DE2822003A1

DE2822003A1 - Verfahren zum loesen von gasen in waessrigen fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2822003A1
Application number: DE19782822003
Authority: DE
Inventors: Arthur Godfrey Boon; Paul Frederick Cooper; Harold Rodney Sven Page; Martin John Deverell White
Original assignee: Water Research Centre
Current assignee: Water Research Centre
Priority date: 1977-05-19
Filing date: 1978-05-19
Publication date: 1978-12-07
Also published as: CA1098224A; FR2390988A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lösen von Gasen in xiässrigen Flüssigkeiten, das sich insbesondere zur Behandlung von Abwässern, wie Kloakenwasser, eignet.

Auf vielen Gebieten der Technik ist es erforderlich, Gase in Flüssigkeiten zu lösen. Im allgemeinen wird dies durchgeführt, indem man einfach das Gas in die Flüssigkeit leitet. Sofern relativ hohe Konzentrationen an gelöstem Gas erforderlich sind (d. h. bei Konzentrationen nahe der Sättigungskonzentration) ist es im allgemeinen erforderlich, oino wesentlich höhere Gasmenge einzuleiten, als theoretisch gebraucht wird, da ein Teil des Gases durchströmt und die Flüssigkeit verlässt, ohne gelöst zu werden. Gelegentlich ist es zwar möglich, einen Teil des überschüssigen Gases wieder zu verwenden, dies ist jedoch nicht immer durchführbar. Auf jeden Fall werden die Gesamtkosten des Verfahrens durch Einleiten des überschüssigen Gases erhöht.

Es gibt eine Reihe von Verfahren zur Behandlung von Abwässern (unter diesem Ausdruck sollen Oberflächenwasser und Abwasser allgemein, Kloakenwasser, Schlamm und Industrieabwässer, wie Fermentationsflüssigkeiten, verstanden werden), bei denen es erwünscht ist, eine relativ hohe Konzentration des gelösten Gases (im allgemeinen Sauerstoff) zu erzielen. Beispielsweise wird bei der Behandlung von Abwässern, wie

809849/0710

Kloakenwasser,zur Entfernung von Verunreinigungen eine Belüftung vorgenommen, um die Aktivität von darin enthaltenen Mikroorganismen, die Sauerstoff verbrauchen, zu erhöhen. Dabei ist es erwünscht, eine relativ hohe Konzentration an gelöstem Sauerstoff im Kloakenwasser aufrecht zu erhalten. Ein mit Sauerstoff angereichertes Gas (beispielsweise handelsüblicher Sauerstoff) wird in das Kloakenwasser eingeleitet bzw. eingeblasen. In der Praxis ist es zur Aufrechterhai tung einer hohen Konzentration an gelöstem Sauerstoff notwendig, beträchtlich mehr Sauerstoff zuzuführen, als tatsächlich durch die Mikroorganismen aufgenommen wird.

Ferner ist es bekannt, ein mit Sauerstoff angex-eichertes Gas zu verwenden, um die Bildung von Schwefelwasserstoff in Abxvasserrohren, insbesondere in aufsteigenden Hauptrohren, zu verhindern; vgl. Progress in Water Technology, Bd. 7 (1975), Hr. 2, Seiten 289 Ms 300. Auch in diesem Fall muss zur Erzielung der grösstmöglichen, gewünschten Konzentration an gelöstem Sauerstoff mehr Sauerstoff zugeführt werden, als tatsächlich durch die Mikroorganismen im Abwasser aufgenommen und verwartet werden kann.

Abgesehen von der vorerwähnten Gasverschwendung zeichnet sich das allgemeine Verfahren zum Lösen von Gasen in Flüssigkeiten durch Einblasen der Gase durch die einfache und wirtschaftliche Durchführung aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, dieses allgemeine Verfahren so durchzuführen, dass keine so hohe Gasverschwendung erforderlich ist, die beispielsweise im Fall von handelsüblichem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft sehr kostspielig ist.

808849/0710

Es wurde erfindungsgemäss festgestellt, dass diese Gasverschwendung verringert werden kann, wenn die wässrige Flüssigkeit vor dem Einblasen des gewünschten Gases zunächst einer Vorbehandlung unterzogen wird. Diese Vorbehandlung lässt sich relativ billig durchführen. Nach dieser Vorbehandlung lassen sich leicht relativ hohe Konzentrationen an gelöstem Gas in der Flüssigkeit erzielen.

Erfindungsgemäss wird ein Verfahren zum Lösen eines Gases in einer wässrigen Flüssigkeit zur Verfugung gestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man zunächst die Flüssigkeit einem vermindertem Druck aussetzt, um Gase, die vorher darin gelöst, mitgerissen oder erzeugt worden sind, freizusetzen, und anschliessend das Gas in der entgasten Flüssigkeit löst. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere zur Behandlung von Abwässern, in denen Sauerstoff gelöst werden soll. Somit ermöglicht im Fall der Oxygenierung von Kloakenabwasser (wofür das erfindungsgemässe Verfahren besonders geeignet ist) die Desorption von flüchtigen Bestandteilen, die vor der Oxygenierung durchgeführt wird, die Erzielung von hohen Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff im Kloakenabwasser, ohne dass grosse Überschüsse an mit Sauerstoff angereichertem Gas dazu erforderlich sind,

Abwässer, wie Kloakenabwässer, enthalten natürlicherweise flüchtige Bestandteile, insbesondere Gase, wie Stickstoff und Kohlendioxid, die in der Flüssigkeit gelöst sein können oder mit dieser mitgerissen bzw. mitgeschleppt werden. Einige dieser Gase können in situ erzeugt worden sein. Die Gegenwart dieser Gase erschwert nicht nur die Lösung von Sauerstoff im Kloakenabwasser, sondern vermindert auch die maximal erreichbare Konzentration an gelöstem Sa\ierstoff.

803849/0710

Hinzu kommt, dass die Anwesenheit von gelöstem Kohlendioxid im Kloakenabwasser dessen pH-Wert verringert und somit die Nitrifikationsgeschwindigkeit, die beim Aktivschlaminverfahren, insbesondere bei Verwendung von mit Sauerstoff angereichertem Gas anstelle von Luft, erreicht werden kann, verlangsamt. Somit ist die erfindungsgemäss erreichbare Entfernung dieser Gase (vorzugsweise in grösstmöglicheni Umfang) bei der Behandlung von Kloakenabwässern besonders vorteilhaft.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgenässen Verfahrens wird Abwasser, wie Kloakenabwasser, zur Entfernung von Verunreinigungen durch Oxidation behandelt, wobei in einer ein- oder mehrstufigen Behandlung das Abwasser einem vermindertem Druck ausgesetzt wird, um daraus Gase, die vorher darin gelöst, mitgerissen oder erzeugt worden sind, freizusetzen, und anschliessend Sauerstoff im Abwasser gelöst, beispielsweise durch Einleiten von mit Sauerstoff angereicherter Luft oder handelsüblichem Sauerstoff in das Abwasser. Es ist festzuhalten, dass bei der Gesamtbehandlung von Kloakenabwasser, das unschädlich gemacht und beseitigt werden soll, das rohe Kloakenabwasser in einen oder mehrere Schlämme und Flüssigkeiten verarbeitet werden kann. Die vorherige Desorptionsstufe des erfindungsgemässen Verfahrens lässt sich in einer oder mehreren beliebigen Stufen des Verfahrens vor der Oxygenierungsstufe anwenden.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Verbesserung des Verfahrens zur Behandlung von Abwässern, wie Kloakenabwässern, die sich in Abwasserrohren befinden oder diese durchströmen zur Verfügung gestellt. Bei diesem Verfahren wird Sauerstoff, worunter Luft und insbesondere ein mit Sauer-

809849/0710

stoff angereichertes Gas oder handelsüblicher Sauerstoff zu verstehen ist, in das Abwasser geleitet. Die Verbesserung besteht darin, dass das Abwasser vor dem Einblasen des Sauerstoffs zur Entfernung von flüchtigen Bastandteilen einem vermindertem Druck ausgesetzt wird. Dies stellt eine Verbesserung des Verfahrens der GB-PS 1 4-52 961 dar.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nach. Entfernung eines Grossteils von flüchtigen Bestandteilen sich der Sauerstoff praktisch vollständig im Abwasser löst, so dass im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, wenn überhaupt, nur geringe Mengen an im Abwasser nicht gelöstem Gas auftreten. Dadurch xirerden Druckanstiege, die sonst aufgrund der Anwesenheit von mitgeschleppten Gasen auftreten, auf einem Minimum gehalten, "ferner wird die ersielbare maximale Konzentration an gelöstem Sauerstoff erhöht.

Bei der Entfernung der flüchtigen Bestandteile aus deai Abwasser werden nicht nur "inerte" Gase wie Stickstoff, sondern auch schädliche und übelriechende Gase, wie Schwefelwasserstoff, entfernt. Die Entfernung derartiger Gase unter kontrollierten Bedingungen bedeutet an sich schon einen Vorteil, da dadurch Gefahren und Unannehmlichkeiten für das Personal und die Umgebung verringert v/erden.

Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren aus den Abwässern entfernten flüchtigen Bestandteile können wertvolle Informationen über das Abwasser liefern. So gibt die Anwesenheit und/oder die Menge von einem oder mehreren Gasen in den desorbierten Materialien einen Hinweis auf die chemische Beschaffenheit der Abwasser, was beispielsweise von Abwässern, deren Zusammensetzung aufgrund der Aktivität der darin enthaltenen Mikroorganismen sich ständig verändert,

803849/0710

- -ίο -

von Bedeutung sein kann. Die Analyse der entfernten flüchtigen Bestandteile ergibt einen genaueren Anhaltspunkt als herkömmliche pseudo-Kopfraum-Analysenverfahren, insbesondere wenn ein grosser Anteil von flüchtigen Bestandteilen im Abwasser entfernt wird.

Die löslichen organischen Bestandteile des abgesetzten Abwassers x^erden in allgemeinen nach zwei Verfahren entfernt, d.h. entweder durch ein Aktivschiammverf ahren mit suspendiertem Wachstum oder durch ein Perkolations-Filtersystem mit haftendem Wachstum. Beide Verfahren benötigen relativ viel Platz. In Jüngster Zeit wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem die Konzentration der Biomasse pro Volumeneinheit stark erhöht ist, was zu einer beträchtlichen Verringerung der Anlagengrösse bei einen gegebenen Bshandlxingsumfang führt. Bei diesem Verfahren wird ein expandiertes oder in Wirbelschicht gehaltenes Bate von Sand oder anderen kleinteiligen Medien, im allgemeinen mit einer Grosse von 0,2 bis 2,0 nun, mit einer sehr grossen Oberfläche, auf der die die Behandlung durchführenden Mikroorganismen wachsen, verwendet. Es ist möglich, ein System mit haftendem Wachstum in einem expandierten oder in Wirbelschicht gehaltenen Bett mit 50 bis 100 mg Biomasse/Liter im Reaktor zu betreiben, verglichen mit den normalerweise bei herkömmlichen Aktivschlammsystemen möglichen 3 "bis 5 g Biomasse/Diter. Dies erlaubt eine Verringerung der Verweilzeit für die Behandlung von 6 bis 10 Stunden bei herkömmlichen Aktivschlammanlagen auf 1/2 bis 1 Stunde in Wirbelschichtreaktoren mit haftendem Wachstum. Dieses Wachstum wurde für die aerobe Behandlung von abgesetztem Abwasser, insbesondere Kloakenabwasser, und für die anoxische Behandlung von abgesetztem, nitrifizierten Abflusswasser, um eine Abfluss-Denitrifikation unter Verwendung einer äusseren Kohlenstoffquelle, wie Methanol, durch-

809849/0710

zuführen, vorgeschlagen.

Die vorgeschaltete Desorptionsstufe des erfindungsgemässen Verfahrens kann in einem derartigen Verfahren unmittelbar vor der oder den einzelnen Oxygenierungsstufen angewendet werden.

Somit wird gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser unter Verringerung des Gehalts an Kohlenstoff und Stickstoff enthaltenden Substanzen zur Verfugung gestellt, das aus folgenden Stufen besteht:

(a) Das Abwasser wird durch ein erstes expandiertes oder in Wirbelschicht gehaltenes Bett, das Teilchen enthält, an denen fakultativ heterotrophe Bakterien haften, unter anoxischen Bedingungen geleitet, um das Nitrat im Abwasser in gasförmigen Stickstoff zu verwandeln.

(b) Das gemäss Stufe (a) behandelte Abwasser wird zur Freisetzung von Gasen, die vorher darin gelöst, mit diesem mitgerissen oder in diesem erzeugt worden sind, einem vermindertem Druck ausgesetzt.

(c) In dem gemäss Stufe (b) behandelten Abwasser wird Sauerstoff gelöst und

(d) das gemäss Stufe (c) behandelte Abwasser wird durch ein zweites expandiertes oder in Wirbelschicht gehaltenes Bett, das Teilchen mit daran haftenden Mikroorganismen enthält, geleitet, um im Abwasser enthaltene Kohlenstoff und Stickstoff enthaltende Substanzen zu oxidieren.

Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil des Ablaufwassers von Stufe (d) einer Druckverminderung unterworfen, um unter anderem Sauerstoff daraus zu entfernen und diesen anschliessend in die

809849/0710

Stufe (a) zurückzuleiten. Auf diese Weise kann die Notwendigkeit der Zufuhr einer äusseren Kohlenstoffquelle, wie Methanol, in Stufe (a) vermieden werden. Es ist wünschenswert, das Nitrat im wesentlichen vollständig vom Ablaufwasser der Stufe (d) zu entfernen. Das Ablaufwasser (abgesehen von dem Anteil, der in die Stufe (a) zurückgeleitet wird) kann mit einer Kohlenstoffquelle vermischt und anschliessend durch ein drittes Wirbelbett, das Teilchen mit daran haftenden Mikroorganismen enthält, geleitet werden, um Nitrat von diesem Ablaufwasser zu entfernen.

Beim erfindungsgemässen Verfahren ist die Art und Weise, wie die wässrige Flüssigkeit einem vermindertem Druck ausgesetzt wird, nicht kritisch. Dem Fachmann stehen dafür verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Bei kleinen Mengen einer wässrigen Flüssigkeit kann die Flüssigkeit beispielsweise in ein Gefäss gebracht werden, das'sodann zur Druckverminderung des Raums oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche evakuiert wird. Nach Abwarten einer ausreichenden Zeitspanne, die zur Entfernung der gewünschten Menge an flüchtigen Bestandteilen erforderlich ist, wird das Innere des Gefässes wieder atmosphärischem Druck ausgesetzt, und die Flüssigkeit wird entfernt. Die desorbierten flüchtigen Bestandteile können für Analysenzwecke gesammelt werden.

Bei grösseren Mengen an Flüssigkeiten, wie Abwässern, wo ■ eine wirtschaftliche, kontinuierliche Arbeitsweise erforderlich ist, wird das Abwasser vorzugsweise durch einen Saugheber (Siphon) geleitet, an dessen Kopf ein verminderter Druck aufrechterhalten wird, um die flüchtigen Bestandteile des durch den Saugheber laufenden Abwassers zu desorbieren.

•09849/0710

Nachstehend werden verschiedene "bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer senkrechter Querschnitt einer

Art der Saugheberanordnung. Fig. 2 ist ein schematischer senkrechter Querschnitt einer

weiteren Ausführungsform der Saugheberanordnung. Pig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungs-

gemässen Verfahrens zur Behandlung von Abwasser. Fig. 4- zeigt einen senkrechten Aufriss einer Ausführungsform des Saughebers und der Sauerstoffeinblasvor-

richtung gemäß Pig. 3.
Pig. 5 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zur Wasserbehandlung

dar.
Fig. 6 zeigt eine alternative Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Fig. 5-

In Fig. 1 wird Abwasser in einen Vorratsbehälter 1 eingeleitet, von wo es durch die Leitung 2 hinauf in das Gefäss gelangt. Aus dem Gefäss 3 tritt es durch die Leitung 4 aus, die auf einer Höhe unterhalb des Behälters 1 endet. Das Gefäss 3 weist eine Gasauslassleitung 5 auf, die mit einer einen Abzug 7 aufweisenden Vakuumpumpe 7 verbunden ist.

Bei Inbetriebnahme wirken die Leitungen 2 und 4- und der Behälter 1 als Saugheber (Siphon) für das Abwasser. Nach Betätigung des Saughebers fliesst das Abwasser, wie abgebildet, durch die Leitungen 2 und 4- und das Gefäss 3. Im Kopfraum 8 des Behälters 3 hält die Vakuumpumpe 6 den durch den Saugheber hervorgerufenen verminderten Druck aufrecht. Die aus dem Abwasser desorbierten Gase treten durch die Leitung 5 und den Abzug 7 aus und können gegebenenfalls

•01141/171·

_ 14- -

analysiert werden. Die Wasserhöhe im Saugheber kann unter den herrschenden atmosphärischen Bedingungen den maximal erreichbaren Wert annehmen. Die Vakuumpumpe kann bei einem beliebigen Druck bis zum erreichbaren Mindestdruck betrieben werden. Bei der praktischen Durchführung hängen die Betriebsbedingungen von folgenden Faktoren ab:

(I) Durchflussgeschwindigkeit des Abwassers, die von dessen Viskosität und den Abmessungen der Leitungen und der Höhe des Saughebers abhängt;

(II) Menge des entfernten Gases, die unter anderem von der Höhe des Saughebers, der Gaslöslichkeit und des angelegten Vakuums abhängt; und

(III) Dampfdruck des Abwassers bei der herrschenden Temperatur.

Die Anordnung gemäss Fig. 2 unterscheidet sich geringfügig von der von Fig. 1 darin, dass die Leitungen 2 und 4 und das Gefäss 3 durch ein senkrecht angeordnetes Rohr 10 (Zylinder) ersetzt sind,das an einem Ende mit Ausnahme einer Verbindungsstelle mit der Vakuumpumpe 11 geschlossen ist und eine Trennwand 12 aufweist, die über einen Grossteil der Länge des Rohrs diametral zum Rohr angeordnet ist. Am Fuss des Rohrs 10 ist an einer Seite der Trennwand ein Einlass 13 für Abwasser vorgesehen. Auf der anderen Seite der Trennwand ist auf einer Höhe unterhalb des Einlasses 13 (zur Erreichung einer Saugheberwirkung) ein Auslass 14 vorgesehen. Die Vorrichtung wird im wesentlichen auf die gleiche Weise wie die Vorrichtung von Fig. 1 betrieben.

Bei der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf die Qxygenierung von Abwasser in einem Abwasserrohr (hauptsächlich zur Verhinderung oder zur Verminderung der Bildung von Schwefelwasserstoff) kann ein Saugheber im Abwasserrohr oder in dessen Nähe, geeigneterweise an einem Sumpf- oder Nasschacht vorgesehen sein. Das Abwasser kann unmittelbar

10*849/0710

vor der Oxygenierung (unter Desorption von Gasen) durchgeleitet werden.

In Fig. 3 ist die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Behandlung von Abwasser auf städtisches Kanalisationsabwasser (Kloakenabwasser) dargestellt. Fig. '4- zeigt einen senkrechten Aufriss des Saughebers und der Sauerstoffeinblasvorrichtung 50 von Pig. 3·

Gemäss Fig. 3 wird rohes Kanalisationsabwasser zunächst einer herkömmlichen Behandlung unter Verwendung von Sieben und eines Sandentfernars (40) behandelt. Anschliessend wird das Abwasser in der Vorrichtung 50 (nachstehend anhand von Fig. 4 erläutert) der erfindungsgemässen Desorptionsstufe unter anschliessender Oxygenierung unterworfen. In der Vorrichtung 50 werden flüchtige Bestandteile aus dem Abwasser entfernt, das anschliessend sofort auf eine Konzentration des gelösten Sauerstoffs von 40 bis 50 mg/Liter oygeniert wird. Das oxygenierte Abwasser durchläuft eine herkömmliche primäre Sedimentationsstufe 60, in der ein Primärschlamm von einer Flüssigkeit abgetrennt wird. Die aus dieser Stufe erhaltene Flüssigkeit (die Konzentration an gelöstem Sauerstoff kann 0 betragen) wird sodann durch eine Desorptions/ Oxygenierungs-Vorrichtung 70 (entspricht der Vorrichtung 50) \ zur Anhebung der Konzentration an gelöstem Sauerstoff auf 40 bis 100 mg/Diter unterworfen. Im Behälter 80 findet eine übliche biologische Oxidation unter Bewegen mitJKiIf β des Rührers."." ! 81) statt. Anschliessend folgt eine sekundäre Sedimentations- , stufe 90. Das endgültige Ablauf wasser tritt aus der Leitung 91 aus. Der abgesetzte Schlamm wird über die Desorptions/ Oxygenierungs-Vorrichtung 100 (entspricht der Vorrichtung 50) wieder in den Behälter 80 zurückgeleitet. j

809849/0710

Fiß. ^LV zeigt einen Saugheber 110 mit einer Einblasvorrichtung 120 für Sauerstoff, d.h. ein Sauerstoff enthaltendes Gas, die unmittelbar stromabwärts angeordnet ist. Diese Anordnung von Fig. 4 (bei der die Wasserhöhe im Saugheber der maximal unter normalem Atmosphärendruck erreichbaren Höhe entspricht) entspricht den Vorrichtungen 50, 70 und 100 von Fig. 3- Gas wird vom Saugheberkopf 111 entfernt.

Bei der in Fig. 3 erläuterten Betriebsweise ist die Gesamtwirkung des Verfahrens gegenüber herkömmlichen Verfahren in der Hinsicht verbessert, dass die erforderlichen Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff leichter und wirkungsvoller erreicht werden.

Die Entfernung von Gasen (oder die Verringerung der Gasmengen) in Abwässern gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren eignet sich auch zur Behandlung von Abwässern zur Entfernung von aromoniakalischem Stickstoff. Gegenwärtig wird aminoniakalischer Stickstoff durch Erhöhung des pH-Werts des Abwassers und durch Abstreifen des Ammoniaks, indem man das Abwasser im Gegenstrom mit Luft durch einen Bieselturm leitet, entfernt. Bei diesem Verfahren treten jedoch Probleme auf, einschliesslich der Bildung von Kalkablagerungen im Rieselturm. Gemäss einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zur Abwasserbehandlung kann ammoniakalischer Stickstoff entfernt werden, indem das alkalische Abwasser zur* Desorption von Ammoniak einem vermindertem Druck ausgesetzt wird. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, eine Reihe von Saugheberanordnungen, wie vorstehend beschrieben, einzusetzen.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung besteht in der

809849/0710

Vorbehandlung von Abwässern vor einer Belüftung,?- oder Oxygenierungsstufe. Beispiele dafür sind vorstehend angegeben. Ein weiteres Beispiel ist die Wiederbelüftung von Oberflächenwasser, wie Flusswasser. Dabei wird das Flusswasser zunächst einem vermindertem Druck ausgesetzt, um die darin desorbierten Gase zu reduzieren, und anschliessend wird es oxygeniert oder belüftet.

Die Figuren 5 und 6 erläutern erfindungsgemässe Verfahren zur Abwasserbehandlung unter Ausnutzung von Mikroorganismenwachstum in Wirbelschicht- oder expandierten Betten. In Fig. 5 wird abgesetztes Abwasser über die Leitungen 200 und 201 einem ersten Wirbelbett (A) zugeführt, wobei ein Rückführungsstrom über die Leitung 202 mit einem Gehalt an Nitrationen stattfindet. Der Silckführungsstrom kann vorher den gelösten Sauerstoff enthalten haben, der aber daraus entfernt worden ist. Unter den anoxisehen Bedingungen, die in diesem Bett vorherrschen, modifizieren die fakultativ heterotrophen Bakterien ihren Stoffwechsel und verwenden in Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff Nitrationen als Sauerstoffquelle, wodurch das Nitrat über Nitrit zu gasförmigem Stickstoff abgebaut wird, der in Form von Blasen (Pfeil 203) aus der Oberfläche austritt. Die Bakterien vorwenden das Kohlenstoff enthaltende Material im abgesetzten Abwasser als notwendige Energiequelle. Die Verwendung von (I) nitrifiziertem, umlaufendem Abflusswasser und (II) abgesetztem Abwasser als Kohlenstoffquelle in modifizierten Aktivschlammanlagen ermöglichen eine Herabsetzung der Nitratkonzentration im Ablaufwasser um 70 bis 80 Prozent, was zu Konzentrationen von 5 "bis 10 mg N/Liter im Ablaufwasser führt. Diese Konzentration liegt unterhalb der von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfohlenen Standardmenge für Trinkwasser von 11,4 mg N/Liter. Das hier erläuterte

809849/0710

- 13 -

Virbelbefctverfahren kann auf diese Weise in bezug auf die Gesamtentiernung von Nitrat ebenso wirksam wie herkömmliche Verfahren betrieben v/erden, wobei die Denitrifikation in einer kürzsren Verweilzeit erreicht wird, da das Gewicht der vorhandenen Biomasse wesentlich grosser ist. Die Bakterien sind in der Schlammschicht, die sich auf den Sandteilchen entwickelt, enthalten. Die erforderliche Oberflächenverweilzeit beträgt je nach der Temperatur 3 bis 10 Minuten. Das im abgesetzten Abwasser enthaltene Ammoniak gelangt unverändert durch das anoxische in Wirbelschicht gehaltene (oder expandierte) Bett. Im Abwasser ist Ammoniak in zwei Formen vorhanden, entweder in Form von Ammoniumionen (ML ) in echter Lösung oder als gelöstes Gas (NH₇.). Bei normalen Betriebstemperaturen von 10 bis 20⁰C und bei dem in dieser Stufe im System auftretenden pH-Wert (7,5 bis 8,5) sind mehr als 90 Prozent des Ammoniaks in Form von Ammoniumionen in echter Lösung vorhanden. An dieser Stelle wird die Flüssigkeit durch die Leitung 204 einem Saughebor-Entgaser (B) zugeführt. Ein Teil der Flüssigkeit in der Leitung 20'!- kann über die Leitung 205 in die Leitung 201 rückgeführt werden. Gase werden vom Kopf des Entgasers (B) über die Vakuumleitung 206 entfernt. Im Entgaser (B) werden gelöstes Kohlendioxid und Stickstoff zusammen mit einer geringen Menge an Ammoniak abgestreift. Das Abstreifen dieser Abgase ermöglicht dann in der nächsten Behandlungsstufe die Lösung von grösseren Konzentrationen an Sauerstoff in der Flüssigkeit.

Die von (B) kommende entgaste Flüssigkeit gelangt über die Leitung 210 nach (G),wo Sauerstoff in der Flüssigkeit gelöst wird, bevor diese über die Leitung 211 in ein zweites Wirbelbett mit Sandteilchen (D) gelangt. Die erforderliche Oberflächenverweilzeit beträgt 0,5 bis 1,0 Stunden.

803849/0710

Sauerstoff wird beispielsweise unter Verwendung einer Venturi-Losevorrichtung oder wirksamer durch das L¹Z-GAS-Systeia in Lösung gebracht. In der Flüssigkeit wird eine ausreichende Sauerstoffmenge gelöst, um den notwendigen Sauerstoff für die Oxidation der Kohlenstoff und Stickstoff enthaltenden Bestandteile in der Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen. Der Sauerstoff kann in Form von (I) handelsüblichem Sauerstoff, (II) mit Sauerstoff angereicherter Luft, (III) Luft, (IV) Wasserstoffperoxid oder einer anderen geeigneten Sauerstoffquelle zur Verfugung gestellt werden. Die Ablaufleitung 213 enthält etwas gelösten Sauerstoff, jedoch xirird die Sauerstoffzufuhr bei (C) so geregelt, dass sie der minimalen Menge entspricht, die noch die in (D) aufrecht zu erhaltenden Nitrifikationsbedingungen ermöglicht, da etwa 70 bis 85 Prozent des Ablaufwassers nunmehr über die Leitungen 214· und 202 in das erste Wirbelbett, das anoxisch gehalten wird, rückgeführt v/erden. Dieses Ablauf wasser kann über die Leitung 214- und einen v/eiteren Saugheber-Entgaser (E) in das erste (anoxische) Wirbelbett (A) rückgeführt werden. Der genannte Saughebsr-Entgaser dient zur Entfernung des gelösten Sauerstoffs (220), der dem Betrieb des ersten Wirbelbetts schädlich wäre, da dadurch ein Teil des Kohlenstoff enthaltenden Materials im abgesetzten Abwasser, das für die Denitrifikationsreaktion notwendig ist, verbraucht würde. Die restlichen 15 bis 30 Prozent der aus dem zweiten Wirbelbett strömenden Flüssigkeit werden als vollständig behandeltes Ablaufwasser, gegebenenfalls nach Absetzen oder einigen weiteren Endbehandlungen, abgelassen.

Wenn eine vollständige Nitratentfernung erforderlich ist, kann ein weiteres Wirbelbett oder expandiertes Bett geringer Abmessungen zusätzlich zur Behandlung des Ablauf-

809849/0710

wassers vo ι· ge sehen werden. Dabei ist die Verwendung einer äusseren Kohlenstoffquelle erforderlich. Im allgemeinen wird für diesen Zweck Methanol verwendet. Erfindungsgemäss v.^rird der Methanolbedarf im Vergleich mit herkömmlichen Denitrifikationsreaktoren, um 70 bis 80 Prozent reduziert, was auf die vorstehend ei'läuterte Ausnutzung der Kohlenstoff enthaltenden Materialien im abgesetzten Abwasser zurückzuführen ist. Die Regelung des Wachstums der Biomasse in der Säule kann vorgenommen werden, indem man den beschichteten Sand aus den beiden Wirbelbetten über Vorrichtungen, die ein Entfernen der Biomasse vom Sand bewirken, pumpt. Die Gemische aus Sand und Biomasse werden sodann durch entsprechende Vorrichtungen, wie HydroZyklonen, Schlämmsäulen, Zentrifugen oder vibrierende Siebe, getrennt. Der gereinigte Sand wird in die Wirbelbetten zurückgeführt, während der biologische Schlamm vor der Beseitigung eingedickt werden kann. Bei Verwendung von vibrierenden Sieben oder Zentrifugen kann der Schlamm in ausreichendem Masse eingedickt werden, so dass er ohne weitere Behandlung beseitigt werden kann. Der Feststoffgehalt beträgt in diesen Fall 5 bis 20 Gewichtsprozent.

Die Menge an suspendierten Feststoffen, die in den aus den Wirbelbetten kommenden Flüssigkeiten enthalten sind, ist relativ gering. In einigen Fällen kann eine sekundäre Klärung dieses Ablaufwassers entfallen. Eine Behandlung des Ablaufwassers durch Sandfiltration ist vermutlich am wirksamsten, um ein sehr hochwertiges Ablaufwasser mit einem Gehalt an weniger als 10 mg suspendierten Feststoffen (SS) pro Liter zu erhalten.

Das vorerläuterte System kann mit einer täglich variierenden Strömungsgeschwindigkeit betrieben werden. Es ist wesentlich,

809849/0710

dass das Sandbett nicht durch, eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit nach oben verdrängt wird. Es gibt verschiedene Möglichkeiten um dies zu vermeiden:

I) Die Reaktoren können in konischer oder pyramidaler IOm konstruiert sein, so dass das Volumen des Sandbetts innerhalb eines weiten Bereichs von Anströmgeschwindigkeiten variiert werden kann.

II) Die Menge an über die Leitungen 205 und 212 um die einzelnen Wirbelbettreaktoren rückgeführter Flüssigkeit kann variiert werden, um eine konstante Aufstromgeschwindigkeit durch das Bett aufrecht zu erhalten.

III) Das System kann so konstruiert werden, dass bei den niedersten Strömungsgeschwindigkeiten das Sandbett nicht in Wirbelschicht gehalten wird, sondern als expandiertes Bett wirkt, das etwa die Hälfte des Gesamtvolumens des Reaktors besetzt. Bei steigenden Strömungsgeschwindigkeiten (und somit bei steigender Aufstromgeschwindigkeit) expandiert das Bett und wird vollständig in einen Wirbelzustand überführt, wird aber noch vollkommen innerhalb des Reaktors gehalten.

Bei Verwendung eines Systems, bei dem Entgaser zusammen mit 2 oder mehr Wirbelbetten verwendet werden, wie es beispielsweise in I¹Xg. 5 abgebildet ist, werden unter anderem folgende Vorteile erzielt:

I) Es ergibt sich eine vollständige sekundäre Behandlung des abgesetzten Abwassers innerhalb einer Verweilzeit von Λ Λ/2 Stunden unter etwa 75prozentiger Mtratentfernung.

809849/0710

II) Die hohe Konzentration der Biomasse erlaubt sehr geringe Abmessungen der Anlage, wodurch der Platzbedarf ira Vergleich zu herkömmlichen Anlagen um etwa 80 Prozent vermindert wird.

III) Es ergibt sich eine Nitratentfernung auf einen Wert unterhalb des Trinkwasserstandards der Weltgesundheitsorganisation, ohne dass eine zusätzliche Kohlenstoffquelle erforderlich ist.

IV) Die Notwendigkeit einer Sekundärklärung entfällt oder diese ist stark verringert.

V) Eine Kostenersparnis von etwa 30 Prozent ist möglich, da stark reduzierte Reaktorvolumina erforderlich sind.

VI) Die Kapazität bereits vorhandener, überlastetor Anlagen kann leicht ohne zusätzlichen Platzbodarf erhöht werden, da die Anlage allmählich durch eine kleinere Anlage, die auf dem bereits vorhandenen Platz gebaut v/erden kann, zu ersetzen ist.

VII) Es wird ein dicker Schlamm erzeugt.

VIII) Es können tägliche Anpassungen an unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten vorgenommen werden.

IX) Der Saugheber-Entgaser ermöglicht die maximale Säuerst off verwertung, da kein Sauerstoff zur Verdrängung von gelösten Gasen verwendet wird.

Eine alternative Ausführungsform der Verwendung des Saugheber-Entgasers besteht darin, eines oder mehrere Wirbel-

809849/0710

betten an der Saugseite vorzusehen, wodurch die Verwendung von getrennten Säulen vermieden wird. Die Arbeitsweise Funktion einer derartigen Vorrichtung entspricht der Anordnung in Fig. 5·

809849/0710

Claims

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCH Ü BSL-H O PF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 A 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 93 O1 6O, D-8OOO MÜNCHEN 9ö

WATER RESEARCH CENTRE 19. Mai 1978

DA-5629

Verfahren zum Lösen von Gasen in wässrigen Flüssigkeiten

Patent a nsp r ü c h ο

1. Verfahren zum Lösen eines Gases in einer wässrigen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass r.\an zunächst die Flüssigkeit einem vermindertem Druck aussetzt, um vorher darin gelöste, mitgerissene oder erzeugte Gase freizusetzen, und anschliessend das Gas in der d.3-sorbierten Flüssigkeit löst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als v/äs sr ige Flüssigkeit ein Abwasser und als darin zu lösendes Gas Sauerstoff verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die wässrige Flüssigkeit einex* Saugheberbehandlung unterwirft und dabei am

809849/0710 GfflCHNAL INSPEOfED

Kopf des Saughebers (Siphon), von dem die freigesetzten Gase entfernt werden, einen verminderten Druck erzeugt.

Λ-. Verfahren zur Behandlung von Abwasser zur Entfernung von Verunreinigungen durch oxidativen Abbau, dadurch, gekennzeichnet, dass man in einer ein- oder mehrstufigen Behandlung das Abwasser einem vermindertem Druck aussetzt, um vorher darin gelöste, mitgerissene oder erzeugte Gase freizusetzen, und anschliessend Sauerstoff im Abwasser löst.

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man Kloakenwasser behandelt, um es unschädlich und haseitigbar zu machen, und dass man in das Kloakenwasser nach ein- oder mehrfacher Behandlung unter vermindertem Druck Luft oder ein anderes Sauerstoff enthaltendes Gas einleitet, um darin Sauerstoff zu lösen.

6. Verfahren zur Behandlung von Abwasser, das in einem Abflussrohr gehalten wird oder dieses durchfliesst, dadurch gekennzeichnet, dass man das Abwasser zur Entfernung von Gasen, die vorher darin gelöst, mitgerissen oder erzeugt worden sind, einem vermindertem Dx'uck aussetzt und anschliessend Sauerstoff im Abwasser löst.

7- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man als Abwasser Kloakenwasser behandelt und Luft oder ein anderes Sauerstoff enthaltendes Gas in das Kloakenwasser einbläst, um Sauerstoff darin zu lösen.

8. Verfahren zur Behandlung von Abwasser zur Verringerung der Konzentration an Kohlenstoff und Stickstoff enthaltenden Substansen, dadurch gekennzeichnet, rl·-)'·?π mn

302849/0710

. _IMI yK ^_-

(a) das Abwasser durch ein erstes expandiertes Bett oder Wirbelbett mit einem Gehalt an Teilchen, an denen fakulativ heterotrophe Bakterien haften, unter anoxischen Bedingungen leitet, um Nitrat im Abwasser in gasförmigen Stickstoff umzuwandeln,

(b) das gemäss Stufe (a) behandelte Abwasser einem vermindertem Druck aussetzt, um Gase, die vorher darin gelöst, mitgerissen oder erzeugt worden sind, freizusetzen,

(c) in dem gemäss Stufe (b) behandelten Abwasser Sauerstoff löst und

(d) das gemäss Stufe (c) behandelte Abwasser durch ein zweites expandiertes Bett oder Wirbelbett nit einem Gehalt an Teilchen, an denen Mikroorganismen haften, leitet, um im Abwasser enthaltene Kohlenstoff und Stickstoff enthaltende Substanzen zu oxidieren.

9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h gekennzeichnet, dass man einen Teil des Ablaufwassers von Stufe (d) einem verminderten Druck aussetzt, um daraus Gase, die vorher darin gelöst, mitgerissen oder erzeugt worden sind, freizusetzen, und in das erste Wirbelbett zurückleitet.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablaufwasser von Stufe (d) mit einer Kohlenstoffquelle vermischt und anschliessend durch ein drittes Wirbelbett, das Teilchen mit daran haftenden Mikroorganismen enthält, geleitet wird, um Nitrat aus diesem Ablaufwasser zu entfernen.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass man als Abwasser Kloakenwasser behandelt und Sauerstoff im behandelten Abwasser löst, indem man handelsüblichen Sauerstoff, mit

8C2S49/0710

BAD OWQIHAL

_ Zj. _

Sauerstoff angereicherte Luft oder Wasserstoffperoxid einbläst bzw. einspritzt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 "bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man das Abwasser einem vermindertem Druck aussetzt, indem man es durch einen Saugheber (Siphon) leitet, in dessen Kopf ein verminderter Druck aufrechterhalten wird, indem aus dem Abwasser freigesetzte Gase abgezogen werden.

13« Verfahren nach Anspruch 12, dadurch geke η η zeichnet, dass die Wasserhöhe im Saugheber der unter den herrschenden atmosphärischen Bedingungen maximal erreichbaren Höhe entspricht oder nahe an diese herankommt.

Λ'-V. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass man Sauerstoff in das Abwasser einbläst, nachdem dieses den Kopf des Saughebers passiert, aber den Saugheber noch nicht verlassen hat.

15- Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass man Sauerstoff in das Abwasser unmittelbar nach dem Verlassen des Saughebers einbläst.

16. Wässrige Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach einem der Ansprüche 1 bis 13 behandelt worden sind.

808849/0710