DE3150140A1 - Verfahren und vorrichtung zur biologischen reinigung von abwasser - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur biologischen reinigung von abwasser

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Manfred Dipl.-Chem. Dr. 8035 Gauting Morper
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/30Aerobic and anaerobic processes
    • C02F3/302Nitrification and denitrification treatment

Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur biologischen
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Denitrifikation in Anwesenheit von Abwasserschlamm als Reduktionsmittel durchgeführt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Aufschluß des Abwasserschlamms kann thermisch, mechanisch oder chemisch durchgeführt werden, wobei auch Kombinationen von verschiedenen Auf schlußverfähren möglich sind.
  • Als Beispiele für die verschiedenen Aufschlußverfahren kommen die Schlammerhitzung, die -Schlammbehandlung mittels Ultraschall sowie die Zugabe von Laugen oder Säuren in Frage.
  • 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.
  • Atmosphäre abgegeben, verbrannt oder in Mineralsäure absorbiert werden, wobei als Kunstdünger einsetzbare Ammoniumsalze gewonnen werden können.
  • 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.
  • 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.
  • Nur beispielhaft seien noch Abwasserreinigungsanlagen mit Einschlammsystemen mit vor oder nachgeschalteter Denitrifikation oder auch mit Dreischlammsystemen mit nachgeschalteter Denitrifikation erwähnt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Als sauerstoffreiches Gas wird dem Belüftungs- bzw. Belebungsbecken der beiden Stufen 1, 10 vorzugsweise ein mindestens 50 Vol-% Sauerstoff enthaltendes Gas zugeführt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser, bei dem das Abwasser unter anderem auch denitrifiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Denitrifikation in Anwesenheit von Abwasserschlamm als Reduktionsmittel durchgeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abwasserschlamm der bei dem Abwasserreinigungsverfahren anfallende Primärschlamm und/oder Faulschlaem und/oder Überschußschlamm verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abwasserschlamm vor Verwendung bei der Denitrifikation aufgeschlossen wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufschluß des Abwasserschlamms thermisch und/oder mechanisch und/oder chemisch durchgeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Abwasserschlamm vor Verwendung bei der Denitrifikation Stickstoff entfernt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gek#ennzeichnet, daß die Stickstoffentfernung als Ammoniakstrippung im alkalischen Milieu durchgeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, da3 das gestrippte Ammoniak an die-Atmosphäre abgegeben; verbrannt oder in Mineralsäure absorbiert wird.
  8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Denitrifikationseinrichtung für Abwasser, dadurch gekennzeichnet, daß die Denitrifikationseinrichtung eine Zuteileinrichtung (21) für Abwasserschlamm als Reduktionsmittel aufweist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuteileinrichtung (21) für Abwasserschlamm eine Einrichtung (23) zum Aufschließen von Abwasserschlamm und gegebenenfalls eine Einrichtung (24) zur Ammoniakstrippung vorgeschaltet ist.
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