DE3411278C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen des Ammoniak- und/oder Nitratgehaltes von Wässern (Oberflächengewässer, unterirdische Gewässer, Abwässer). Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zur Entfernung des Ammoniaks aus Abwässern sind verschiedene Methoden in Gebrauch. Man kennt sowohl physikalische (Belüftung), physikalisch-chemische (Ionenaustausch) wie auch biologische (Nitrifikation) Methoden. Die Belüftungsmethode hat den Nachteil, wegen des mehrtausendfachen Verhältnisses von Luft zu Wasser außerordentlich energieaufwendig zu sein. Auch ist das Verfahren frostempfindlich und daher nur für bestimmte Klimaverhältnisse geeignet. Nachteilig ist schließlich noch, daß das Wasser seinen Ammoniakgehalt an die Luft abgibt, d. h. aus der Wasserverschmutzung eine Luftverschmutzung wird. Die Rückgewinnung des Ammoniaks (Trulsson, S. G.: Ammonia recovery from wastewaters, J. WPCF, Bd. 51, Nr. 10, 1979) erhöht die Kosten noch weiter. Die biologische Nitrifikation hat demgegenüber den Vorteil, daß der Ammoniak des Abwassers zu Nitrat umgesetzt wird, d. h. der Ammoniakgehalt tatsächlich beseitigt (nicht einfach in ein anderes Medium übertragen) wird. Das Endprodukt Nitrat ist jedoch ebenfalls kein wünschenswerter Bestandteil der freien Gewässer, weil es zu sekundären Verunreinigungen führt.

Aus freien Gewässern und aus Trinkwasser wird in der letzten Zeit der Ammoniak auch mit Zeolith beziehungsweise einer Zeolithart, dem Klinoptilolith, entfernt. Das Verfahren beruht auf den selektiven Ionenaustauscheigenschaften des Klinoptiloliths (Jorgensen, S. E.: Equilibrium and capacity data of clinoptilolite; Water Research, Bd. 13, Nr. 2, 1979). Problematisch dabei ist, daß bei der Regenerierung des Ionenaustauschers verhältnismäßig große Mengen einer konzentrierten Ammoniaklösung anfallen, deren Behandlung und Entsorgung umständlich ist. Über die Möglichkeit, mit nitrifizierenden Bakterien zu regenerieren, ist bei Semmens, M. J.: Nitrogen removal by ion exchange: biological regeneration of clinoptilolie (J. WPCF, Bd. 49, Nr. 12, 1977) nachzulesen.

Eine bekannte physikalisch-chemische Methode zur Entfernung des Ammoniaks aus Trinkwasser ist das Chlorieren mit anschließender Adsorption an Aktivkohle. Die Methode wird vorteilhaft zur Behandlung von viel organische Verbindungen (z. B. Huminsäure) enthaltenden angewendet, weil die Aktivkohle auch diese adsorbiert. Die Reaktionskinetik der Reaktion ist von Kim, B. R., in: Removal of dichloramine and ammonia by granular carbon (J. WPCF, Bd. 50, Nr. 1, 1980) beschrieben worden. Der Nachteil der Methode besteht in den hohen Betriebskosten, weil zur Umsetzung des Ammoniaks zu Chloramin etwa die zehnfache Menge Chlor eingesetzt werden muß.

Das zur Entfernung von Nitrat aus Abwässern am häufigsten angewendete Verfahren ist die biologische Denitrifikation. Sie hat den Vorteil, billig und einfach ausführbar zu sein. Verwendet man eine unter gesundheitlichem Aspekt unschädliche Kohlenstoffquelle, so ist das Verfahren auch für Trinkwasser geeignet. Nachteilig an dem Verfahren ist, daß die Entfernung des Nitrats von Bakterien, und zwar unter anaeroben Bedingungen. Unter diesen Bedingungen muß jedoch verstärkt mit dem Erscheinen von starke Gifte auscheidenden pathogenen Bakterien gerechnet werden.

Nach einem weiteren bekannten Verfahren schließlich wird das Nitrat aus dem Trinkwasser mit selektiven Ionenaustauschern entfernt. Die meisten der Ionenaustauscher auf Kunstharzbasis müssen jedoch aus Gründen der Hygiene beanstandet werden. Es verursacht Schwierigkeiten, daß die Selektivität der Harze nicht eindeutig ist, zum Beispiel ist das Verfahren im Falle von stark sulfathaltigen Wässern sehr teuer (Scholze, C.: Die Nitratelimination in der Trinkwasseraufbereitung, Acta Hydrochim. Hydrobiol., Bd. 6, Nr. 5, 1978). Die im Chloridzyklus arbeitenden Verfahren erhöhen den Chloridgehalt des Wassers in unerwünschter Weise. Schließlich verursachen auch die Regenerierung sowie die Behandlung und Ablagerung der dabei anfallenden Lösungen große Schwierigkeiten.

Es ist bekannt, daß der Nitratgehalt von Wässern auch durch Umkehrosmose entfernt werden kann. Das Verfahren ist für die Praxis zu energieaufwendig und zu teuer. Außerdem ist unter den dominierenden Ionen der Wirkungsgrad der Elimination gerade für Nitrat am geringsten. Die Anwendung dieses Verfahrens kann nur für spezielle Zwecke in Frage kommen.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu finden, das bei kleineren Investitions- und Betriebskosten die Entfernung von Nitrat und/oder Ammoniak mit einem besseren Wirkungsgrad ermöglicht, keine schädlichen organischen Stoffe zum Verbraucher gelangen läßt und in einer einfachen Vorrichtung ausgeführt werden kann.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die für Menschen nicht pathogene Pilze niederer Ordnung (im folgenden: Pilze) den Ammoniak- und/oder Nitratgehalt des Wassers in ihre Zellen einbauen, ferner, daß die Pilzkultur den Ammoniak- und/oder Nitratgehalt in um mehr als eine Größenordnung kürzerer Zeit entfernt als die Bakterienkultur, d. h. das Verfahren viel effektiver ist als die bekannten biologischen Verfahren.

Auf Grund dieser Erkenntnis wurde die gestellte Aufgabe im Falle von Oberflächengewässern und unterirdischen Gewässern erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, dessen Wesen darin besteht, daß man in einen mit körnigen Teilchen gefüllten biologischen Reaktor eine für Menschen apathogene Pilzkultur (z. B. Aspergillus niger, Aspergillus oryce) einbringt und dort unter Gewährleistung der unentbehrlichen Nährstoffe (z. B. Kohlenstoff, Phosphor) unter aeroben Bedingungen hält. Das zu reinigende, Ammoniak und/oder Nitrat enthaltende Oberflächen- oder Grundwasser wird notwendigenfalls durch Absetzen vorgereinigt und dann durch den biologischen Reaktor geleitet. Der Schwebestoffgehalt des von Ammoniak und/oder Nitrat befreiten Wassers wird in einem Nachabscheider und einem Filter entfernt, die gelösten organischen Verbindungen werden an Aktivkohle adsorbiert, und das gereinigte Wasser wird desinfiziert (zum Beispiel chloriert).

Das Wesen des für die Entfernung des Ammoniak- und/ oder Nitratgehaltes von Abwässern (rohen und gereinigten) ausgearbeiteten Verfahrens besteht darin, daß man in den mit körnigen Teilchen gefüllten biologischen Reaktor eine für den Menschen apathogene Pilzkultur einbringt und die Pilze dort unter aeroben Bedingungen hält. Das zu reinigende Abwasser wird notwendigerweise durch Absetzen vorgereinigt und dann durch den biologischen Reaktor geleitet. Der Schwebestoffgehalt des von Ammoniak und/oder Nitrat befreiten Abwassers wird in einem Nachabscheider entfernt, und das Wasser wird notwendigenfalls desinfiziert.

Das Wesen der zur Entfernung des Ammoniak- und/oder Nitratgehaltes von unterirdischen Wässern (Grundwasser und Tiefwasser) dienenden Vorrichtung besteht darin, daß sie eine Chemikaliendosiereinrichtung, einen mit körnigen Teilchen gefüllten, einen Siebboden aufweisenden biologischen Reaktor, eine Chlorgasdosiervorrichtung, eine weitere Chemikaliendosiereinrichtung, einen Flockulator, einen Nachabscheider, einen Aktivkohleadsorber und eine Desinfektionsanlage aufweist.

Das Wesen der zur Entfernung des Ammoniak- und/oder Nitratgehaltes von Oberflächenwässern dienenden Vorrichtung ist, daß sie über Vorabscheider, eine Chemikaliendosiereinrichtung, einen körnige Teilchen enthaltenden, mit einem Siebboden versehenen biologischen Reaktor, eine Chlorgasdosiervorrichtung, eine weitere Chemikaliendosiervorrichtung, einen Flockulator, einen Nachabscheider, ein Filter, einen Aktivkohleadsorber und eine Desinfektionsanlage aufweist.

Das Wesen der zur Entfernung des Ammoniak- und/oder Nitratgehaltes von Abwässern dienenden Vorrichtung besteht darin, daß sie einen körnige Teilchen enthaltenden, mit einem Siebboden ausgerüsteten biologischen Reaktor, einen Abscheider und eine Chlorierungsanlage aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der Fig. 1 mit Hilfe von Beispielen näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt den Ablauf des technologischen Prozesses.

Beispiel 1 Entfernung des Ammoniak- und/oder Nitratgehaltes von Oberflächenwässern

Der Schwebstoffgehalt des Wassers wird im Vorabscheider 1 abgetrennt. Mittels der Chemikaliendosieranlage 2 werden die für die Lebensfunktionen der Pilze erforderlichen Nährstoffe (Kohlenstoffquelle, Phosphor- und Calciumsalze) zugesetzt, dann wird das Wasser in den Reaktor 3 geleitet. Dieser ist ein geschlossener zylindrischer Behälter, in den das Wasser von unten eingeleitet wird. Unten wird ferner der für die Lebensfunktionen der Pilze erforderliche Sauerstoff in Form von Luft eingeleitet. Auf den Füllkörperteilchen wurden, bevor diese in den Reaktor gelangten, zur Entfernung des Ammoniaks und/oder Nitrats befähigte Pilze in entsprechender Menge gezüchtet. Luft und Wasser treten durch im Reaktor 3 angeordnete Filterkerzen aus dem Reaktor aus. Die überschüssige Luft wird am oberen Ende des Reaktors abgenommen, desgleichen wird von dort das gereinigte Wasser weggeleitet. Zur Entfernung von wegschwimmenden Pilzen wird das Wasser mittels der Chemikaliendosieranlage 5 mit Chemikalien (z. B. Aluminiumsulfat, Eisenchlorid) behandelt, in den Flockulator 6 weitergeleitet und dort durch langsames Rühren der Niederschlag ausgeflockt. Die entstehenden Pilzflocken setzen sich im Nachabscheider 7 ab. Zum Zurückhalten von eventuell den Nachabscheider 7 verlassenden Flocken dient das Sicherheitsfilter 8. Durch dieses strömt das Wasser von oben nach unten. Notwendigerweise kann das Filter - zur Erhöhung der Kapazität - als Zweischichtenfilter ausgebildet werden. In günstigen Fällen werden der Flockulator 6 und der Nachabscheider 7 nicht gebraucht, in diesem Falle verläuft im Sandfilter eine Rapidkoagulation. Falls notwendig, wird der Rest der organischen Stoffe in den Aktivkohleadsorber 9 entfernt. Das auf die beschriebene Weise behandelte Wasser wird nach Desinfektion mittels der Chlordosiervorrichtung 10 zum Verbraucher geleitet.

Beispiel 2 Entfernung des Ammoniak- und/oder Nitratgehaltes von unterirdischen Gewässern (Grundwasser und Tiefwasser)

Die unterirdischen Gewässer enthalten im allgemeinen keine Schwebestoffe, deshalb ist der Vorabscheider nicht erforderlich. Im übrigen wird das Wasser auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise behandelt.

Beispiel 3 Entfernung von Ammoniak und/oder Nitrat aus Abwässern

Nur rohes Abwasser wird vorbehandelt. Biologisch bereits gereinigtes Abwasser kann sofort in den Reaktor 3 geleitet werden. Nährstoffe werden nicht zugesetzt, weil im Abwasser zureichende Mengen an Kohlenstoff- und Phosphorquellen enthalten sind. Die Chloreinleitungsvorrichtung 4, der Flockulator 6, das Filter 8 und der Aktivkohleadsorber 9 werden nicht gebraucht. Das aus dem Reaktor 3 austretende Wasser gelangt sofort in den Nachabscheider 7, wird dann mittels der Chlordosiervorrichtung 10 desinfiziert und in das Sammelbecken geleitet.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Vorrichtung wird an Hand von Fig. 1 näher erläutert. Bei der im folgenden beschriebenen Ausführungsform handelt es sich um eine hier als Beispiel dienende Möglichkeit der Ausführung.

Zur Entfernung der Schwebstoffe weist die Vorrichtung einen senkrecht durchströmten, mit Prallplatten ausgerüsteten Vorabscheider 1 des Systems Dortmund auf. Die Chemikaliendosieranlage 2 ist mit einer Membranpumpe veränderlicher Leistung versehen. Der biologische Reaktor 3 ist ein zylindrischer geschlossener Behälter, dessen oberer und unterer Boden gewölbt ausgebildet ist. An den Böden sind die zum Ein- und Ableiten der Luft und des Wassers erforderlichen Rohrstutzen angebracht.

Der Reaktor enthält eine mit Filterkerzen bestückte, zu 5-6% durchbrochene Bodenplatte. Das als Träger der Pilze fungierende Füllmaterial hat eine Teilchengröße von 4-6 mm und ist in einer 0,8-1,5 m dicken Schicht angeordnet. Als Träger kommen natürliche oder synthetische aktive Träger (z. B. zeolithhaltiges Gestein) in Frage. Die Vorrichtung weist ferner eine Chlorgasdosiervorrichtung veränderlicher Leistung (zum Beispiel Typ ADVENCE), eine Chemikaliendosiervorrichtung 5, einen für 15-20 Minuten Verweilzeit dimensionierten, mit einem langsamen Rührer versehenen Flockulator 6, einen Nachabscheider, ebenfalls System Dortmund, mit Platteneinsätzen, senkrecht durchströmt, und ein Filter 8 auf. Das Filter 8 ist ein offener oder geschlossener zylindrischer Behälter mit gewölbtem Boden; oben und unten sind Anschlußstutzen vorgesehen. Der Behälter enthält eine mit Filterkerzen bestückte, zu 5-6% durchbrochene Bodenplatte. Die Füllung des Filters ist Filtersand in ein oder zwei Schichten, mit einer Teilchengröße von 0,8-1,2 beziehungsweise 1-2 mm, die nächste Schicht ist Steinkohle der Teilchengröße 2-3 beziehungsweise 3-5 mm. Die Gesamtdicke beträgt 1,5 m (1 m Sand und 0,5 m Kohle). An das Filter 8 schließt sich ein ebenso wie dieses aufgebauter, zweckmäßig mit Filtrasorb gefüllter Aktivkohleadsorber 9 an. Schließlich besitzt die Vorrichtung noch eine Chlorgasdosiervorrichtung 10 veränderlicher Leistung, zweckmäßig Typ ADVANCE.

Die Effektivität des Verfahrens wurde mit einer auf dem erfindungsgemäßen Prinzip beruhenden Laborvorrichtung unter Verwendung von Klinoptilolith geprüft. In einem Modellversuch wurde die Restkonzentration an Nitrat als Funktion der im biologischen Reaktor eingehaltenen Verweilzeit bestimmt. Dabei wurde folgendes Ergebnis erhalten.

Verweilzeit (min)
Nitratrestkonzentration (mg/l)
12
227
30	180
70	80
80	30

Für die gegebene Anfangskonzentration an Nitrat ist demnach eine Verweilzeit von 1½ Stunden erforderlich, um die Nitratkonzentration unter den Grenzwert der Zulässigkeit zu drücken.

Ferner wurde untersucht, in welchem Maße die anfängliche Nitratkonzentration die Effektivität der Entfernung beeinflußt. Damit die Menge des Restnitrates auch im Falle niedriger Konzentrationen gemessen werden kann, wurde eine Durchflußzeit von 20 Minuten eingehalten. Man erhielt folgende Ergebnisse.

Anfangskonzentration an Nitrat (mg/l)
Restkonzentration an Nitrat (mg/l)
360
187
214	97
143	55
72	20

In Ungarn liegt die Nitratkonzentration des Wassers für die Trinkwasseraufbereitung im allgemeinen um 150 mg/l, d. h., mittels 30-40 Minuten Verweilzeit im biologischen Reaktor kann die Nitratkonzentration auf einen zulässigen Wert vermindert werden.

Die Ergebnisse wurden mit den Ergebnissen der in Dörtendorf (DDR) arbeitenden biologischen Denitrifikationsstation verglichen. In dieser Station wird das Nitrat mit Bakterien unter anaeroben Bedingungen denitrifiziert. Bei Ausgangskonzentrationen von 44-130 mg/l Nitrat sind zur 95%igen Entfernung des Nitrates Verweilzeiten von 50-1000 Minuten erforderlich (Dr. Lajos Bulkay, Cyörgy Mucsy: Beszámoló jelent´s NDK-beli konzultációról ´s tanulmányutról, VITUKI, 1979 (= Bericht über die Konsultationen und über die Studienreise in die DDR). Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im Falle einer dreimal so großen Ausgangskonzentration an Nitrat zu dessen 95%iger Entfernung nur Verweilzeiten von 90 Minuten erforderlich.

Versuchsergebnisse zeigen, daß das erfindungsgemäß zusammengestellte biologische Filter auch im Falle größerer Nitratkonzentrationen als die untersuchten effektiv ist. Die Kapazität des Filters hängt von der Verweilzeit und der anfänglichen Nitratkonzentration ab.

Das in Ungarn der Trinkwasseraufbereitung zugeführte Wasser enthält im allgemeinen höchstens 10 mg/l Ammoniak. Folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen der Verweilzeit und dem Restammoniakgehalt.

Verweilzeit (min)
Restkonzentration an Ammoniak (mg/l)
13
0,70
28	0,20
53	0,05
96	0,00

Diese Daten zeigen, daß bei einer Verweilzeit von 13 Minuten der Ammoniakgehalt des Wassers unter die zulässige Höchstgrenze (1 mg/l) absinkt.

Die Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden:

• - Verglichen mit anderen Verfahren ist die Kapazität zum Entfernen von Ammoniak und/oder Nitrat groß, d. h., innerhalb kurzer Einwirkungszeit können große Mengen Ammoniak und/oder Nitrat entfernt werden;
• - die Betriebskosten sind gering;
• - die Entfernung des Ammoniaks und/oder Nitrats erfolgt unter aeroben Bedingungen, d. h., es entstehen keine gesundheitsschädlichen, reduzierten organischen Stoffe;
• - der Überschuß der im Reaktor wachsenden Pilze kann zum Beispiel in der Tierzucht als Eiweißquelle verwendet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Entfernung von Ammoniak und/oder Nitrat aus Oberflächengewässeren und unterirdischen Gewässern, dadurch gekennzeichnet, daß man in einen mit körnigen Teilchen gefüllten Reaktor (3) eine Kultur von für Menschen apathogenen Pilzen niederer Ordnung (zum Beispiel Aspergillus niger, Aspergillus oryze) einbringt und dort unter Gewährleistung der unentbehrlichen Nährstoffe (z. B. Kohlenstoff, Phosphor) unter aeroben Bedingungen hält, das zu reinigende Wasser notwendigenfalls nach Vorreinigung in einem Absetzbehälter (1) durch den biologischen Reaktor (3) leitet, den Schwebstoffgehalt des Wassers in einem Abscheider (7) und einem Filter (8) und die gelösten organischen Stoffe in einem Aktivkohleadsorber (9) entfernt und das gereinigte Wasser desinfiziert (zum Beispiel chlort).

2. Verfahren zur Entfernung von Ammoniak und/oder Nitrat aus Abwässern (rohen und gereinigten), dadurch gekennzeichnet, daß man in einen mit körnigen Teilchen gefüllten biologischen Reaktor (3) eine Kultur von für Menschen apathogenen Pilzen niederer Ordnung einbringt und unter aeroben Bedingungen hält, das zu reinigende Wasser notwendigerweise in einem Vorabscheider (1) durch Absetzen reinigt, dann durch den biologischen Reaktor (3) leitet und anschließend den Schwebestoffgehalt in einem Abscheider (7) entfernt und das Wasser notwendigenfalls desinfiziert.

3. Vorrichtung zur Entfernung des Ammoniak- und/oder Nitratgehaltes von Oberflächenwässern, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Vorabscheider (1), eine Chemikaliendosieranlage (2), einen mit körnigen Teilchen gefüllten, mit einem Siebboden versehenen biologischen Reaktor (3), eine Chlorgasdosiervorrichtung (4), eine weitere Chemikaliendosieranlage (5), einen Flockulator (6), einen Nachabscheider (7), ein Filter (8), einen Aktivkohleadsorber (9) und eine Desinfizierstation (z. B. Chlordosiervorrichtung) (10) aufweist.

4. Vorrichtung zur Entfernung des Ammoniak- und/oder Nitratgehaltes von unterirdischen Gewässern (Grundwasser und Tiefwasser), dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Chemikaliendosiervorrichtung (2), einen mit körnigen Teilchen gefüllten, mit einem Siebboden versehenen biologischen Reaktor (3), eine Chlorgasdosiervorrichtung (4), eine weitere Chemikaliendosiervorrichtung (5), einen Flockulator (6), einen Abscheider (7), ein Filter (8), einen Aktivkohleadsorber (9) und eine Desinfizierstation (z. B. Chlordosiervorrichtung) (10) aufweist.

5. Vorrichtung zur Entfernung des Ammoniak- und/oder Nitratgehaltes von Abwässern, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mit körnigen Teilchen gefüllten, mit einem Siebboden versehenen biologischen Reaktor (3), einen Abscheider (7) und eine Desinfizierstation (zum Beispiel Chlordosiervorrichtung) (10) aufweist.