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Verfahren und Vorrichtung zur biologischen
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Reinigung von Abwasser Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen
Reinigung von Abwasser, bei dem das Abwasser unter anderem auch denitrifiziert wird,
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Im Abwasser enthaltener Stickstoff wird in biologischen Kläranlagen
bekanntlich durch Nitrifikation und Denitrifikation eliminiert. Bei der Nitrifikation,
die hauptsächlich erst nach weitgehender Oxidation der Kohlenstoffverbindungen erfolgt
und niedrige Schlammbelastungen, ausreichende Sauerstoffzufuhr und hohes Schlammalter
vor aussetzt, wird Ammoniumstickstoff durch autotrophe Bakterien zu Nitrat und Nitrit
umgewandelt. Bei der Denitrifikation wird unter anoxischen Bedingungen Nitrat und
Nitrit zu elementarem Stickstoff reduziert. Die Reduktion erfolgt dabei über fakultativ
anaerobe Bakterien, die über ein Elektronentransportsystem verfügen, welches sie
zur Elektronenübertragung auf Nitrite und Nitrate befähigt. Die Denitrifikationsbakterien
sind so in die Lage versetzt, organisches Substrat auch ohne molekularen Sauerstoff
weitgehend zu oxidieren und dadurch
Energie zu gewinnen. Formal
werden dabei organische Stoffe durch Nitrit und Nitrat zu Kohlendioxid und Wasser
oxidiert. Damit gilt, daß für eine weitgehende Nitratreduktion zu molekularem Stickstoff
ausreichend organischer Kohlenstoff zugegen sein muß. Als Kohlenstoffquelle wird
bisher das der Kläranlage zugeführte Rohabwasser oder ein gesondert zugeführtes
kohlenstoffhaltiges Substrat, wie z.B. Methanol, verwendet.
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Nachteilig bei der Verwendung solcher Kohlenstoffquellen (Reduktionsmittel)
ist jedoch, daß bei Einsatz von Rohabwasser groß dimensionierte Denitrikfationsbecken
erforderlich sind, um bei stark schwankenden Konzentrationen an organischen Inhaltsstoffen
im Rohabwasser immer ausreichend organisches Substrat zur Verfügung zu haben, und
daß bei Einsatz von gesondert zugeführtem organischen Substrat, wie Methanol, hohe
Beschaffungs-und Transportkosten anfallen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestalten,
daß auf einfache und wirtschaftliche Weise eine möglichst weitgehende Stickstoffentfernung
erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Denitrifikation
in Anwesenheit von Abwasserschlamm als Reduktionsmittel durchgeführt wird.
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Neben dem in einer Denitrifikationseinrichtung gegebenenfalls sowieso
vorhandenem Rücklaufschlamm aus einer nachgeschalteten Nachkläreinrichtung soll
also- zusätzlich als Kohlenstoffquelle dienender Abwasserschlamm in eine Denitrifikationseinrichtung
eingeleitet werden. Mit dieser Verfahrensweise wird erreicht, daß den denitrifizierenden
Bakterien als Reduktionsmittel ein aufgrund seiner Her-
kunft nicht
toxisches, organisches kohlenstoffhaltiges Material von weitgehend konstanter Beschaffenheit
in ausreichender Menge zur Verfügung gestellt werden kann. Damit wird die Denitrifikation
von der Konzentration des zulaufenden Abwassers und von der Beschaffung eines gesondert
zuge#führten organischen Substrats unabhängig.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltu:#g des Erfindungsgedankens wird
dabei als Abwasserschlamm der bei dem Abwasserreinigungsverfahren selbst anfallende
Primärschlamm, Faulschlamm oder Überschuß schlamm oder eine Mischung aus zwei oder
drei dieser Schlammarten verwendet. Dabei ist der Verwendung von biologischem Überschußschlamm
insofern gegenüber den anderen Schlammarten der Vorzug zu geben, als der biologische
Überschuß schlamm als lebende Biomasse ein besonders hoch konzentriertes organisches
Substrat-darstellt. In jedem Fall stellt jedoch die Verwendung solcher Abwasserschlämme
eine sichere Kohlenstoffquelle dar, da diese Schlämme bei jedem biologischen Klärverfahren
zwangsläufig anfallende Produkte sind.Dazu kommt, daß der bei der Denitrifikation
verwendete Schlammanteil keiner der üblichen Schlammbehandlungen zugeführt werden
muß und demzufolge-die Schlammbehandlungs- und Schlammbeseitigungskosten erniedrigt
werden können.
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Um die organische Schlammsubstanz optimal für eine Denitrifikation
verfügbar zu machen, ist es des weiteren vorteilhaft, den Abwasserschlamm vor Verwendung
bei der Denitrifikation aufzuschließen. Die im Abwasserschlamm enthaltene Biomasse
wird dadurch auch in gelöste organische Substanz umgewandelt, die dann zusammen
mit der im Abwasserschlamm von vornherein gelöst vorhandenen organischen Substanz
von den denitrifizierenden Bakterien abgebaut werden kann. Die hydraulische Belastung
einer Denitrifikationseinrichtung kann damit noch weiter verringert werden.
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Der Aufschluß des Abwasserschlamms kann thermisch, mechanisch oder
chemisch durchgeführt werden, wobei auch Kombinationen von verschiedenen Auf schlußverfähren
möglich sind.
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Als Beispiele für die verschiedenen Aufschlußverfahren kommen die
Schlammerhitzung, die -Schlammbehandlung mittels Ultraschall sowie die Zugabe von
Laugen oder Säuren in Frage.
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Da Abwasserschlämme je nach ihrer Herkunft sowohl in ihrer Trockensubstanz
als auch im Schlammwasser zum Teil beträchtliche Stickstoffanteile aufweisen können,
ist es zur Vermeidung der Überlastung der Denitrifikationseinrichtung sowie auch
der Witrifikationseinrichtung von Vorteil, aus dem Abwasserschlamm vor Verwendung
bei der Denitrifkation Stickstoff zu entfernen. Zweckmäßigerweise wird dabei die
Stickstoffentfernung als Ammoniakstrippung im alkalischen Milieu, beispielsweise
mittels Luft oder Dampf,durchgeführt. Das gestrippte Ammoniak kann mit Vorteil an
die.
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Atmosphäre abgegeben, verbrannt oder in Mineralsäure absorbiert werden,
wobei als Kunstdünger einsetzbare Ammoniumsalze gewonnen werden können.
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inë Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt eine Denitrifikationseinrichtung
für Abwasser. Diese kann als volldurchmischtes Becken mit oder ohne-Trägerteilchen
für die denitrifizierenden Bakterien oder als Denitrifikationsfilter ausgebildet
sein. Erfindungsgemäß ist eine solche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die
Denitrifikationseinrichtung eine zuteileinri#htung für Abwasserschlamm als Reduktionsmittel
aufweist. Der Zuteileinrichtung für Abwasserschlamm ist vorteilhafterweise eine
Einrichtung zum Aufschließen von Abwasserschlamm und gegebenenfalls eine Einrichtung
zur Ammoniaks#trippung vorgeschaltet.
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Ein Beispiel einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneten Abwasserreinigungsanlage ist in der Figur schematisch dargestellt. Die
Figur zeigt dabei eine zweistufige Abwasserreinigungsanlage mit getrennten Schlammkreisläufen
und mit einem vorgeschalteten Denitrifikationsbecken in der zweiten Stufe. Selbstverständlich
läßt sich jedoch das erfindungsgemäße Verfahren auch auf alle anderen Abwasserreinigu#ngsanlagen,
bei denen eine Denitrifikation vorgesehen ist, anwenden.
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Nur beispielhaft seien noch Abwasserreinigungsanlagen mit Einschlammsystemen
mit vor oder nachgeschalteter Denitrifikation oder auch mit Dreischlammsystemen
mit nachgeschalteter Denitrifikation erwähnt.
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In der Figur ist mit 1 die erste Stufe und mit 10 die zweite Stufe
einer zweistufigen Abwasserreinigungsanlage zur Nitrifikation und Denitrifikation
von insbesondere hoch belasteten, organische und stickstoffreiche Verbindungen enthaltenden
Abwässern bezeichnet. Die erste Stufe 1 umfaßt ein Belüftungsbecken 2 mit einer
Zuleitung 6 für zu behandelndes Abwasser und ein dem Belüftungsbecken 2 nachgeschaltetes
Zwischenklärbecken 3 mit einem Ablauf 9 für vorbehandeltes Abwasser, mit einer Schlammrückleitung
4 vom Zwischenklärbecken 3 zum Belüftungsbecken 2 und mit einer Schlammableitung
5 zum Abzug von Uberschußschlamm aus der ersten Stufe 1. Zur Sauerstoffversorgung
der im Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch vorhandenen Mikroorganismen ist an das in
diesem Fall gegen die Atmosphäre geschlossen ausgebildete Belüftungsbecken 2 eine
Gaszuleitung 7 für die Zufuhr eines mehr Sauerstoff als Luft enthaltenden Gases
oder von reinem Sauerstoff sowie eine Gasableitung 8 für verbrauchtes Abgas angeschlossen.
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Die zweite Stufe 10 ist an den Ablauf 9 des Zwischenklärbeckens 3
der ersten Stufe 1 angeschlossen und weist ein unter sauerstoffarmen Bedingungen
betriebenes Behandlungsbecken 11, ein mit diesem in Verbindung stehendes, unter
sauerstoffreichen Bedingungen betriebenes Belebungsbecken 12 sowie ein dem Belebungsbecken
12 nachgeschaltetes Nachklärbecken 13 mit einem Ablauf 16 für gereinigtes Abwasser
zum Vorfluter auf. Das Nachklärbecken 13 weist eine Schlammrückleitung 14 zum Behandlungsbecken
11 sowie zur Ableitung von Überschußschlamm eine Schlammableitung 15, die mit der
Schlammableitung 5 der ersten Stufe 1 in Verbindung steht, auf. Außer der Schlammrückleitung
14 und dem Ablauf 9 des Zwischenklärbeckens 3 der ersten Stufe 1 ist an das erste
Behandlungsbecken 11 der zweiten Stufe 10 eine Leitung 20 mit zwischengeschalteter
Pumpe zur internen Rückführung von Mischwasser aus dem Belebungsbecken 12 sowie
eine Zuleitung 21 für als Kohlenstoffgüelle dienenden Abwasserschlamm angeschlossen.
Zur Ableitung von gasförmigem Stickstoff dient eine Abzugsleitung 19, sofern kein
offenes Becken eingesetzt wird. Das Belebungsbecken 12 weist dagegen wie das Belüftungsbecken
2 der ersten Stufe 1 eine Gaszuleitung 17 für die Zufuhr eines sauerstoffreichen
Gases sowie eine Gasableitung 18 für verbrauchtes Abgas auf.
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Regeleinrichtungen zur Regelung der Gaszu- und Gasableitung entsprechend
dem Sauerstoffverbrauch der Mikroorganismen sowie Gaseintragssysteme und Mischeinrichtungen
sind bei den Belüftungs- und Belebungsbecken der beiden Stufen 1 und 10 der Ubersichtlichkeit
wegen und, da diese in ihren unterschiedlichen Ausführungen hinlänglich bekannt
sind und die Erfindung sich nicht auf sie bezieht, nicht dargestellt.
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Als sauerstoffreiches Gas wird dem Belüftungs- bzw. Belebungsbecken
der beiden Stufen 1, 10 vorzugsweise ein mindestens 50 Vol-% Sauerstoff enthaltendes
Gas zugeführt.
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Anstelle der Verwendung von geschlossenen Belüftungs- und Belebungsbecken
mit der Zuleitung eines sauerstoffreichen Gases und geführter Abgasableitung besteht
darüber hinaus auch die Möglichkeit, die Belüftungs- und Be#lebungsbecken offen
a#uszuführen und konventionell mit Oberflächebelüftern oder Druckbelüftern zu belüften.
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Als Kohlenstoffquelle für die Denitrifikation wird im vorliegenden
Fall der aus beiden Stufen 1, 10 über die Schlammableitungen 5, 15 abgezogene biologische
Überschußschlamm verwendet. Dieser wird zur Volumenverringerung zunächst einer Eindickeinrichtung
22 zugeleitet. Der eingedickte Überschußschlamm wird dann in einer Einrichtung 23
zum thermischen, mechanischen oder chemischen Aufschließen weiterbehandelt, wobei
die im Schlamm enthaltene Biomasse weitgehend in gelöste organische Substanz umgewandelt
wird.
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Anschließend wird der aufgeschlossene Überschuß schlamm in einer Einrichtung
24 zur Ammoniakstrippung von Stickstoff befreit, und der so behandelte Überschuß
schlamm über die Leitung 21 dem Behandlungsbecken 11 der zweiten Stufe 10 zugeführt.
Der auf die vorstehend beschriebene Weise aufbereitete Überschuß schlamm ist dabei
ein so hoch konzentriertes organisches Substrat, daß die hydraulische Zusatzbelastung
des Behandlungsbeckens 11 gering bleibt. Gegenüber bekannten Verfahren, bei denen
ein Teil des der Abwasserreinigungsanlage zulaufenden Rohabwassers als Kohlenstoffquelle
für die denitrifizierenden Bakterien in das Behandlungsbecken der zweiten Stufe
eingeleitet wird, kann insgesamt eine Verringerung an Beckenvolumen erzielt werden.
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Eine Abwasserreinigungsanlage nach dem dargestellten Schema arbeitet
dabei so, daß in der ersten Stufe 1 belastungsabhängig ein weitgehender biologischer
Abbau der organischen Abwasserinhaltsstoffe stattfindet und ein Teil des Stickstoffs
durch Assimilation, d.h. durch Einbau in die Biomasse des Uberschußschlamms, eliminiert
wird. Im anoxischen Behandlungsbecken 11 der zweiten Stufe 10 wird das über die
Schlammrückle-itung 14 und den interen Kreislauf 20 zugeführte Nitra#t zu molekularem
Stickstoff reduziert und dabei annähernd im stöchiometrischen Maße organisches Substrat
oxidiert. Das organische Substrat entstammt der in Stufe 1 nicht abgebauten organischen
Fracht und dem über die Zuleitung 21 zugeführten aufbereiteten Abwasserschlamm.
Im Nitr#ifikationsbecken 12 wird unter aeroben Betriebsbedingungen die im Ablauf
der ersten Stufe 1 enthåltene-Stickstofffracht, die -praktisch unverändert das anoxische
Behändlungsbecken 11 durchläuft, zu Nitrat oxidiert. Aufgrund der für die Nitrifikation
zwangsläufig schwachen organischen Belastung wird im Nitrifikationsbecken 12 außerdem
die im anoxischen Behandlungsbecken 11 nicht verbrauchte organische Fracht biologisch
abgebaut. Die' in ~der Anlage erzielbare Gesamtstickstoffelimination hängt dabei
im wesentlichen vom Nitrifikationsgrad und der Höhe der Nitratrückführung über die
Leitungen 14 und 20 ab. Der Anteil an aufzschließendem Schlamm richtet sich nach
der zu reduzierenden Nitratfracht und dem Schlammaufsc#hlußgrad. Der nicht aufgeschlossene
Schlammanteil wird einer Schlammbehandlung zugeführt und dient somit der Ausschleusung
der mineralischen Schlammbestandteile.
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Nachfolgend ist ein Zahlenbeispiel für eine Abwasserreinigungsanlage
nach dem vorstehend beschriebenen Schema mit hochbelasteter erster Stufe und schwachbelasteter
zweiter-Stufe angegeben:
1. Hochbelastete erste Stufe Beschickung
mit einem Gemisch aus Tndustrie- und Kommunalabwasser.
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BSB5-Fracht: 3600 kg/d (667 mg/l) N-Fracht: 450 kg/d (83 mg/l) Schlammbelastung:
0,8 kg BSB5/kg TSvd BSB5-Elimination: 80 % spez. Uberschußshhlartitproduktion: 0,8
kg TS/kg BSB5 abgebaut Überschußschlammanfall: 2304 kg TS/d Glühverlust: 60 % organischer
Überschußschlammanfall: 1382 kg/d N-Gehalt des Überschußschlarrrns: 171 kg/d N-Elimination
durch Assimilation: 38 % 2. Schwachbelastete zweite Stufe N-Zulauf zur zweiten Stufe:
279 kg/d Nitrifikationsgrad: 90 % Anfall an NO3-N: 251 kg/d NitratrUckführnng ins
Denitrifikationsbecken: 80 % zu denitrifizierende NO3-N-Fracht: 201 kg/d CSB-Bedarf
(biologisch abbaubare CSB) für die Denitrifikation: 575 kg/d 3. Denitrifikation
mit Abwasserschlamm CSB-Gehalt des Überschußschlammes: 1962 kg/d Nach Aufschluß,
NH3-Strippung, sind davon biologisch abbaubar: 50 % Biologisch abbaubarer CSB«;ehalt
des Über- 981 kg/d schußschlaitrt#s: Davon werden für die Denitrifikation 575 kg/d(59%)
benötig Daraus folgt: 59 % des anfallenden Überschußschlammes müssen für die Dentrifikation
aufgeschlossen werden.
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Folgende Einflußfaktoren wurden im vorstehenden Zahlenbeispiel der
Einfachheit halber nicht berücksichtigt: - die Rückbelastung der zweiten Stufe mit
Stickstoff durch den nicht gestrippten N-Anteil des Schlammes - die Denitrifikationskapazität
des in der ersten Stufe nicht abgebauten BSB5 (bzw. CSB) Beide Einflüsse könnten
sich im Idealfall gegenseitig aufheben.
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Außerdem beinhaltet das Zahlenbeispiel für einige Parameter Annahmewerte,
die je nach Abwasserbeschaffenheit und Betriebsbedingungen stark streuen könne#n,
z.B. spezifischer Überschußschlammanfall, Glühverlust, assimilative Stickstoffelimination,
wodurch die Bemessungen im Einzelfall geändert werden müssen.
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Bei der Einbeziehung von Primärschlamm in den Schlammaufschluß würde
sich der Anteil an aufzuschließendem Überschuß schlamm entsprechend dem Beitrag
des Primärschlammes zum biologisch abbaubarem CSB vermindern.