaltszeit im Durchschnitt über 8 h liegt. (Lehr- und Handbuch
der Abwassertechnik, Band 2, 2. Aufs, Berlin, Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, 1975,
pp 454 - 457, 521, 601 - 604). Nur unter diesen Voraussetzungen sind günstige Wachstumsbedingungen
für die nitrifizierenden Bakterien gewährleistet, d. h. ausreichend hohes Schlammalter
und langzeitige Belüftung.
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Um den Prozess der Nitrifikation zu intensivieren, wurden in den letzten
Jahren Versuche mit biologischen Festbettreaktoren durchgeführt. Die Vorteile des
Verfahrens sind darin zu sehen, daß die Nitrifikanten sich auf den im Festbettreaktor
vorhandenen großen Füllkörperoberflächen ansiedeln und ihrer guten Haftfähigkeit
wegen nicht mehr aus dem System ausgewaschen werden können. Die Intensivierung der
Nitrifikation durch Erhöhung der Populationsdichte der Nitrifikanten in diesen Systemen
bedingt einen hohen Sauerstoffverbrauch.
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Die Deckung dieses hohen Sauerstoffbedarfes kann unter anderem durch
Eintrag von reinem Sauerstoff im geschlossenen System unter Druck erfolgen.
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Die biologischen Festbettreaktoren wurden bislang nur als eigenständige
Verfahrensstufen konzipiert, in erster Linie zur Oxidation des Ammoniaks.
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(11aug, R. T., Mc Carty, P. L.: Nitrification with submerged filters;
Journal Water Pollution Control Federation, 44, 1972, pp 2086 - 2102; Young, J.
C., Baumann, E. R., Wall, J. D.: Packed bed reactors for secondary effluent BOD
and Ammonia Removal; Journal Water Pollution Control Federation, 47, 1975, pp 46
- 56;
Mc IIarness, D. D., Haug, R. T., Mc Carty, P. L.: Field studies
of nitrification with submerged filters; 3 Journal Water Pollution Control Xederation,
47, 1975, pp 291 - 309.) Der Stand der Technik in der Trinkwasser- und Brauchwasseraufbereitung
wird dadurch gekennzeichnet, daß bei hohen Ammoniakkonzentrationen das Verfahren
der Brechpunktchlorung eingesetzt wird.
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Bei sehr geringen Ammoniakkonzentrationen genügt es, den Zulauf zum
Sandfilter zu belüften. Im Sandfilter findet dann die Nitrifikation neben anderen
biochemischen, sauerstoffverbrauchenden Reaktionen statt wie z. B. die biologische
Entmanganung und Enteisenung. Voraussetzung ist, daß diese biologischen Vorgänge
nicht durch hemmende Was s erinhaltsstoffe unterdrückt werden.
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Der Sauerstoffeintrag erfolgt durch Verdüsung, Kaskadenbelüfter,
Riesler I etc. .
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Die Belüftung dient auch dazu, den für die Enteisenung notwendigen
Sauerstoff einzubringen. Sie verläuft nach folgendem Schema: Oxidation des zweiwertigen
zu dreiwertigem Eisen Hydrolyse des dreiwertigen Eisens zu Eisen(III)-hydroxid Flockung
des zunächst kolloid gebildeten Eisen(III)-hydroxids Abscheidung des geflockten
Eisen(III)-hydroxids durch Filtration.
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Durch die zunehmende Industrialisierung bedingt, reicht heute die
Leistungsfähigkeit der konventionellen mechanisch-biologischen Reinigungsverfahren
nicht mehr überall aus, um die Oberflächengewässer in ausreichendem Maße so zu schützen,
daß aus diesen Rohwasser für die Trink- und Brauchwasseraufbereitung entnommen werden
kann, dessen Aufbereitung finanziell tragbar ist.
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Aus diesem Grunde werden in Zukunft in verstärktem Maße Verfahren
der dritteh und weitergehenden Reinigungsstufe eingesetzt werden. (Definition der
dritten und weitergehenden Reinigung nach: Manuals of British Practice in Water
Pollution Control, "Unit Processes Tertiary Treatment and Advanced Waste Water Treatment"
The Institute of Water Pollution Control, Ledson House, 53 London Road, Maidstone,
Kennt., 1974, pp 9 - 10. ) Der bisherige Weg, in der Abwasserreinigung. einen voll
nitrifizierten Ablauf zu erzielen, bestand darin, die Schlammbelastung von
.0>3
auf 0, 15 kg 13SB5/(kg TS. d) zu senken. Die Konzentration der Schlamm-3 trockensubstanz
(TS) wird mit jeweils 3, 3 kg/m nicht verändert. Dies ft.ihrt zu einer Verdoppelung
der Aufenthaltszeit von i M. 4 bis 5 h auf i. M. 9 bis 10 h.
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(Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik, Bd. 2, 2. Aufl., Berlin,
Verlag W. Ernst & Sohn, 1975, pp 454 - 457, 521 - 523, 601 - 604. ) Die Verdoppelung
der Aufenthaltszeit bedingt eine Verdoppelung des Belebungsvolumens.
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Die dabei entstehenden Bau- und Betriebskosten sind beträchtlich.
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Bislang wird von den Aufsichtsbehörden bei kommunalen Kläranlagen
noch vor der Forderung nacli Nitrifikation des Ablaufes vor allem eine möglichst
weitgehende Entnahme der gelösten und ungelösten, biochemisch abbaubaren organischen
Kohlenstoffe verlangt, die durch den biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB) gekennzeichnet
werden.
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Während eine Aufenthaltszeit im Belebungsbecken von 4 bis 5 h unter
den oben angeführten Bedingungen meist ausreichend für die biochemische Oxidation
der gelösten organischen Kohlenstoffe ist, kommt es häufig vor, daß vorgeschriebene
BSB-Werte im Ablauf nicht erreicht werden. Dies ist oft so zu erklären, daß aus
dem Nachklärbecken suspendierte Stoffe (SS) (ungelöste lq'eststofie) abtreiben,
die biologisch sehr aktiv sind, d. h. eine hohe spezifische Sauerstoffzehrung haben.
Zusätzlich ist der Anteil des organischen Kohlenstoffes in der Zusammensetzung der
suspendierten Stoffe sehr hoch. Unter diesen Umständen läßt sich eine Verminderung
des BSB nur durch die dritte Reinigungsstufe, d. h. durch den Einsatz von Sandfiltern
oder Mikrosieben erreichen. Sie werden dem Nachklärbecken nachgeschaltet, Außer
der Entnahme der suspendierten Stoffe wird in Zukunft beim Gewässerschutz immer
zwingender die Forderung gestellt werden müssen, mit einfachen und kostengünstigen
Verfahren die Kläranlagen so umzugestalten, daß sie Abläufe liefern, die möglichst
voll nitrifiziert sind.
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Der Einsatz von biologischen Festbettreaktoren als eigenständige Verfahrenseinheit
für die Nitrifikation wird aus Kostengründen und von der Verfahrenskonzeption her
wahrscheinlich nicht zum Tragen kommen Daraus ergibt sich die Aufgabe, ohne auf
das bewährte, aber teure Verfahren der Verdoppelung der Aufenthaltszeit im Belebungsbecken
zurückgreifen zu müssen, schon bestehende Verfahrens einheiten so umzugestalten,
daß sie zusätzlich zur Nitrifikation eingesetzt werden können.
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Was die Brauchwasseraufbereitung betrifft, so ist seit langem aus
der Abwasser-> Trink-und Brauchwasseraufbereitung bekannt, daß geringe Mengen
von Ammoniak (1 bis 2 mg NH3/1) im Sandfilter, bei einer Belüftung des Zulaufes,
oxidiert werden. (Manuals of British Practice in Water Pollution Control "Unit Processes
Tertiary Treatment and Advanced Waste Water Treatment"; The Instilute of Water Pollution
Control, 1974, Tables 5, 6.
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Isaac, P. C. G., Hibberd, R. L., "The use of microstrainers and sandfilters
for tertiary treatment"; Water Research, 1972, Vol. 6, pp 465 - 474; O' Conllor,
John T., Baliga, Kalyanpur Y., "Control of bacterial growths in rapid sandfilters";
Jour. San. Eng. Div., 1970, SA 6, pp 1377 - 1386.) Die Beschränkung in der Ausnutzung
dieser Ammoniakoxidationskapazität des einphasig durchströmten Sandfilters lag bislang
darin, daß für die Ammoniakoxidation, die summarisch nach folgender Reaktions gleichung
verläuft:
nicht genügend Sauerstoff bei einfacher Belüftung des Zulaufes zur stand.
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Die mögliche Sauerstoffsättigung eines Zulaufes (offenes System) ist
aus der nachfolgenden Tafel erkennbar.
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Ternp. Druck Sauerstoffsättigung oc mbar mg O2/1 5 1013 12, 37 15
9,76 20 8, 84 (Nach Truesdale, Downing und Lowden, Solubility of oxygen in water,
Jour.
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Appl. Chemistry, 5, Febr. 1955.) Zur vollen Oxidation von 1 mg NNII
(Ammoniakstickstoff) sind 4, 57 mg O2 erforderlich.
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Die Temperatur der anfallenden Wässer in der Trink- und Abwasseraufbereizung
schwankt meistens zwischen 5 und 200 G. Es können in Sandfiltern
bei
Belüftung des Zulaufes sornit höchsiens 2, 7 bis í, 9 mg NNH /1 oxidiert 3 werden.
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Aus diesem Zusammenhang ist verständlich, daß bislang die Oxidation
des Aminoniaks in Sandfiltern (Naßfiltern) ohne Bedeutung war.
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Der Stand der Technik bei der Oxidation des Ammoniaks in der Trink-
und Brauchwasseraufbereitung mit dem Verfahren der Brechpunktchlorung ist derzeit
stark umstritten.
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(Piecuch, P. J. "The Chlorination controversy"; Journal Water Pollution
Control Federation, 46 (1974), p 2637.
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Ward, P.S. "Carcinogens complicate chlorine question"; Journal Water
Pollution Control Federation, 46 (1974), pp 2638 - 2640).
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Untersuchungen haben ergeben, daß beim Einsatz von Chlor in der Wasseraufbereitung
kanzerogene Chlorverbindungen entstehen können.
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Aus den oben angeführten Gründen wird die Brechpunktchlorung zur Entfernung
des Ammoniakstickstoffes in der Trinkwasser- und Brauchwasseraufbereitung sicher
an Bedeutung verlieren.
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Die Belüftung des Rohwassers in der Trink- und Brauchwasseraufbereitung
durch Verdüsungstürme, Kaskaden, Riesler etc. mit dem Zweck einer Sauerstoffanreicherung
zur nachfolgenden Nitrifikation und/oder biologischen Entmanganung und Enteisenung
im Sandfilter oder auch zum Zweck der chemischen Oxidation des zweiwertigen Eisens
und Mangans ist von den Investitions-und Betriebskosten her aufwendig.
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Bei ungepufferten Grundwässern (sog. "Schwierige Wässer") gibt es
bei der Belüftung zur Oxidation des Eisens (Fe ) oft Schwierigkeiten an bestehenden
Anlagen, wenn die Filter mit hohem Rückstau und niederer Filtergeschwindigkeit betrieben
werden müssen.
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(Eberhardt, M., "Über die Aufbereitung reduzierter ungepufferter Grundwässer",
Vom Wasser, 41, 1973, pp 225 - 242).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, folgende Probleme zu lösen,
die bei der Nitrifikation bzw. bei der erwünschten Durchführung des Nitrifikationsprozesses
und parallel dazu verlaufender biochemischer und chemischer Sauerstoff verbrauchender
Reaktionen auftreten:
a) Deckung des Sauerstoffbedarfes b) Die Nitrifikation
bzw. parallel zur N-itrifikation auftretende biochemische und chemische Reaktionen
in einer für andere Zwecke schon vorgesehenen Verfahrenseinheit durchzuführen bzw.
zu intensivieren c) Steuerung des Sauerstoffeintrages a) Diese Aufgabe wird durch
ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß für die Deckung
des Sauerstoffbedarfes, der beim Nitrifikationsprozess auftritt und die bei der
Wässeraufbereitung parallel dazu verlaufenden biochemischen und chemischen sauerstoffverbrauchenden
Reaktionen (z. B. Oxidation des zweiwertigen Eisen (Fe und Mangan (min ), biologische
Entmanganung und Enteisenung, Wasserstoffperoxid (H202) verwendet wird.
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Bisher ist nach der Offenlegungsschrift 2 228 011, Aktenzeichen P
22 28 011. 1, Anmeldetag 8. Juni 1972 (BRD), die Sauerstoffversorgung mit H202 beim
Belebungsverfalirennur zur Reduktion des biochemischen Sauerstoffbedarfes (BSB)
möglich. Vom biologischen Gesichtspunkt her, heißt dies für die Sauerstoffversorgung
von heterotrophen Bakterien zur Oxidation organischen Kohlenstoffes. Die die Nitrifikation
durchführenden Bakteriengattungen Nitrosomonas und Nitrobacter gelten als chemolithoautotroph,
und können keine organischen Substrate verwerten. Sie gewinnen den zur Zellsubstanz
notwendigen Kohlenstoff durch Reduktion des anorganischen Kohlendioxides (Schlegel,
H. G., Allgemeine Mikrobiologie, Verlag G. Thieme, Stuttgart 1969, p 265 ff).
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In einer neueren Veröffentlichung (Cole, Ch. A., Ochs, D., Funnell,
F. C.: Hydrogen Peroxide as a supplemental oxygen source. Jour. Wat. Pollut.
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Control Fed., 46 (1974), pp 2579 - 2592) wird von Cole et aL sogar
darauf hingewiesen, die H202-Zugabe wirke sich hemmend auf den Nitrifikationsvorgang
aus.
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bl) In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann
unser Verfahren in der Sandfiltration (Naßfiltration) angewendet werden. Durch die
Zugabe von flüssigem Wasserstoffperoxid (11202) wird der Filtrationsvorgang, d.
h. die Entnahme von Kolloiden und ungelösten Feststoffen (suspendierte Stoffe) über
die gesamte Filterbettiefe hinweg nicht beein trächtigt. Gleichzeitig wird es mit
dem in der Erfindung vorgeschlagenen VelxfallrcJl möglich, die Bakteriengatttz ren,
die sich auf der großen Oberfläche
des Filters (der Sumine zier
Gbe#flächen der Einzelkörper) ansiedeln und wachsen und die sich nicht durch das
-vorhergehende Filterrückspülverfahren entfernen ließen, wirksam mit Sauerstoff
zu versorgen.
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Je nach der Zusantinensetzung des zu filternden Wassers, wird sich
eine spezielle mikrobielle Population auf den Filterkornoberflächen und in den Porenwinkeln
ausbilden, die gewünschte biochemische Reaktionen durchführt, wie z. B. die Nitrifikation
oder die biologische Entmanganung und Enteis enung.
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b2) Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung unseres Verfahrens ergibt
sich in der Trink- und Brauchwasseraufbereitung, dann wenn eine Enteisenung bzw.
Entmanganung oder Oxidation des Schwefelwasserstoffes (H2S) erwünscht ist.
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Anstelle einer Belüftung durch Eintrag von Luftsauerstoff zur chemischen
Oxidation des zweiwertigen Eisens und/oder des zweiwertigen Mangans und/oder des
Schwefelwasserstoffes vor der Filtration, kann unser Verfahren sehr vorteilhaft
angewendet werden. Dadurch, daß Wasserstoffperoxid (in202) in den Zulauf zum Sandfilter
dosiert wird, kann im Überstau des Sandfilters, der als Reaktionsraum wirkt, die
Oxidation des zweiwertigen Eisens und/oder des zweiwertigen Mangans und/oder des
Schwefelwasserstoffes durch Wasserstoffperoxid (11202) erfolgen.
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Der Eintrag des Wasserstoffperoxides kann im Überstauraum des Sandfilters
in variabler Höhe erfolgen, so daß eine Optimierung der vor der Filtration erforderlichen
Reaktionszeit des Was s erstoffp eroxides mit dem zweiwertigen Eisen und/ oder zweiwertigen
Mangan und/ oder Schwefelwasserstoff möglich ist. Die durch den Einsatz des in der
Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens gebildeten unlöslichen Oxidhydrate werden im
Filter dann zurückgehalten.
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b3) Beim einstufigen Belebungsverfahren treten im Belebungsbecken
sowohl heterotrophe wie auch autotrophe Mikroorganismen auf. Da die heterotrophen
Mikroorganismen eine bedeutend größere Wachstumsrate als die autotrophen haben,
ist es bei kurzen Aufenthaltszeiten nicht möglich, im Belebungsbecken eine Aufkonzentration
der Nitrifikanten unterhalb einer bestimmten Aufenthaltszeitgrenze (meist 8 h) zu
erzielen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
vorgesclllagel F üllkörper s chüttungen oder Füllelemente als Festbettreaktoren
vor
dem Auslauf im Eelehangsbecken fest einzubringen, so daß sie von dem Belebtschlamm-Abwas
5 ergemis eh durchströmt werden müssen.
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Den sehr gut haftenden, nitrifizierenden Bakterien wird so die Möglichkeit
gegeben, auf den mit Füllkörpern bzw. Füllelementen zu erzielenden großen Oberflächen
aufzuwachsen Auf diese Weise kann eine hohe Populationsdichte an Nitrifikanten im
Belebungsbecken erzielt werden.
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b4) Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in der Möglichkeit
zu sehen, mit unserem Verfahren Ammoniak in Aktivkohleadsorbern zu oxidieren.
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c) In der Offenlegungsschrift 2 236 504, Aktenzeichen P 22 36 504.
4, Anmeldetag 13. Juli 1972 (BRD) wurde Wasserstoffperoxid (H202) zum intensiven
Sauerstoffeintrag bei dem biochemischen Abbau hochkonzentrierter Abwässer benutzt.
Gemäß den dort erhobenen Patentansprüchen wird unter anderem Anspruch darauf erhoben,
das Problem der Dosierung von 11202 in ein total durchmischtes Becken gelöst zu
haben. Mit der dort angegebenen Dosiersteuerung über zwei Grenzkontakte ist jedoch
die 112O2-Dosierung beim Festbett bzw. biologischen Festbettreaktor nicht möglich,
da die Strömungsverhältnisse hier andere sind (Pfropfenströmund).
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Gemäß dem dort vertretenen Patentanspruch 2 wird t'. . . bei Erreichen
eines vorgegebenen Sollwertes die Zufuhr abgestoppt und bei Erreichen eines Minimalwertes
wieder freigegeben . . ~. In unserem Fall des Festbettreaktors wäre diese Regelung
nicht geeignet, da im Reaktor dann starke 5 auerstoffkonz entrations schwankungen
auftreten, die zu einer nicht optimalen Ausnutzung des Wasserstoffperoxides führen.
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Die Aufgabe der optimalen Steuerung des Sauerstoffeintrages mit Wasserstoffperoxid
(11202) ) wird gemäß vorliegender Erfindung dadurch gelöst, daß abhängig von einer
Konzentrationsmessung des Sauerstoffs im Auslauf des biologischen Festbettreaktors
bzw. des Festbettes (z. B. Auslauf des Sandfilters) die pro Zeiteinheit zugegebene
Menge an H202 in den Zulauf des biologischen Festbettreaktors bzw. Festbettes (z.
B. Zulauf zum Sandfilter) geregelt wird.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß der
Sauerstoffbedarf von cheinolithotrophen (autotrophen) Bakterien durch die gesteuerte
Zugabe von Wasserstoffperoxid gedeckt werden kann.
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Durch diese Möglichkeit der Sauers toifuedarfsdeckung ohne Störung
eines parallel verlaufenden Verfahrensschrittes können Sandfilter (Festbetten) nicht
nur zur Entnahme der suspendierten Stoffe, sondern auch gleichzeitig als Nitrifikaüonseinheiten
benutzt werden. Das Betriebsverhalten der Filter wird durch unser Verfahren nicht
beeinträchtigt. Hinsichtlich des Ablaufkonzentrationswertes der ungelösten Feststoffe
(suspendierten Stoffe) kann bei II2O2-Zugabe mit einer Verbesserung gerechnet werden;
im Vergleich zu einem Filter, ohne H2O2-Zugabe. Wird die dritte Reinigungsstufe
in einer Kläranlage eingesetzt, so kann in den Sandfiltern durch unser Verfahren
Nitrifikation erzielt werden und die Suspensaablaufkonzentration verbessert werden
Eine konstruktive Änderung an dem Baukörper des Sandfilters ist beim Einsatz unseres
Verfahrens nicht notwendig.
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An einem mit Abwasser beschickten, abwärts durchströmten Sandfilter
konnten nach einer 4-wöchigen Einarbeitungszeit ("Reifungszeit") des Filters zur
Ausbildung der Nitrifikanten-Population über das gesamte Filterbett folgende Ergebnisse
hinsichtlich der Ammoniakoxidation erzielt werden: Wasser Filterge- Ammomakkonzentration
Sandbett- Körnung Temper. schwindigkeit Zulauf Ablauf höhe des Quarz sandes OC m/h
mg NH3/1 mgNH3/1 m m mm 11,7 3,76 12,6 1,1 0,8 0,9 12, 5 5,16 10, 6 2, 6 0,8 bis
13>1 5,04 23>5 9,8 0>8 1,2 14,5 4,96 20,3 3,2 0,8 15, 1 5,47 30,8 8,8 0,8
Diese hohen Ammoniakkonzentrationswerte wurden bislang noch nicht in der Naßfiltration
bei der Ab-Trink- oder Brauchwasseraufbereitung erreicht.
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(Manuals of British Practice in Water Pollution Control "Unit Processes
Tertiary Treatment and Advanced Waste Water Treatment", The Institute of-Water Pollution
Control 1974, Tables 5 und 6, p 33, 36. ) Der pH-Wert des Abwasser-Zulaufes betrug
i. M. pH 8.
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Der Ausnutzungsgrad des durch die H2O2-Lös-ung zugegebenen Sauerstoffs
betrug hinsichtlich der Oxidation des Ammoniaks zu NO2- und NO-3i.M. 90%.
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Der Mittelwert der suspendierten Stoffe (SS) im Zulauf der Filter
betrug -12, 7 nig SS/1.
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Der Mittelwert der suspendierten Stoffe im Ablauf des mit 11202 aerob
gehaltenen Filters lag bei 3, 9 mg SS/1.
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Der Mittelwert der suspendierten Stoffe im Ablauf eines parallel,
unter gleichen Betriebsbedinglmgen, mit gleichem Kornaufbau betriebenen Sandfilters,
jedoch ohne 112O2-Zugabe, lag bei 5, 3 mg SS/1.
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Ohne Vergrößerung des Belebungsbeckens und somit ohne Verlängerung
der Aufenthaltszeit läßt sich mit der vorgeschlagenen Ausbildung unserer Erfindung,
dem Einbau einer zwangsdurchströmten Füllkörperschüttung oder Füllelementen als
biologischem Festbettreaktor unter Einsatz geringer konstruktiver Mittel in einem
Belebungsbecken die Nitrifikationsleistung steigern.
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In der Trinkwasser- und Brauchwasseraufbereitung ermöglicht unser
Verfahren die Oxidation des Ammoniaks durch die Nitrifikation in den Sandfiltern.
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Das Verfahren der Brechpunktchlorung zur Oxidation des Ammoniaks (Gefahr
der Erzeugung kanzerogener Stoffe) kann damit in vielen Fällen aufgegeben werden.
Zusätzlich können durch unser Verfahren die Enteisenung und die biologische Entmanganung
zusätzlich neben der Nitrifikation erreicht werden.
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Bei ungepufferten Grundwässern führten die bislang benutzten Belüftungssysteme
zu einem CO2-Austrag> der Schwierigkeiten bei der Fe Oxidation machte. Diese
Schwierigkeiten können mit unserem Verfahren behoben werden, denn der Eintrag von
Sauerstoff über die Zugabe von Wasserstoffperoxid ist nicht mit einem CO-Austrag
verbunden.
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Die mögliche Variation der Höhe des Eintrages des Wasserstoffperoxides#
in den Überstauraum des Sandfilters erlaubt weiter eine Anpassung an die Pufferungsreaktion,
so daß die Enteisenung im nachfolgenden Sandfilter abgeschlossen werden kann.
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Belüftungssysteme wie Verdüsungstürme, Kaskaden und Riesler etc. werden
sich beim Einsatz unseres Verfahrens erübrigen.
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Mit der in unserer Erfindung vorgeschlagenen Steuerung zur H202-Dosierung
ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im Ablauf eines Festbettreaktors + (z.
B. Sandfilter) mit einer Toleranzgrenze von - 0, 5 mg 02/1 einzustellen.
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Durch unsere Steuerung erfolgt eine wirtschaftliche, selbstregulierende
Anpassung der 11202 Zugabe an die Nitrifikationsleistung des Festbettreaktors bzw.
eine Anpassung an die sauerstoffverbrauchenden biochemischen und + chemischen Reaktionen
inAbhängigkeit von der Ammoniak- (NH4 > NH 3)> Eisen- (Pe 2+)> Mangan (Mn2+)
etc, Zulaufkonzentration, weiter in Abhängigkeit der Temperatur. pH-Wert etc. und
des physiologischen .Zustandes der autotrophen Bakterienpopulation. Im hinblick
auf die Nitrifikation sollte die Sauerstoffkonzentration im Reaktor über 1, 0 mg
02/1 liegen. Oberhalb dieses Grenzwertes wird die Nitrifikation nicht mehr durch
die Sauerstoffkonzentration beeinträchtigt.
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(Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik, Bd. 2, 2. Aufl., Verlag Wilhelm
Ernst & Sohn, Berlin, 1975, p 454.) Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es zeigen: Abb. 1 eine erste Einrichtung zur Durchführung des genannten
Verfahrens in einem Festbett.
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Abb. 2 eine zweite Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens
in einem biologischen Festbettreaktor.
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In Abb. 1 zeigt (1) ein Festbett (hier: Sandfilter), das sowohl in
offener wie auch geschlossener Bauweise ausgeführt sein kann und einphasig von Abwasser
durchströmt wird. (2) stellt den Überstauraum über der Füllkörperschüttung (3) (hier:
Sandbett) dar. Der Zulauf (4) zum Festbett (1) (hier: Sandfilter) mündet in diesen
Überstauraum (2) ein. Die Wasserstoffperoxid-Zugabe mündet in (11) in den Zulauf
(4). Die Wasserstoftperoxid-ZugabeJ<ann unter Umständen auch direkt in den Überstauraum
(2) einmünden. In den Ablaufstrom (5) des Festbettes (1) (hier: Sandfilter) ist
ein Messfühler (10) (hier: Sauerstoffelektrode) eingebracht. Die Sauerstoffkonzentration
im Ablaufstrom (5) ist die Regelgröße, die durch die Sauerstoffkonzentrationsmessung
ermittelt wird. Ein Sauerstoffregel- und Anzeige gerät (8) dient als Vergleicher,
um den Unterschied zwischen Sauerstoffkonzentrations-Istwert und dem Sollwertbereich
festzustellen. Der Sollwertbereich kann auf dem Sauerstoffregel- und Anzeigegerät
(8) eingestellt werden. Als Staorgan wird eine dosierfrefluen%- oder drehzahlsteuerbare
Dosierpumpe (7) verwendet.
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Von unserem eigenentwickelten Steuergerät (9) wird in einstellbaren
Zeitabstunden, um so die Regelzeit der Regelstrecke berücksichtigen zu können, der
Messwert der Sauerstoffkonzentration am Sauerstoffregel- und Anzeigegerät (8) abgefragt.
Liegt der Istwert der Sauerstoffkonzentration des Ablaufstromes (5) oberhalb des
Sollwertbereiches, wird die Dosierfrequenz bzw.
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die Drehzahl der Dosierpuinpe (7) um einen an unserem Steuergerät
(9) fest einzustellenden Betrag vermindert. Liegt der Istwert der Sauerstoffkonzentration
im Ablaufstrom (5) unterhalb des Sollwertbereiches, so wird durch unser Steuergerät
(9) die Dosierfrequenz bzw. die Drehzahl der Dosierpumpe (7) um einen fest einzustellenden
Betrag erhöht. Liegt der Istwert innerhalb des Sollwertbereiches, so bleibt die
Dosierfrequenz der Dosierpumpe (7) unverändert. Die Dosierpumpe (7) pumpt aus dem
Vorratsbehälter für 11202 (6) das flüssige und nach Bedarf zu verdünnende Wasserstoffperoxid
zur Eingabestelle (11) in den Zulauf (4). Nicht beschrieben, da nicht von Be lang,
sind die Einrichtungen zum Rückspülen des Festbettes (hier: Sandfilter) sowie die
Einrichtungen zur Steuerung des Wasserdurchsatzes.
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In Abb. 2 zeigt (17) einen biologischen Festbettreaktor (hier: Füllkörperschüttung
oder Fiillelemente als Festbettreaktor), der in das Belebungs beclxen (12) eingebaut
ist und von dem Belebtschlamm-Abwassergemisch durchströmt werden muß. Dieser Festbettreaktor
(17) kann sowohl ein- wie auch zweiphasig durchströmt werden. Das Abwasser- Belebtschlammgemis
ch wird hier als eine Phase betrachtet. Eine zweiphasige Durchströmung bedeutet
hier eine D-#rchströmung des Festbettreaktors (17) durch ein Abwasser- Belebtschlamm-Luftgemisch.
(3) stellt die Füllkörperschüttung bzw, die Füllelemente des biologischen Festbettreaktors
(17) dar. Unterhalb dieses Festbettreaktors (17) ist im Festbettreaktorvorraum (13)
eine Verteilerleptung (14) angebracht. (15) sind die Belüftungskerzen, mit denen
dem Belebtschlamm im Belebungsbecken (12) Sauerstoff zugeführt wird. Diese Belüftungskerzen
(15) können aber auch dazu dienen, bei dem durch die Trennwand (16) vom Belebungsbecken
(12) wasserdicht abgetrennten Festbettreaktor (17) einen Drucklufthebereftekt zu
erzielen. Damit kann sichergestellt werden, daß einerseits mit der durch den Lufteintrag
zu erzielenden Turbulenz im Reaktorvorraum (13) und bei der Durchströmung der Füllkörperschüftungen
oder Füllelemente (3) selber keine Entmischung des BelebtschlammS wassergemisches
stattfindet und andererseits kann damit erreicht
werden, daß der
hydraulische Widerstand der Füllkörp ers chüftungen oder Füllelemente (3) mit einer
nur geringen Wasserspiegeldifferenz zwischen dem Belebungsbecken (12) und Ablauf
(5), des Festbettreaktors (17) überwunden werden kann. Mit der Verteilerleitung
(14) wird die H202-22 Lösung in das Abwasser-Belebtschlammgemisch bzw. in das Abwasser-Belebtschlamm-Luftgemisch
vor Eintritt in den Festbettreaktor (17) eingebracht, da der Sauerstoffeintrag mit
Luft den hohen Sauerstoffbedarf', der durch die Nitrifikation hervorgerufen wird,
nicht decken kann. Die Steuerung der H2O2-Zugabe geschieht wie folgt: In den Ablaufstrom
(5) des Festbettreaktors ist ein Messfühler (10) (Sauerstoffelektrode) eingebracht.
Die Sauerstoffkonzentration im Ablaufstrom (5) ist die Regelgröße, die durch die
Sauerstoffkonzentrationsmessung ermittelt wird. Ein Sauerstoffregel- und Anzeige
gerät (8) dient als Vergleicher, um den Unterschied zwischen dem Sauerstoffkonzentrations-Istwert
und dem Sollwertbereich festzustellen.
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Der Sollwertbereich kann auf dem Sauerstoffregel- und Anzeige gerät
(8) eingestellt werden. Als Stellorgan wird eine dosierfrequenz bzw. drehzahlfrequenzsteuerbare
Dosierpumpe (7) verwendet. Von unserem eigenentwickelten Steuergerät (9) wird in
einstellbaren Zeitabständen, um so die Regelzeit der Regelstrecke berücksichtigen
zu können, der Messwert der Sauerstoffkonzentration am Sauerstoffregel- und Anzeigegerät
(8) abgefragt. Liegt der Istwert der Sauerstoffkonzentration des Ablaufstromes (5)
oberhalb des Sollwertbereiches wird die Dosierfrequenz bzw. die Drehzahl der Dosierpumpe
(7) um einen an unserem Steuergerät (9) fest einzustellenden Betrag vermindert.
Liegt der Istwert der Sauerstoffkonzentration im Ablaufstrom (5) unterhalb des Sollwertbereiches,
so wird durch unser Steuergerät (9) die Dosierfrequenz bzw. die Drehzahl der Dosierpumpe
(7) um einen fest einzustellenden Betrag erhöht. Liegt der Istwert innerhalb des
Sollwertbereiches, so bleibt die posierfrequenz bzw. Drehzahl der Dosierpumpe (7)
unverändert.
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Die Dosierpumpe pumpt aus dem Vorratsbehälter für 11202 (6) das flüssige
und nach Bedarf zu verdünnende Wasserstoffperoxid in die Verteilerleitung (14),
die im Reaktorvorraum (13) in den Zulauf (4) mündet.