DE2531110A1

DE2531110A1 - Vorrichtung und verfahren zur entfernung von ammoniakstickstoff aus abfallwasser

Info

Publication number: DE2531110A1
Application number: DE19752531110
Authority: DE
Inventors: Jeris John Stratis
Original assignee: ECOLOTROL
Current assignee: ECOLOTROL
Priority date: 1974-07-12
Filing date: 1975-07-11
Publication date: 1976-01-22
Also published as: NL7508305A; CA1057430A; FR2277780A1; JPS5131063A; BE831247A; GB1520895A; CH616639A5; FR2277780B1

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR RER. NAT. Jl. HOFFMANN

PATENTANWÄLTE O-8000 MÖNCHEN Sl · ARABELLASTRASSE 4 ■ TELEFON (0811) 911087

27024 Ecolotrol, Inc., Bethpage, N.Y., USA

Vorrichtung und Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff

aus Abfallwasser

Die Erfindung betrifft ein biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser, bei dem eine Wirbelschicht aus Mikroorganismen gebildet wird, die an einem festen teilchenförmigen Träger fest angebracht sind, Abfallwasser, das behandelt werden soll, kontinuierlich durch die Wirbelschicht geleitet wird, Sauerstoff zu der Wirbelschicht zugegeben wird, das Abfallwasser in der Wirbelschicht während einer Zeit gehalten ist, die ausreicht, um im wesentlichen den gesamten Ammoniakstickstoff, der aus dem Abfallwasser entfernt werden soll, in oxidierte Formen des Stickstoffs, in Wasser und in zellulares Material biologisch zu überführen, wobei die erforderlichen Parameter kontrolliert werden, und bei dann die biologisch umgewandelten Produkte aus der Wirbelschicht entfernt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung für die Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur biologischen Behandlung von flüssigen Abfällen, wobei Wirbelschichten verwendet werden. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Entfernung

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von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser.

Nicht behandelte städtische Abfälle enthalten von 20 bis 50 Stickstoff pro Liter, hauptsächlich in Form von Ammoniak und organischem Stickstoff. Die großen nachteiligen Einflüsse dieser Verbindungen auf die Umwelt hat man bis zu den letzten- zehn Jahren nicht vollständig erkannt. Bedingt durch die großen Mengen an gebundenem Stickstoff in Form von Ammoniak und anderen Verbindungen, die in die Biosphäre in großem Maßstab durch die Verwendung synthetischer Düngemittel eingeführt werden, bedingt durch die Einflüsse der Menschen auf die Umgebung durch die Übervölkerung entwickelt sich in unserem ökologischen System ein Ungleichgewicht, das für zukünftige Generationen sehr weitreichende Konsequenzen haben wird. Die Anwesenheit solcher Währstoffe in natürlichen Gewässern ergibt eine Düngung und ein vegetatives Wachstum in Form von Algenwachstum bzw. Algenblüten. Ein solches Wachstum ergibt oft eine beschleunigte Eutrophierung.

Die üblichen Verfahren für die Behandlung von städtischem Abfall, hauptsächlich aktivierter Schlamm und eine Sickerfiltration sind darauf angelegt, Feststoffe und organisches Material, das Sauerstoff bedarf, aus dem Abfallwasser zu entfernen. Während dieser Behandlungsverfahren wird ein Teil des organischen Stickstoffs in die Ammoniakform überführt. Um diese Ammoniakverbindungen aus dem Abfallwasser zu entfernen, hat man in kleinem Maßstab chemische und physikalische Verfahren wie die Chlorierung und den Austausch mit Ionen versucht, aber die Kosten sind so hoch gewesen, daß man keine Versuche unternommen hat, diese Behandlungsverfahren bei großen Anlagen einzusetzen. Obgleich das Abstreifen des Ammoniaks wirtschaftlich denkbar ist, besitzt es den Nachteil, daß es im Winter schlecht arbeitet oder nicht durchführbar ist und daß Ammoniak in die Atmosphäre

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abgegeben wird. Biologische Behandlungsverfahren werden am häufigsten verwendet, um Ammoniak in typischen großen Anlagen zu entfernen. Die Oxidation des Ammoniakstickstoffs zu Nitratstickstoff kann in einer Behandlungsanlage mit Aktivschlamm durchgeführt werden, indem man die Belüftungszeit in der Anlage von 3 bis 6 Stunden auf 10 oder mehr Stunden erhöht. Dazu sind große Belüftungsbecken erforderlich und oft ist das Verfahren unrationell, da bei der Kontrolle des Systems Schwierigkeiten auftreten. Diese Oxidation von Ammoniak zu Nitrat, die als Nitrifikation bezeichnet wird, kann ebenfalls durchgeführt werden, indem man den Abstrom von dem Aktivschlammbehandlungsverfahren in einem getrennten Belüftungssystem belüftet. Dadurch wird die Kontrolle des Nitrifikationsverfahrens erleichtert, es sind jedoch zusätzliche Belüftungsbecken mit einer zusätzlichen Belüftungszeit von 3 bis 6 Stunden erforderlich.

Bei bestimmten Versuchsnitrifikationsverfahren werden Aufwärtssäulen oder -Schichten verwendet. Solche gepackten Schichten verstopfen, wenn die Feststoffe in dem Abfallwasser ausfiltriert werden und da befestigte bzw. haftende Fauna und Flora an den Steinmedien ein unkontrolliertes Wachstum zeigt. Eine solche Blockierung verursacht unüberwindliche Verluste an Höhe. Diese Verluste müssen durch häufiges und unpraktisches Rückwaschen der Schicht beseitigt werden. Weiterhin sind Verweilzeiten, die länger sind als eine Stunde, erforderlich.

Ein Beispiel eines bekannten Systems wird in der Publikation von P.P. St. Amant und P.L. McCarty "Treatment of High Nitrate Waters", JOURNAL OF AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION, S. 659-669, 1969 beschrieben. Diese Publikation betrifft ein Aufwärtsstrom-Denitrifikationssystem, das hauptsächlich eine gepackte Schicht aus 2,5 cm (1 inch) Steine enthält, verglichen mit der vorliegenden Erfindung, bei der eine Wirbelschicht

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aus kleinen Teilchen verwendet wird. Die Betriebsparameter und die Ergebnisse unterscheiden sich vollkommen. Ein weiteres Beispiel eines bekannten Systems wird in der Publikation von W.J. Weber jun. und J.C. Morris "Kinetics of Adsorption in Columns of Fluidized Media", JOURNAL OF AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION, S. 425, 430, 443, 1965 beschrieben. In dieser Publikation wird die Verwendung von einer Säule mit expandierter Schicht für ein physikalisches Adsorptionsverfahren beschrieben, d. h. die Adsorption von organischem Kohlenstoff durch poröse adsorptionsfähige Aktivkohleteilchen. Das Verfahren von Weber et al'beruht nicht auf der Verwendung einer biologischen Wirkung wie bei der vorliegenden Erfindung.

Ein weiteres Beispiel für bekannte Systemen ist das Savage-Patent Nr. 3 709 364, das im Januar 1973 erteilt wurde. Das Verfahren, das in diesem Patent beschrieben wird, ist im wesentlichen ein "Tiefschichtfilterverfahren", bei dem ein Abwärts strömungssystem verwendet wird. Bei dieser Art von System werden die Abstände zwischen den Teilchen mit festen Abfallstoffen verstopft und es treten große Verluste in der Höhe auf. Savage erkennt diese Schwierigkeit und schafft Maßnahmen, um dieses Filtermedium periodisch zurückzuwaschen und zu bewegen und um suspendierte Feststoffe, die sich darauf ansammeln, zu entfernen. Verglichen mit der vorliegenden Anmeldung beruht das Savage-System auf unterschiedlichen Prinzipien und es werden verschiedene Parameter verwendet.

Andere verwandte Patentschriften und Publikationen sind die folgenden:

US-Patentschriften

Nr. 2 676 919 M. Pirnie April 1954

Nr. Re 24 219 M. Pirnie September 1956

Nr. 2 834 466 L. Hament Mai 1958

Nr. 2 992 986 W.T. Ingram Juli 1961

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Nr. 3 075 828 Nr. 3 173 862 Nr. 3 219 577 Nr. 3 424 674 Nr. 3 232 434 Nr. 3 371 033 Nr. 3 401 113 Nr. 3 543 937 Nr. 3 547 816

Tsuneo Kato et al
J.S. Clements et al T.J. Powers
P.J. Webber
W. Albersmeyer
E.D. Simmons et al R.D. Pruessner et al J.M. Choun
Horiguchi et al

Januar 1963 März 1965 November 1965 Januar 1966 Februar 1966 Februar 1968 September 1968 Dezember 1970 Dezember 1970

Publikationen

W.J. Weber jun., C.B. Hopkins und R. Bloom jun., "Physiochemical Treatment of Waste Water", Journal Water Pollution Control Federation, Band 42, S. 83-89 (1969);

T.A. Tamblyn und Bryan R. Sword, "The Anaerobic Filter for the Dinitrification of Agricultural Subsurface Drainage" erschienen bei der 24. jährlichen Purdue Industrial Waste Conference, Lafayette, Indiana, am 7. Mai 1969;

Carl Beer, "Evaluation of Anaerobic Dinitrification and Processes", Proc. Paper 7211, D.F. Seidel und R.W. Crites, Ed., (April 1970);

F. Castaldi und J.S. Jeris, "Still Wanted: Economical Controlled Denitrification", Water and Wastes Engineering Band 41, S. 36-38 (Juni 1971);

C. Beer, J.S. Jeris und J.A. Mueller, "Biological Denitrification of Effluents in a Fluidized Granular Bed, Phase I" hergestellt für New York State Department of Environment Conversation, publiziert Manhattan College (März 1972);

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W.J. Weber jun. und J.C. Morris, "Kinetics of Adsorption in Columns of Fluidized Media" Journal of American Water Works Association, S. 425, 430, Band 443 (1965);

P.P. St. Amant und P.L. McCarty, "Treatment of High Nitrate Waters", Journal of American Water Works Association, S. 659-662 (1969);

Perry L. McCarty und Roger T. Haug, "Nitrification with submerged Filters", Journal Water Pollution Control Federation, Band 44, Nr. 11 (November 1972);

Perry L. McCarty und James C. Young, "The Anaerobic Filter for Waste Treatment", Journal WaterPollution Control Federation, Band 41, R 160 (1969);

W. J. Weber jun., L.D. Friedman und R. Bloom jun., "Biologically - Extended Physicochemical Treatment", Veröffentlichung auf der 6. International Water Pollution Control Conference in der University of Michigan am 22. Juni 1972,

In diesen Arbeiten wird ein Adsorptionsverfahren beschrieben und daher ist ein poröses Substrat erforderlich, d. h. Sand und ähnliche Materialien können nicht verwendet werden. Die Ansammlung von Schlamm wird nicht beschrieben und stöchiometrische Mengen an Sauerstoff werden nicht verwendet.

Obgleich man auf diesem Gebiet erkannt hat, daß es wünschenswert wäre, biologische Organismen zu verwenden, um Ammoniak aus Abfallwasser zu entfernen, ist es nicht gelungen, ein billiges und hochrationelles Verfahren für die schnelle Behandlung von großen Mengen an Abfallwasser zu schaffen. Es besteht somit ein kritischer Bedarf für ein Verfahren,

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das die Nachteile und Mangel der bekannten Verfahren nicht besitzt, um Abfallwasser zu reinigen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein relativ billiges Verfahren zu schaffen, bei dem biologische Organismen verwendet werden, um den Ammoniakstickstoffgehalt von Abfallwasser zu oxidierten Formen des Stickstoffs zu oxidieren.

Der Ausdruck "Abfallwasser" oder "flüssiger Abfall" bedeutet organische oder anorganische Flüssigkeiten oder Mischungen davon, die biologisch zersetzbare Verunreinigungen enthalten und die das Äquivalent von mindestens ungefähr 10 mg/1 Stickstoff in reduzierter Form, insbesondere in Ammoniakform, enthalten. Die meisten städtischen Abfallwassersorten und industriellen Abfallwassersorten mit äquivalentem Gehalt fallen unter die oben gegebene Definition von Abfallwasser.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Ammoniakstickstoffgehalt von Abfallwasser unter Verwendung einer Wirbelschicht aus biologischen Organismen zu vermindern und gleichzeitig die Neigung der Schichtteilchen, sich durch übermäßiges biologisches Wachstum stark zu vergrößern, zu regulieren.

Erfindungsgemäß soll Abfallwasser, welches beachtliche Mengen an suspendierten Feststoffen enthält, behandelt werden, ohne daß die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens vermindert wird.

Erfindungsgemäß soll ein leistungsfähiges bzw. rationelles Abfallbehandlungsverfahren geschaffen werden, das mit niedrigeren Einbehaltezeiten verglichen mit den traditionellen Verfahren betrieben werden kann.

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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser, das dadurch gekennzeichnet ist, da8 man eine Wirbelschicht aus Abfallwasser und Fauna und Flora erzeugt, die so ausgebildet ist, daß der Ammoniakstickstoff unter dem Einfluß der aeroben Fauna und Flora, die an einen festen teilchenförmigen Träger fest angebracht ist, der aufgewirbelt werden kann, oxidiert wird, ausreichende Mengen an Sauerstoff abmißt und in die Schicht gibt, so daß die Fauna und Flora den Ammoniakstickstoffgehalt des Abfallwassers, das dadurch läuft, oxidieren und man danach Überschüssiges Bakterienwachstum, das sich auf dem Träger während des Verfahrens bildet, entfernt.

Der Ausdruck "Wirbelschicht", der hierin verwendet wird, bedeutet die Strömung einer geeigneten Flüssigkeit aufwärts durch eine Schicht mit Teilchen geeigneter Größe mit einer Geschwindigkeit, die ausreichend hoch ist, so daß die Teilchen treiben und dem Schwereeinfluß nicht mehr unterliegen, und es den Anschein hat, daß sie sich innerhalb der Schicht bewegen und wobei die Schicht in größerer Höhe expandiert ist, als wenn keine Strömung da durchgeht. Die Teilchen bewegen sich zu unterschiedlichen Teilen der Schicht und ihnen wird innerhalb der Schicht Bewegung verliehen bzw. sie bewegen sich innerhalb der Schicht. Im Gegensatz dazu sind die Teilchen in einer expandierten Schicht, wie sie bei den bekannten Systemen verwendet wird, wie bei den Systemen, die zuvor im Zusammenhang mit den zwei Weber et al Publikationen und der Huether-Patentschrift Nr. 3 658 697 erwähnt wurden, hauptsächlich in einem gegebenen Volumen durch das Wasser, das da durchläuft, suspendiert.

Ein Abfallwasser, das Stickstoff in Form von Ammoniak enthält, wird durch die Wirbelschicht geleitet, das Bakterienwachstum auf den Teilchen wird beschleunigt und die Teilchengröße der

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Schicht nimmt zu. Sofern keine Kontrolle stattfindet, vergrößern sich die Schichtteilchen und können agglomerieren; dadurch wird der biologische Oberflächenbereich pro Einheit des Volumens des Reaktors und die Leistungsfähigkeit der Säule vermindert. Das spezifische Gewicht der Teilchen wird vermindert, wenn sie sich vergrößern und/oder agglomerieren und es besteht die Gefahr, daß sie aus der Schicht weggetragen werden. Es ist ein Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß überschüssiges zellulares Material oder Bakterienwachstum, das sich auf den Teilchen während des Verfahrens bildet, mechanisch entfernt wird, wobei es vermieden wird, daß die Teilchen in dem Verfahrensabstrom wegtreiben werden. Der Ausdruck "überschüssiges zellulares Material", wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bedeutet den Überschuß an solchem Material, das an dem teilchenförmigen Trägermaterial befestigt ist, außer dem, das für den normalen Betrieb des Systems benötigt wird.

Verwendet man eine Wirbelschicht für die biologische Behandlung, so kann ebenfalls Abfallwasser, das wesentliche Mengen an suspendiertem Material enthält, behandelt werden. Solches suspendiertes Material geht leicht durch die Wirbelschicht hindurch. Andere Arten von Schichten wie gepackte Schichten können sich verstopfen und übermäßige Druckverluste erleiden, bedingt durch übermäßiges Wachstum und durch Retention von suspendiertem teilchenförmigen! Material, das in dem Abfallwasser enthalten ist.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Wirbelschicht des Verfahrens sind die unerwartet hohen Strömungsgeschwindigkeiten und Entfernungswirksamkeiten, die man mit dem Wirbelschichtsystem erreicht. Das Verfahren kann leicht so angepaßt werden, daß die Wasser- und Abfallwasserreinigungs-Erfordernisse für Stadtgemeinden und für die Industrie erfüllt werden.

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Die Erfindung betrifft somit ein neues und verbessertes biologisches Verfahren für die Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser, bei dem eine Wirbelschicht aus Mikroorganismen, die an einem festen teilchenförmigen Trägermaterial befestigt sind, gebildet wird, bei dem kontinuierlich Abfallwasser, das behandelt werden soll, durch die Wirbelschicht geleitet wird, Sauerstoff zu der Wirbelschicht zugegeben wird und das Abfallwasser der Wirbelschicht in einer ausreichenden Zeit gelassen wird, wobei die Wirbelschicht bei einer geeigneten Temperatur gehalten ist und wobei die Wirbelschicht unter aeroben Bedingungen gehalten wird, um im wesentlichen den gesamten Ammoniakstickstoff, der aus dem Abfallwasser entfernt werden soll, biologisch in oxidierte Formen von Stickstoff einschließlich Nitrit- und/oder Nitratstickstoff, Wasser und zellulares Material zu überführen. Bei dem Verfahren werden weiterhin kontinuierlich die oxidierten Formen des Stickstoffs und das Wasser aus der Wirbelschicht entfernt und überschüssiges zellulares Material wird von dem teilchenförmigen Träger entfernt.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden erfindungsgemäße Ausführungsformen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Fließschema, in dem das erfindungsgemäße Verfahren erläutert ist, wobei die verschiedenen Verfahrenskomponenten mehr oder minder schematisch dargestellt sind.

Fig. 2 ist ein Fließschema, in dem eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wird.

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann für die Behandlung von irgendwelchem fluiden Material, das Ammoniakstickstoff enthält und an das Bakterien gewöhnt werden können, verwendet werden. Es ist jedoch besonders für die Nitrifikation in Anlagen für die sekundäre Abfallwasserbehandlung geeignet. Für die vollständige Nitrifikation von Abfallwasser kann das Verfahren ebenfalls bei überbeladenen bekannten Sickerfiltrationsanlagen oder bei Aktivschlammbehandlungsanlagen verwendet werden, wo BOD entfernt wird, wo aber die Nitrifikation erforderlich wird, insbesondere wenn das verfügbare Land begrenzt ist,- Es besitzt die weitreichenden Fähigkeiten, überbeladene Behandlungssysteme zu vergrößern.

Für die meisten praktischen Anwendungen wird das Abfallwasser, das behandelt werden soll, mindestens das Äquivalent von ungefähr 10 mg/1 Ammoniakstickstoff enthalten. Das Verfahren kann ebenfalls verwendet werden, um Abfallwasser zu behandeln, wenn es weniger als diese Menge enthält.

In dem als Ausgangsmaterial verwendeten Abfallwasser muß ausreichend Sauerstoff vorhanden sein, um die stöchiometrische Menge für die Oxidation des Ammoniaks, der entfernt werden soll, zu liefern. Reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas wie Luft können in das Beschickungsmaterial eingespritzt werden, bevorzugt bevor das Beschickungsmaterial in die Wirbelschicht eintritt. Gewünschtenfalls kann der Sauerstoff in die Wirbelschicht oder sowohl in das Beschikkungsmaterial als auch in die Schicht eingespritzt werden. Um die Leistungsfähigkeit des SauerstoffÜbergangs zu erhöhen, können die aus der Wirbelschicht abströmenden Gase in das Abfallwasser rezyklisiert werden oder das Abfallwasser kann rezyklisiert werden, um eine größere Sauerstoffadsorption zu ergeben bzw. um diese zu verstärken.

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Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens wird Abfallwasser durch eine AufwärtsstromwirbeIschicht erfindungsgemä0 in Anwesenheit geeigneter Mikroorganismus geleitet, die Ammoniakstickstoff in oxidierte Stickstofformen einschließlich Nitrit- und/oder Nitratstickstoff und zellulares Material überführen. Die allgemeine Gleichung für diese biologische Erscheinung kann folgendermaßen dargestellt werden: CO₂ + NH, + O₂ + Mikroorganismen-> NO₂ und/oder NO, + H₂O + Mikroorganismen. ^v

Ausreichend Sauerstoff muß vorhanden sein, damit dem stöchiometrisehen Minimum im Hinblick auf die Mengen an Ammoniak, die in dem Abfallwasser vorhanden sind, Genüge getan wird. Im allgemeinen sind von ungefähr 3,0 bis ungefähr 5,0 mg an gelöstem Sauerstoff für jedes mg an oxidiertem Ammoniak erforderlich. Geringere Mengen können verwendet werden, jedoch wird das Verfahren im allgemeinen weniger wirtschaftlich. Wenn größere Mengen verwendet werden, dann steht ein Überschuß an Sauerstoff zur Verfügung, der für die Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich ist. Bei bestimmten Fällen wird es nicht möglich sein, den Ammoniakstickstoff in dem Abfallwasser genau zu bestimmen. Als praktisches Maß ist es daher bevorzugt, das Abfallwasser, soweit wie es praktikabel ist, mit gelöstem Sauerstoff zu sättigen. Die Löslichkeit von reinem Sauerstoff beträgt ungefähr 40 mg pro 1 bei atmosphärischen Bedingungen.

Um gelösten Sauerstoff zur Verfügung zu stellen in Mengen, die sich der Löslichkeit von reinem Sauerstoff nähern, wurde gefunden, daß eine Fermentationsvorrichtung bzw. eine Bütte verwendet werden kann. Die Fermentationsvorrichtungsturbine besitzt einen hohlen ringförmigen Schaft mit Schaufeln oder Turbinen am Ende des Schafts. Abfallwasser wird durch einen Tank geleitet, in dem sich die Fermentationsvorrichtungs-

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turbine befindet. Sauerstoff wird durch die zentrale Düse der Turbine geleitet und in eine Vielzahl von kleinen Bläschen durch die Spinnschaufeln am unteren Teil des Turbinenschafts aufgeteilt. Es können auch andere bekannte Übertragungsvorrichtungen verwendet werden.

Das Wirbelschichtsystem wird bevorzugt gebildet, indem man das Abfallwasser durch eine senkrechte Säule leitet, die Mikroorganismen enthält, die an einem teilchenförmigen Trägermaterial oder Substrat befestigt sind. Im allgemeinen werden die Träger mit Bakterien aus aeroben Verfahren angeimpft, die so ausgebildet sind, daß sie sich mit Abfallwasser ernähren können. Für diesen Zweck sind besonders Nitrosomonas und Nitrobacter, die in städtischen Abfallwässern natürlich vorkommen, geeignet.

Geeignete Trägermaterialien für die Fauna und Flora oder die Mikroorganismen sind natürliche oder künstliche Materialien wie Kohle, vulkanische Schlacken, Glas- oder Kunststoffperlen, Sand, Aluminium, Granat und Aktivkohleteilchen. Die Größe der gewählten Teilchen ist eine Funktion sowohl des spezifischen Gewichts als auch des Oberflächenbereiches. Für die meisten Zwecke besitzen die Trägermaterialteilchen einen Durchmesser zwischen ungefähr 0,2 und ungefähr 3 mm. Bei der obigen Diskussion wird angenommen, daß kugelförmige Teilchen vorliegen, aber in den meisten Fällen sind die Teilchen nicht kugelförmig. Am meisten bevorzugt besitzen die Teilchen eine einheitliche Größe. Die oben erwähnten Schichtträgermaterialien sind Beispiele für bevorzugte Substrate. Es können jedoch selbstverständlich auch andere Materialien, die gegenüber Bakterien nicht toxisch sind, natürlichen oder synthetischen Ursprungs verwendet werden.

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Es wurde gefunden, daß wesentliche Mengen von Ammoniak aerob in einer Fraktion einer Schicht nitrifiziert werden können, manchmal in den ersten dm, die benachbart zu der Einflußstelle für das Beschickungsmaterial sind. Dementsprechend kann es ausreichen, aerobe Bedingungen für nur einen Teil der Schichthöhe zu schaffen. Ähnliche Ergebnisse werden bei der aeroben Entfernung von BOD erhalten. Es fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung, das Verfahren auf diese Weise durchzuführen.

Für eine verbesserte Ammoniakentfernung enthalten die Schichtteilchen bevorzugt eine dünne Bakterienschicht, die darauf aufgeimpft ist. Bevorzugt werden die Schichtteilchen zuerst mit den Impfbakterien, wie sie im Abfall vorhanden sind, kultiviert.Animpfen erfolgt extern oder bevorzugt innerhalb der Wirbelschichtsäule. Zu diesem Zweck werden die Trägerteilchen in die Säule eingeleitet und anschließend wird das Abfallwasser, das behandelt werden soll, durch die Säule geleitet. Es wurde gefunden, daß das Impfen verstärkt wird, indem man den gesamten Strom oder einen Teil davon rezyklisiert, den pH-Wert, die Konzentration an NH, und die Alkalinität reguliert. Impfbakterien oder Bakterien, die natürlich in dem Abfall vorhanden sind, wachsen schnell um die Schichtteilchen und passen sich dem System an. Das spezifische Gewicht der angeimpften Teilchen liegt bevorzugt nicht unter 1,1 und bevorzugt beträgt es mindestens ungefähr 1,2 um sicherzustellen, daß diese Teilchen nicht aus dem System während des Betriebs der Wirbelschicht weggetragen werden.

Als Verfahrensbeispiel wird das Abfallwasser,, sofern erforderlich auf geeignete Weise oxygeniert ist, in eine vertikale zylindrische Säule durch einen Verteilungskopf im unteren Teil der Säule eingeleitet. Ein geeigneter Verteilungs-

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kopf besitzt eine Reihe von einander entfernt angebrachten Einlaßöffnungen, die die Strömung des Abfallwassers durch die Säule regulieren. Selbstverständlich kann eine große Auswahl von üblichen Verteilungskopfsystemen ebenfalls verwendet werden.

Der Druck des Abfallwasserzustroms an der Stelle der Wirbelschichtbildung variiert abhängig von vielen Faktoren, wie der Menge der Schichtteilchen, deren spezifischem Gewicht und dem Grad der Druckerzeugung in der Säule. Für die vertikalen Wirbelschichtsäulensysteme wird das oxygenierte Beschikkungsmaterial in die Säule in einer Geschwindigkeit eingepumpt, die ausreicht, um die angeimpften Teilchen in Wirbelschichtzustand, wie zuvor angegeben, zu halten.

Wenn das Abfallwasser hochkonzentrierte Abfälle, Mikroorganismen oder okkludierte Feststoffe enthält, kann es wünschenswert sein, den Sauerstoff mit einem Druck, der über atmosphärischem Druck liegt, einzuspritzen. Bei erhöhtem Druck werden größere Mengen an Sauerstoff in dem Abfallwasser gelöst, um die erhöhten stöchiometrischen Erfordernisse zu erfüllen. Beispielsweise können Mengen, die so hoch sind, wie ungefähr 150 mg Sauerstoff pro Liter Abfallwasser und mehr, dem Beschickungsmaterial bei überatmosphärischen Drukken zugeführt werden.

Im allgemeinen reicht die Strömungsgeschwindigkeit in der Säule aus, um erfindungsgemäß eine Wirbelschicht zu bilden. Abhängig unter anderen Faktoren von der Größe und dem spezifischen Gewicht der Schichtteilchen beträgt die Strömungsgeschwindigkeit im allgemeinen mindestens ungefähr 22,7 l/min

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pro 0,09 m Schicht (6 gallons per minute per square foot). Durch Einstellung des spezifischen Gewichts der Schichtteilchen und durch Verwendung von dichteren Schichtteilchen und ähnlichem kann das Verfahren mit sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt werden, möglicherweise sogar in der

ρ Größenordnung von Tausenden von Litern pro Minute pro m Schicht. Technisch ist es wünschenswert, Strömungsgeschwin-

2 digkeiten zu verwenden, die sich ca. 380 1 pro min pro 0,1 m (100 gallons per minute per square foot) Schicht nähern. Wirbelschichten, die nach den erfindungsgemäßen Grundprinzipien arbeiten, wurden mit Erfolg bei Strömungsgeschwindigkeiten

von ungefähr 95 1 pro min pro 0,1 m (25 gallons per minute per square foot) Schicht betrieben und Verfahresdurchführungen mit höheren Geschwindigkeiten sind ebenfalls auf diesem technischen Gebiet möglich.

Es wurde gefunden, daß verbesserte Ergebnisse erhalten werden und dementsprechend ist dies bevorzugt, wenn die Strömungsgeschwindigkeiten in der Säule von ungefähr 23 bis ungefähr

151 1 pro min pro 0,1 m (6 to about 40 gallons per minute per square foot) an natürlicher oder künstlicher Schicht betragen.

Noch verbesserte Ergebnisse werden erhalten, wenn die Strömungsgeschwindigkeit ungefähr 30 1 bis ungefähr 95 1 pro min pro 0,1 m (8 to about 25 gallons per minute per square foot) Schicht beträgt. Abhängig von den spezifischen ausgewählten Strömungsgeschwindigkeiten können die tatsächlichen Einbehaltezeiten in der Säule für ein Abfallwasservolumen so gering wie ungefähr 2 bis ungefähr 5 Minuten sein. Im allgemeinen beträgt die Einbehaltezeit innerhalb der Säule unter ungefähr 30 Minuten und häufiger unter 15 Minuten bis zu einer Schichthöhe von ungefähr 3f6 m (12 feet), aber die

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tatsächliche Einbehaltezeit ist eine Funktion der Größe des Reaktors. Die Strömungsgeschwindigkeit wird bevorzugt so eingestellt, daß sie die Größe und das spezifische Gewicht der Impfteilchen kompensiert.

Für eine gegebene Schicht kann die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden, um das Volumen des Abfallwassers, das behandelt werden soll, zu erhöhen und dabei die spezifische Schicht an Mikroorganismen, die an den Teilchen befestigt sind, in ihrer Höhe zu nehmen. Um die Neigung der Schicht, bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten eine größere Höhe anzunehmen, auszugleichen, ist es wünschenswert, zusätzliche Schichtteilchen zu verwenden oder Schichtteilchen mit einem größeren spezifischen Gewicht zu verwenden.

Wenn das Abfallwasser in die Säule eingepumpt wird, kann eine Stelle unmittelbar über dem Verteilungskopf frei von angeimpften Teilchen sein, obgleich Schichtteilchen mit ausreichendem Wachstum verbleiben können. Diese Erscheinung wird ebenfalls während der Anfangsimpfzeiten der Schicht beobachtet, verschwindet aber, wenn das Animpfen der Trägerteilchen fortschreitet. Die Grenzflächenhöhe (die Höhe von dem Verteilungskopf zu dem Boden der angeimpften Wirbelschicht in einer vertikalen Säule) ist eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit der Säule, der Temperatur, des spezifischen Gewichts der Schichtteilchen und der Zeitlänge der Animpfzeit wie auch der Art des Verteilungskopfes. In der Praxis besitzt diese Erscheinung eine minimale Wirkung sofern überhaupt eine Wirkung auf die Leistungsfähigkeit der Säule. Im allgemeinen nehmen die Grenzflächenhöhen zu, wenn die Strömungsgeschwindigkeiten erhöht werden und umgekehrt nehmen die Strömungsgeschwindigkeiten ab, wenn die Grenzflächenhöhe vermindert wird.

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Im allgemeinen ist es nicht erforderlich, den pH-Wert des Wirbelschichtsystems von außen her einzustellen. Sofern dies erforderlich 1st, kam er so eingestellt werden, daß er in den Bereich von ungefähr 5,5 bis 9,5 fällt. Die besten Ergebnisse werden bei einem pH-Wert von ungefähr 6,0 bis 9,0 erhalten. Die Innentemperatur der Wirbelschicht sollte ausreichen, so daß eine Bakterienaktivität ermöglicht wird. Zu diesem Zweck beträgt die Schichttemperatur von ungefähr 5 bis ungefähr 45°C. Die Temperatur wird in Abhängigkeit von dem einströmenden Abfallwasser variieren und dementsprechend sind Umgebungsbetriebstemperaturen in der Größenordnung von ungefähr 8 bis ungefähr 30°C die nominellen Schichttemperaturen und diese Temperaturen sind vollständig zufriedenstellend.

Wenn die Ammoniakoxidationsreaktion in der Wirbelschicht fortschreitet, wachsen die Bakterien auf der Oberfläche der Trägerteilchen. Sofern keine Kontrolle stattfindet, bilden die SchichtteitLchen nach einiger Zeit eine dicke Schicht und expandieren sich in solchem Ausmaß in Agglomerate und/oder gelartige Massen. Sollte dies auftreten, dann ist der Oberflächenbereich pro Binheitsreaktorvolumen, der für die biologische Reaktion zur Verfügung steht, stark vermindert; die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird dementsprechend vermindert. Außerdem können die Teilchen aus der Wirbelschicht weggetragen werden, wenn sich ihr spezifisches Gewicht vermindert. Außerdem können sie in Gasblasen eingeschlossen werden oder von Gasblasen angezogen werden von Sauerstoffblasen aus einer Infektionsquelle. Die Gasblasen vermindern das spezifische G@td.cht der Teilchen und tragen sie aus der Schicht in den oberen feil der SMüle, wo sie als unerwünschte Flocken gesammelt werden können und/oder das System verlassen können.

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Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wird ein überschüssiges Bakterienwachstum bevorzugt mechanisch aus den Teilchen entfernt, obgleich chemische und biologische Maßnahmen oder Kombinationen davon verwendet werden können, um die mechanische Entfernung zu ergänzen. Ein ausreichendes Wachstum in Form einer dünnen Schicht von Bakterien muß auf den Teilchen verbleiben, um die Leistungsfähigkeit des Verfahrens sicherzustellen. Die Entfernung des gesamten Wachstums, die in der Literatur vogeschlagen wurde für aufstromexpandierte Schichtverfahren, die zur Behandlung von Abfallwasser verwendet werden, um Kohle durch Adsorption zu entfernen, zerstört die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei einer Ausführungsform wird das Wachstum reguliert, indem man vorbestimmte Mengen an Schichtteilchen aus der Säule durch eine Auslaßöffnung, die mit einem Ventil reguliert wird, entfernt und die Teilchen mechanisch bewegt und abreibt. Diese Verfahrensstufe kann in einem getrennten Abreibekessel durchgeführt werden, wobei man eine Mischvorrichtung verwendet, die ähnlich gebaut ist, wie eine Warin-Mischvorrichtung mit einem rotierenden Rakelmesser. Die abgeriebenen Teilchen werden dann in den unteren Teil der Wirbelschicht zurückgeführt. Alternativ können die Teilchen in dem Abreibekessel der Einwirkung komprimierten Luft oder Wasserrieselungen unterworfen werden, um überschüssige Mikroorganismen zu entfernen. Andere geeignete Rührmechanismen und Vorrichtungen sind dem Fachmann geläufig. Nach der Behandlung werden die abgeriebenen Teilchen gemessen und in eine Wirbelschicht am unteren Teil durch eine geeignete Einlaßöffnung gegeben. Die Entnahme der abgemessenen Menge an Schichtteilchen, ihre Säuberung und ihre Rezyklisierung in das Verfahren kann durchgeführt werden, ohne daß die Kontinuität des Verfahrens irgendwie gestört wird.

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Als Beispiel wird eine zweite Ausführungsform näher erläutert. Bei dieser zweiten Ausführungsform werden die Schichtteilchen mit dem Abstrom aus der Säule in einen Absetztank geleitet, von wo sie in den Boden der Säule zurückgepumpt werden. Die Trennung von überschüssigem zellularem Materialwachstum von dem teilchenförmigen Trägermaterial erfolgt mit einer Pumpe. In Fig. 1 ist dieses Verfahren näher erläutert. Abfallwasser und Luft oder Sauerstoff werden in die Wirbelschichtsäule 10 durch eine Einlaßöffnung 11 eingepumpt, um darin behandelt zu werden. Das behandelte Abfallwasser, das Schichtteilchen enthält, wird bei 12 aus der Wirbelschichtsäule 10 in einem Absetztank 14 entnommen. Die Trennung des behandelten Abfallwassers oder des Abströme 16 und der Schichtteilchen 18 findet in dem Absetztank statt. Die abgetrennten Schichtteilchen werden dann zurück in die Wirbelschichtsäule, wie bei 20 angegeben, zurückgepumpt. Die Trennung des Wachstums von den Trägermaterialteilchen erfolgt durch Abreiben in einer Pumpe 22. Wenn die Mischung aus abgeriebenem Trägermaterial und dem Wachstum oder dem überschüssigen zellularen Material zurück in die Säule 10 gepumpt wird, verbleiben die Trägerteilchen in der Säule, wohingegen überschüssiges zellulares Material durch das System zu dem Abstrom 16 getragen wird.

Bei einer dritten und mehr bevorzugten Ausführungsform werden die Teilchen in situ behandelt, um überschüssiges Bakterienwachstum von ihren Außenoberflächen zu entfernen. Es wurde gefunden, daß überschüssiges Bakterienwachstum leicht aus Flocken, Agglomeraten und/oder Schichtteilchen am oberen Teil (oder der Abstromseite) der Schicht entfernt werden kann, indem man eine scharfe rotierende Klinge oder eine flexible Rühreinrichtung verwendet. Diese Mechanismen scheren die Bakterien von den Trägerteilchen ab und dadurch wird überschüssiges Wachstum entfernt. Der Rührer ermöglicht

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eine kontinuierliche Kontrolle der Höhe der Wirbelschicht. Ander mechanische Mischvorrichtungen, Ultraschallvorrichtungen, Ablenkplatten und andere Oberflächen des Abriebtyps oder selbst Wasser oder komprimierte Luftströme, die aufwärts und seitwärts gegen die Säulenwände gerichtet sind und Wirbelströme erzeugen und ähnlichen, wie auch andere geeignete bekannte Rühreinrichtungen können innerhalb der Säule verwendet werden.

Wenn die Bakterien ansatzweise abgerieben werden, um das Wachstum zu regulieren, wurde gefunden, daß ein ausreichendes Wachstum entfernt wird, wenn die Höhe der Wirbelschicht nach der Behandlung in der Größenordnung von ungefähr 10 bis 25 %$ bezogen auf die ursprüngliche expandierte Länge bei der gleichen Strömungsgeschwindigkeit, vermindert wird. Bei wesentlich höheren oder stark verminderten Strömungsgeschwindigkeiten kann die Höhe etwas über oder unter dem zuvor angegebenen Bereich liegen. Zur Entfernung von überschüssigem Wachstum in situ unter Verwendung von beispielsweise einem Luftreinigungsverfahren kann die Strömungsgeschwindigkeit der Säule auf ungefähr 1/3 der üblichen Strömung vermindert werden. (Die Verminderung hängt von den Strömungsgeschwindigkeiten bei dem Verfahren ab.) Die Schicht wird sich in einer neuen niedrigeren Höhe absetzen. Luft wird in die Schicht injiziert, um einen Abrieb zu verursachen. Während und unmittelbar nach diesem Abrieb wird das entfernte Wachstum aus dem Reaktor entnommen und aus dem System entfernt. Anschließend kann die Strömungsgeschwindigkeit auf ihren normalen Geschwindigkeitswert erhöht werden.

Abhängig von der Art des Abfallwassers und der Konzentration der Verunreinigungen kann es nützlich sein, mehr als eine Säule in Reihen verbunden zu verwenden. Es wurde gefunden, daß es in vielen Fällen praktisch ist, den Abstrom von der ersten Säule als Zustrombeschickungsmaterial für eine zweite

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Säule zu verwenden. Dementsprechend ergibt eine Vielzahl von Säulensystemen verbesserte Ergebnisse bei Behandlung von industriellem, städtischem und anderem Abfallwasser. Bei einem Zweisäulensystem wird der Ammoniakstickstoff weiter oxidiert, indem man den Abstrom von der ersten Säule in eine zweite Säule als einzigen Zustrom leitet oder zusammen mit frischem Abfall. Während des Ingangsetzens der Säule wurde gefunden, daß es in vielen Fällen sinnvoll ist, mindestens einen Teil des behandelten Abstroms in die Säule zu rezyklisieren, um ein Anfangswachstum von Bakterien auf den Schichtträgerteilchen in situ zu aktivieren.

In Fig. 2 ist eine etwas bevorzugtere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Abfallwasser wird durch eine Einlaßröhre 23, ein Ventil 24 und eine Einlaßöffnung 25 in den unteren Teil einer zylindrischen Säule durch einen Verteilungskopf 28 im unteren Teil der Säule eingeleitet. Mikroorganismen oder mit Fauna und Flora beimpfte Schichtteilchen werden durch den Durchgang des Abfallwassers durch die Säule aufgewirbelt und bilden eine Wirbelschicht 30. Die Grenzflächenhöhe der Wirbelschicht wird bei 32 angezeigt, wodurch eine Kammer 33 darüber in der Säule gebildet wird. Behandeltes Abfallwasser oder der Abstrom werden aus der Säule nach dem Durchgang durch die Wirbelschicht und der Kammer 33 bei 34 entnommen. Der Abstrom kann dann durch eine Äbstromreinigungsvorrichtung 35, wie einen Absetztank, geleitet werden oder mit Ausflockungsmitteln und ähnlichem, sofern erforderlich, behandelt werden. Ausgewählte Teile des Abstroms werden Je nach Bedarf über das Leitungsrohr 36, das eine Pumpe 37 enthält, zu der Zuflußabfallwasser-EinlaßSffnung 25 rezyklisiert. Dies dient den folgenden Zwecken: 1) um das Wachstum der Fauna und Flora oder der Mikroorganismen auf den Trägerteilchen während des Animpfens

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zu aktivieren, 2) um eine einheitliche Strömung aufrecht zu erhalten, wenn die Einlaßströmung abnimmt, und 3) um die Konzentration an Ammoniak in der Schicht zu verdünnen, um gegebenenfalls eine einheitliche Konzentration des Abfallwassers sicherzustellen, 4) um dem Abfallwasser mehr Sauerstoff zuzuführen, 5) um eine zusätzliche Entfernung von Ammoniak, das in dem Abstrom verbleibt, zu gewährleisten. Sauerstoff wird durch eine Einlaßleitung 38 in das Ventil in eine Mischkammer 41 und dann in die Abfallwasser-Einlaßöffnung 25 abgemessen in ausreichender Menge, so daß für die biologische Reaktion, d. h. die Oxidation von Ammoniak, genügend zur Verfügung steht. Das Abmessen von ausreichenden Sauerstoffmengen kann automatisch erfolgen, indem man ein bekanntes Oxygenierungssystem wie das UNOX-Verfahren der Union Carbide, Inc. verwendet. In einigen Anlagen wird zusätzlich zu dem Sauerstoff, der durch die Einlaßöffnung 38 eingeleitet wird oder als Alternative dazu Sauerstoff durch die Einlaßleitung 42, das Ventil 44 und die Einlaßöffnung 46, direkt in die Wirbelschicht abgemessen. Um die Auflösung von relativ großen Sauerstoffmengen in dem Abfallwasser zu erleichtern, kann das System mit mehreren Atmosphären Druck unter Druck gesetzt werden. Zusätzlich kann Abstromgas, sofern vorhanden, rezyklisiert werden. Man kann Vorkehrungen treffen, um Sauerstoff entsprechend dem Output des Sauerstoffanalysengerätes (das nicht gezeigt wird), das sich innerhalb der Schicht befindet, in die AbStromleitung abzumessen oder benachbart zu dem Beschickungsmaterial, sofern dies gewünscht wird.

Während der Behandlung wird das Bakterienwachstum auf den Teilchen als Funktion der Schichtexpansion mit einer üblichen optischen Vorrichtung oder einer anderen Art von Sensoren zu Feststoffen 48 verfolgt. Wenn die Schichtexpansion eine vorbestimmte Höhe erreicht, wodurch die Sensorvorrichtung aktiviert wird, werden die Schichtteilchen durch Abrieb

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oder ähnliche Maßnahmen regeneriert, um überschüssiges Wachstum zu entfernen. Eine mechanische Rührvorrichtung 50 ist bevorzugt am oberen Teil der Säule angebracht, um überschüssiges Wachstum an zellularem Material zu entfernen. Der Rührer liegt in Form einer rotierenden scharfen Klinge vor oder besteht aus einem flexiblen synthetischen Polymerenmaterial bestimmter Länge aus Polyäthylenschlauch, je wie es gewünscht wird.

In einigen Anlagen ist es wünschenswert, am oberen Ende der Wirbelschichtsäule"einen aufwärts-auswärts gerichteten konischen Teil zu verwenden, um die Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit zu vermindern und um zusätzlich zu anderen wünschenswerten Merkmalen zu verhindern, daß Schichtteilchen in dem Abstrom weggetragen werden. Diese Maßnahme dient auch teilweise dazu, um das Wachstum auf den Schichtteilchen zu regulieren.

In einigen Anlagen kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, um nitrifiziertes Beschickungsmaterial zu schaffen oder es kann zusammen mit dem Kohlenstoff-Denitrifikationsverfahren verwendet werden, wie es in der schwebenden Patentanmeldung "Abfallbehandlungsvorrichtung und Verfahren" beschrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls verwendet werden, um Beschickungsmaterial für das Denitrifikationsverfahren zu schaffen, das in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 264 346, eingereicht am 19. Juni 1972, beschrieben wird.

Bei einigen Anlagen ist es ebenfalls möglich, eine Vielzahl von Stufen in einer einzigen Wirbelschichtsäule zu verwenden. Die erste oder unterste Stufe der Säule wird in solchem Zustand gehalten, daß BOD aerob entfernt wird. Die zweite Stufe

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der Säule wird in solchem Zustand gehalten, daß BOD aerob
entfernt wird. Die dritte Stufe wird in solchem Zustand gehalten, daß eine Nitrifikation der Abfallprodukte stattfindet und die vierte Stufe wird in solchem Zustand gehalten, daß eine Denitrifikation der Abfallprodukte stattfindet. Es können weiter verschiedene Rezyklisierungsvorrichtungen verwendet werden, um mindestens einen Teil der Produkte durch eine oder mehrere Stufen zu rezyklisieren. Alle oder einige der zuvor beschriebenen Stufen können in einer einzigen Wirbelschichtsäule verwendet werden. Es ist möglich, mehr als eines der oben beschriebenen Verfahren gleichzeitig in einer einzigen Stufe eines mehrfachen Systems durchzuführen. Gewünschtenfalls können die zuvor angegebenen Reihenfolgen der Stufen ebenfalls variiert werden.

Das folgende Beispiel erläutert das erfindungsgemäße Verfahren.

Erfindungsgemäßes Beispiel

Um das Verfahren zu erläutern, wird eine Reihe von Versuchen, die im folgenden angegeben werden, durchgeführt, wobei man eine 3,6 m hohe Plexiglassäule mit einem Durchmesser von
7,6 cm (12 foot bzw. 3 inch) verwendet. Sand aus Siliciumdioxid mit einer Größe von ungefähr 0,4 bis 0,8 mm wurde
verwendet, um die nitrifizierenden Organismen darauf zu züchten. Synthetisches Abfallwasser wurde in den Boden der Säule geleitet und am Kopf entnommen. Der synthetische Abfall enthielt Leitungswasser, zu dem man Ammoniak und Bicarbonat
als Hauptbestandteile und Phosphor in geringerer Menge zugegeben hatte. Während der Versuchszeit beträgt die Höhe
der Wirbelschicht ungefähr 1,65 m (5,5 feet), die Einflußströmung beträgt 1800 ml/min und die Temperatur beträgt im Durchschnitt 21⁰C.

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	2 S3	Nitrifizierungs-Versuchsergebnisse	A⁺	pH	A	6	Nitrat-N	A	1110	A
	Gelöstes O₀	0,3	Z	6,	3	Z	4,2		4,4
	Z⁺	0,4	7,1	6,	0	1,6	4,1	Nitrit-N	4,3
Versuch	8,4	0,6	7,6	7,	0	1,6	3,3	Z	3,9
1	8,1	0,7	8,0	7,	6	0,7	2,6	1,7	3,2
2	8,2	0,5	7,6	6,	1	0,7	3,6	0,2	4,3
3	8,6	0,8	7,4	7,	1	1,8	5,8	0,8	6,4
4	8,6	0^5	8,1	£*	8	1,8	1x1	0,8	0,1
5	9,8	0,5	1Λ	6,		0,6	4,2	0,7	3,8
6	8.5	Abstrom	7,6		1,3		0,6'
7	8,7				0,1
Durch schnitt	Z = Zustrom: A =			0,7

Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 36,8 1 pro min pro 0,09 m (9,7 gallons per minute per square foot) beträgt die Einbehaltezeit bzw. Verweilzeit in einer 1,65 m Wirbelschicht (5,5 foot) weniger als 5 Minuten. Es ist leicht erkennbar, daß der Sauerstoff das Verfahren begrenzt, da nur 0,5 mg/1 in dem Abstrom zurückbleiben, und wenn reiner Op verwendet worden wäre, hätte mehr Ammoniak nitrifiziert werden können. Während der Versuchszeit wurde nur die Hälfte oder weniger der Säule angeimpft und bei einer vollständig angeimpften Säule hätte eine größere Nitrifikation erwartet werden können. In der Tat wurden 6 mg/1 NO₂-N + NO^-N in dieser kurzen Zeitperiode gebildet, welches wirklich beachtlich ist im Hinblick auf die langen Verweilzeiten, die üblicherweise bei den bekannten Verfahren erforderlich sind.

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Claims

2b31 1

Patentansprüche

j 1 .j Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser, dadurch gekennzeichnet, daß man

eine Wirbelschicht aus Mikroorganismen, die an einem festen teilchenförmigen Trägermaterial befestigt sind, schafft,

kontinuierlich Abfallwasser, das behandelt werden soll, durch die Wirbelschicht leitet,

Sauerstoff zu der Wirbelschicht zufügt,

das Abfallwasser in der Wirbelschicht während einer ausreichenden Zeit hält, während man die Wirbelschicht bei einer ausreichenden Temperatur hält und während man die Wirbelschicht unter aeroben Bedingungen hält, um im wesentlichen den gesamten Ammoniakstickstoff, der aus dem Abfallwasser entfernt werden soll, biologisch in oxidierte Formen des Stickstoffs, Wasser und zellulares Material überführt, und

die oxidierten Formen des Stickstoffs und das Wasser aus der Wirbelschicht kontinuierlich entfernt,

und überschüssiges zellulares Material von dem teilchenförmigen Träger entfernt.
2. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß überschüssiges zellulares Material von dem teilchenförmigen Träger in dem Abstromteil der Wirbelschicht durch Rotation einer scharfen Klinge oder eines flexiblen Rührers entfernt wird.

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2b31110
3. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der teilchenförmige Träger zuerst mit Impfbakterien extern von der Wirbelschicht kultiviert wird, um die Mikroorganismen zu bilden.
4. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der teilchenförmige Träger zuerst mit Impfbakterien innerhalb der Wirbelschicht kultiviert wird, um die Mikroorganismen zu bilden.
5. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein Teil des Abfallwassers durch die Wirbelschicht rezyklisiert wird.
6. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß Sauerstoff zu dem Teil, der rezyklisiert wird, zugegeben wird.
7. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abfallwasser, das behandelt werden soll, nacheinander durch eine Reihe von Wirbelschichten geleitet wird und daß das Abfallwasser in jeder der Schichten entsprechend den Stufen von Anspruch 1 biologisch behandelt wird.
8. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Abfallwasser, das behandelt wird, mindestens ungefähr 10 mg Ammoniakstickstoff pro Liter ent-

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2 S 3 1 1 1 O

hält und daß die Strömungsgeschwindigkeit des Abfallwassers durch die Wirbelschicht aufwärts mindestens ungefähr 22,7 1 pro min pro 0,09 m (6 gallons per minute per square foot) Wirbelschicht beträgt und daß die Einbehaltezeit des Abfallwassers in der Wirbelschicht unter 15 min bis zu einer Betthöhe von 3,6 m (12 feet) liegt und daß der Träger einen Teilchendurchmesser von ungefähr 0,2 bis ungefähr 3 mm und ein spezifisches Gewicht von mindestens ungefähr 1,1 besitzt.
9. Biologisches Verfahren für die Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abfallwasser mindestens bis zu ungefähr 10 mg Ammoniakstickstoff pro Liter enthält und daß die Strömungsgeschwindigkeit des Abfallwassers durch die Wirbelschicht aufwärts zwischen ungefähr 22,7 1 und ungefähr 151 1 pro min pro 0,09 m (6 and 40 gallons per minute per square foot) Wirbelschicht liegt und daß die Einbehaltezeit des Abfallwassers in der Wirbelschicht unter ungefähr 15 min bis zu einer Schichthöhe von ungefähr 3,6 m (12 feet) liegt, und daß der Träger einen Teilchendurchmesser von ungefähr 0,4 bis ungefähr 1,5 mm und ein spezifisches Gewicht von mindestens ungefähr 1,4 besitzt, und daß der pH-Wert der Wirbelschicht zwischen ungefähr 5,5 und ungefähr 9,5 liegt und daß die Temperatur der Wirbelschicht zwischen ungefähr 5 und ungefähr 45⁰C liegt.
10. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als teilchenförmiger Träger Kohle, vulkanische Schlacke, Glas, Kunststoffperlen, Sand, Granat, Aktivkohle und/oder Aluminiumoxid verwendet wird.
11. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff

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aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff zu dem Zustromabfallwasser zugefügt wird, bevor es in die Wirbelschicht eintritt.
12. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff direkt zu der Wirbelschicht zugegeben wird.
13. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff gleichzeitig zu dem Zustromabfallwasser, bevor es in die Wirbelschicht eintritt, und direkt in die Wirbelschicht gegeben wird.
14. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ungefähr 3,0 bis ungefähr 5,0 mg gelöster Sauerstoff für jedes mg Ammoniak, das aus dem Abfallwasser entfernt wird, zugegeben werden.
15. Biologisches Verfahren zur Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser, dadurch gekennzeichnet , daß man

eine Wirbelschicht aus Mikroorganismen, die an einem teilchenförmigen Trägermaterial befestigt sind, bildet,

kontinuierlich Abfallwasser, das behandelt werden soll, durch die Wirbelschicht leitet,

Sauerstoff zu der Wirbelschicht zugibt,

das Abfallwasser in der Wirbelschicht während einer ausrei-

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chenden Zeit hält, während die Wirbelschicht bei einer geeigneten Temperatur gehalten wird und während die Wirbelschicht unter aeroben Bedingungen gehalten wird, um im wesentlichen den gesamten Ammoniakstickstoff, der aus dem Abfallwasser entfernt werden soll, biologisch in oxidierte Formen des Stickstoffs, Wasser und zellulares Material zu überführen,

kontinuierlich die oxidierten Formen des Stickstoffs und Wasser aus der Wirbelschicht entfernt, und

aus der Wirbelschicht das behandelte Abfallwasser zusammen mit mindestens etwas teilchenförmigen Träger, der überschüssiges zellulares Material daran enthält, entfernt und in einen Absetztank leitet,

das behandelte Abfallwasser zusammen mit dem teilchenförmigen Träger, der überschüssiges zellulares Material daran enthält, in dem Absetztank während einer Zeit hält, die ausreicht, daß sich der teilchenförmige Träger mit überschüssigem zellularem Material daran an dem Boden des Tanks absetzt,

das so behandelte Abfallwasser aus dem oberen Teil des Absetztanke s entfernt,

den teilchenförmigen Träger mit überschüssigem zellularem Material daran von dem Boden des Absetztanks entfernt und ihn durch Pumpeinrichtungen leitet, um eine Trennung von überschüssigem zellularem Material von dem teilchenförmigen Träger zu bewirken, und

die Mischung aus teilchenförmigem Träger und überschüssigem zellularem Material zurück in die Wirbelschicht leitet, um das so abgetrennte überschüssige zellulare Material mit dem Abfallwasser, das behandelt werden soll, zu vermischen.

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16. Vorrichtung für die biologische Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser, gekennzeichnet durch einen verlängerten, im wesentlichen vertikal angeordneten Behälter (26), einen Verteilerkopf (28), der in Richtung auf den Boden des Behälters angebracht ist, Einlaßeinrichtungen (23, 24, 25) für den Verteilerkopf (28), um Abfallwasser, das behandelt werden soll, aufzunehmen, eine Wirbelschicht (30) aus Mikroorganismen, die an einem festen teilchenförmigen Träger befestigt sind, der in dem Behälter (26) über dem Verteilerkopf (28) angebracht ist, Einrichtungen (38, 40, 41, 42, 44, 46), um Sauerstoff in die Wirbelschicht (30) einzuleiten, wobei die Wirbelschicht (30) so angeordnet ist, daß sie Abfallwasser von dem Verteilerkopf (28) aufnehmen kann und biologisch im wesentlichen den gesamten Ammoniakstickstoff, der aus dem Abfallwasser entfernt werden soll, in oxidierte Formen des Stickstoffs, Wasser und zellulares Material überführen kann, AusJ.aßeinrichtungen (34) für den Behälter (26), so daß kontinuierlich das behandelte Abfallwasser, die oxidierten Formen des Stickstoffs entnommen werden kann, und Einrichtungen (14; 50), um überschüssiges zellulares Material von dem teilchenförmigen Träger zu entfernen.
17. Vorrichtung für die biologische Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung für die Entfernung von überschüssigem zellularem Material aus dem teilchenförmigen Träger ein mechanischer Rührer (50) 1st, der auf dem Behälter (26) angebracht ist und sich in den oberen Teil der Wirbelschicht erstreckt.
18. Verfahren für die biologische Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß sie zusätzlich Fest-

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stoffsensorvorrichtungen (48) enthält, um die Vorrichtungen für die Entfernung des überschüssigen zellularen Materials aus dem teilchenförmigen Träger zu betätigen, wenn die Wirbelschicht (30) eine vorbestimmte Höhe übersteigt.
19. Vorrichtung für die biologische Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß sie zusätzlich Vorrichtungen (36, 37) enthält, um die Einlaßvorrichtungen (23, 24, 25) für den Verteilerkopf (28) mit den Auslaßvorrichtungen für'den Behälter (26) in fluider Strömungskommunikation zu verbinden und daß sie Ventilvorrichtungen enthält, um die Strömung in diesen Verbindungsvorrichtungen zu regulieren, und Pumpeneinrichtungen (37) enthält, um das behandelte Abfallwasser durch die Verbindungseinrichtungen zu rezyklisieren.
20. Vorrichtung für die biologische Entfernung von Ammoniakstickstoff nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß der teilchenförmige Träger Kohle, vulkanische Schlacke, Glas, Plastikperlen, Granat, Aktivkohle und/oder Aluminiumoxid ist.
21. Vorrichtung für die biologische Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen (38, 40, 41; 42, 44 46), um Sauerstoff in die Wirbelschicht (30) einzuführen, Rohreinrichtungen (46, 44,42) umfassen, um direkt Sauerstoff in die Wirbelschicht (30) einzuleiten.
22. Vorrichtung für die biologische Entfernung von Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser, gekennzeichnet durch einen verlängerten, im wesentlichen vertikal ange-

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Behälter (26) mit einem unteren Einlaß (25; 11) für die Aufnahme des Abfallwassers, das behandelt werden soll, eine Wirbelschicht (10; 30) aus Mikroorganismen, die an einem festen teilchenförmigen Träger, der sich in dem Behälter (26) befindet, befestigt sind, Einrichtungen (11, 38, 40, 41, 42, 44, 46), um Sauerstoff zu der Wirbelschicht (10; 30) zuzugeben, wobei die Schicht so angeordnet ist, daß sie Abfallwasser von dem Einlaß aufnimmt und biologisch im wesentlichen den gesamten Ammoniakstickstoff, der aus dem Abfallwasser entfernt werden soll, in oxidierte Formen des Stickstoffs, Wasser und zellulares Material überführt, Auslaßeinrichtungen (12) für die Wirbelschicht (10; 30), um das so behandelte Abfallwasser, oxidierte Formen des Stickstoffs und mindestens einen Teil des teilchenförmigen Trägers mit überschüssigem zellularem Material daran zu entnehmen, einen Absetztank (19), der in fluider Strömungsbeziehung mit den Auslaßeinrichtungen (12) angebracht ist und der das behandelte Abfallwasser und den teilchenförmigen Träger mit überschüssigem zellularem Material daran aufnehmen kann, Auslaßeinrxchtungen (16) im oberen Teil des Absetztanks, um das behandelte Abfallwasser zu entnehmen, Auslaßeinrichtungen (18) am Boden des Absetztanks, um den teilchenförmigen Träger mit überschüssigem zellularem Material daran zu entnehmen, Pumpeinrichtungen (22), die in fluider Strömungskommunikation mit den Auslaßeinrichtungen (16) in der Nähe des Bodens des Absetztanks angebracht sind, um eine Trennung von überschüssigem zellularem Material von dem teilchenförmigen Träger zu bewirken, und Einrichtungen für eine fluide Strömungskommunikation, die zwischen den Pumpeinrichtungen (22) und dem unteren Teil des Behälters angebracht sind, um die Mischung aus teilchenförmigen! Träger und überschüssigem zellularem Material zurück in die Wirbelschicht (10) zu leiten und das abgetrennte überschüssige zellulare Material mit dem Abfallwasser, das behandelt werden soll, zu vermischen.

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2b 311 ΊΟ
23. Vorrichtung, um biologisch Ammoniakstickstoff aus Abfallwasser zu entfernen, gekennzeichnet durch einen verlängerten, im wesentlichen vertikal angebrachten Behälter (26), einen Verteilerkopf (28), der in der Nähe des Bodens des Behälters angebracht ist, Einlaßeinrichtungen (23, 24, 25, 38, 41) für den Verteilerkopf (28), eine erste Einlaßleitung (23), die die Quelle für das Abfallwasser mit den Einlaßeinrichtungen verbindet, Ventileinrichtungen in der ersten Einlaßleitung (23), um die Strömung darin zu regulieren, eine zweite Einlaßleitung (38), die eine Quelle für Sauerstoff mit den Einlaßeinrichtungen (41) verbindet, wobei die Einlaßeinrichtungen eine Mischkammer, Ventileinrichtungen (40) in der zweiten Einlaßleitung, um die Strömung darin zu regulieren, umfassen, eine Wirbelschicht (30) aus Mikroorganismen, die an einem festen teilchenförmigen Träger, der sich in dem Behälter (26) über dem Verteilerkopf (28) befindet, befestigt sind, um eine Mischung aus Abfallwasser und Sauerstoff aus dem Verteilerkopf (28) aufzunehmen und biologisch im wesentlichen den gesamten Ammoniakstickstoff, der aus der Mischung entfernt werden soll, in oxidierte Formen von Stickstoff, Wasser und zellularem Material zu überführen, und Auslaßeinrichtungen (36) für den Behälter (26) in der Nähe des oberen Endes davon, um kontinuierlich das so behandelte Abfallwasser, oxidierte Formen des Stickstoffs zu entfernen, und Einrichtungen, um überschüssiges zellulares Material aus dem teilchenförmigen Träger zu entfernen.

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