DE3534957C2

DE3534957C2 -

Info

Publication number: DE3534957C2
Application number: DE19853534957
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr.-Ing. Diering; Andreas Dipl.-Ing. 5100 Aachen De Diering
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-10-01
Filing date: 1985-10-01
Publication date: 1988-12-22
Also published as: DE3534957A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Reinigung von nitratbeladenem Rohtrinkwasser, welches mit Zugabe von bei der Trinkwasserreinigung üblichen Dosierungssubstanzen in die Denitrifikationsstufe eingeführt wird, wobei außerdem Rückführschlamm aus der Nachklärstufe in die Denitrifikationsstufe eingeführt werden kann.

Verfahren zur Denitrifikation von Rohtrinkwasser sowie Verfahren der Abwasserreinigung sind unterschiedlichen technischen Bereichen zuzuordnen, nämlich der Lebensmitteltechnik einerseits, der Abwasser- und Umwelttechnik andererseits. Zum Thema Nitratentfernung bei der Trinkwasseraufbereitung wird auf die Veröffentlichung der Deutschen Forschungsgemeinschaft "Nitrat-Nitrit-Nitrosamine in Gewässern", Mitteilung III der Kommission für Wasserforschung in Verbindung mit der Kommission zur Prüfung von Lebensmittelzusatz- und Inhaltsstoffen, bearbeitet von Fidelis Selenka, Verlag Chemie, 1982, S. 198 bis 215 verwiesen.

Bei der Abwasserreinigung sind kombinierte Nitrifikations- und Denitrifikationsanlagen bekannt (gwf-wasser-abwasser, 1982, S. 240 bis 246). Dabei steht die Oxidation von Ammonium zu Nitrat - also die Nitrifikation - an erster Stelle. Erst nach dem Erreichen einer stabilen Nitrifikation ist die Denitrifikation von Abwasser möglich. Die Zuführung von Nitrat zum Denitrifikationsbecken erfolgt über einen Rücklauf vom Sedimentationsbecken. In einem eigens angelegten Nitrifikationsbecken findet eine mikrobielle Oxidation von Ammonium statt. Entsprechend sind die Verfahrensparameter eingestellt. Das läßt sich auf die Reinigung von nitratbeladenem Rohtrinkwasser nicht übertragen.

Ausgehend von der Literaturstelle "gwf - wasser/abwasser", 1982, Nr. 5, S. 240-246, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das aus der Technologie der Abwasserreinigung bekannte Verfahren so zu führen, daß nitratbeladenes Rohtrinkwasser zu einwandfrei denitrifiziertem Reinwasser gereinigt werden kann, welches einer aufwendigen Nachreinigung nicht bedarf, wenn auch eine übliche Trinkwasserverbesserung, z. B. Chlorierung, angeschlossen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung die Anwendung des Verfahrens der biologischen Reinigung von Rohwasser, bei dem das Rohwasser unmittelbar in eine Denitrifikationsstufe mit hoher Biomassedichte sowie danach ohne Zwischenklärung in eine Nachbehandlungsstufe mit Belüftungseinrichtung für eine aerobe Nachbehandlung überführt und im Anschluß daran in eine Nachklärstufe eingeführt wird, bei dem fernerhin Rückführschlamm aus der Nachklärstufe in die Denitrifikationsstufe eingeführt wird, auf die Reinigung von nitratbeladenem Rohtrinkwasser, welches mit Zugabe von bei der Trinkwasserreinigung üblichen Dosierungssubstanzen in die Denitrifikationsstufe eingeführt wird, mit der Maßgabe, daß sowohl in der anoxisch betriebenen Denitrifikationsstufe als auch in der Nachbehandlungsstufe mit einer in Ringbecken kreisenden Pfropfenströmung gearbeitet sowie das Gemisch aus der Denitrifikationsstufe über eine Biomasserückhalteeinrichtung in die Nachbehandlungsstufe eingeführt sowie dadurch in der Denitrifikationsstufe eine Biomassedichte von 4 bis 15 kg TS/m³ aufrechterhalten wird.

Eine Anlage zur Durchführung der Anwendung nach Anspruch 1 ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß erfindungsgemäß ein einwandfrei denitrifiziertes Reinwasser erhalten wird, welches einer aufwendigen Nachreinigung nicht mehr bedarf. Eine übliche Wasseraufbereitung kann angeschlossen werden. Von besonderem Vorteil ist fernerhin, daß für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer sehr einfachen Anlage gearbeitet werden kann.

Im folgenden werden die Erfindung und die erreichten Vorteile anhand eines Ausführungsbeispiels ausführlicher erläutert.

Das Ausführungsbeispiel beschreibt eine Anlage zur biologischen Denitrifikation (Elimination von Nitrat) von nitratbelastetem Grundwasser, das für die Trinkwasserversorgung aufbereitet wird. Das Wasserwerk versorgt eine Kommune mit einem durchschnittlichen täglichen Wasserbedarf von 8 500 - 10 000 m³/d. Der stündliche Wasserdurchsatz der Anlage beträgt 400 m³/h.

Das Rohwasser ist frei von Feststoffen und hat eine Nitratkonzentration von 133 g NO₃/m³, entsprechend einer Nitratstickstoffkonzentration von

30 g NO₃-N/m³.

Das Nitrat wird weitgehend in der Anlage eliminiert. Das denitrifizierte Rohwasser hat einen Nitratgehalt von 13 g NO₃/m³, entsprechend 3 g NO₃-N/m³.

Das System der Gesamtanlage ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Fig. 2 zeigt die Denitrifikationsanlage - das Denitrifikationsbecken, das aerobe Nachbehandlungsbecken und das Nachklärbecken - im Detail.

Das aus dem Grundwasserbrunnen gepumpte Rohwasser (Fig. 1) passiert im Zulauf (1) zunächst eine Meßstelle (2). Neben der Wassermenge sowie den üblicherweise gemessenen Parametern werden hier mit On-Line-Meßverfahren folgende für das weitere Verfahren wichtigen Wasserkennwerte bestimmt:

- pH-Wert
- Trübung
- Färbung
- NO₃-Konzentration.

Die Meßwerte werden über EDV erfaßt sowie zu Steuerimpulsen weiterverarbeitet und regeln die einzelnen Dosierungselemente der Dosierstelle (3).

Hier werden proportional zur Wassermenge je nach Zusammensetzung des Rohwassers 0,2-1 g Phosphor pro m³ Wasser zugegeben. Weiterhin werden dem aufzubereitenden Wasser bakteriell verwertbare, biologisch leicht zu oxidierende organische Verbindungen zugesetzt.

Hierfür kommen grundsätzlich in Frage:

- einfache Alkohole, wie Methanol und Ethanol,
- Kohlehydrate wie Glucose, Saccharose oder auch Melasse,
- Essigsäure oder deren Natriumsalz (Acetat),
- Methan, Erdgas sowie
- Mischungen dieser Stoffe.

Im vorliegenden Fall erfolgt eine Zudosierung von Acetat. Die Acetatdosierung erfolgt frachtproportional. Pro kg Nitrat im Zulauf werden 0,95 kg CH₃COOH dosiert. Je nach Rohwasserbeschaffenheit kann diese Dosierung entsprechend variieren.

Das mit Nährstoffen beaufschlagte Rohwasser gelangt in die Denitrifikationsanlage 4 (siehe Fig. 2). Die Denitrifikationsanlage besteht aus zwei um das in der Mitte liegende Nachklärbecken konzentrisch angeordneten Belebungsbecken mit Pfropfenströmung (Plug-Flow). Eine Zwischenklärung des Wassers beim Übergang vom ersten zum zweiten Belebungsbecken findet nicht statt. Die Denitrifikationsanlage arbeitet als Einschlammsystem.

Die eigentliche Nitratelimination findet im äußeren Ringbecken, dem Denitrifikationsbecken (4.1) statt. Dieses Becken hat ein Volumen von 500 m³. Die mittlere Aufenthaltszeit beträgt 1,25 Stunden.

Die Stickstoffraumbelastung beträgt 0,6 kg NO₃-N/(m³ × d), die BSB₅-Raumbelastung 2,7 kg BSB₅/(m³ × d). Belebte Biomasse liegt in einer Konzentration von 4 kg TS/m³ vor. Die Schlammbelastungen betragen somit 0,15 kg NO₃-N/(kg TS × d) bzw. 0,675 kg BSB₅/(kg TS × d).

Das Milieu im Denitrifikationsbecken (4.1) ist anoxisch, d. h. Sauerstoff liegt nicht in gelöster sondern nur in gebundener Form als Nitratsauerstoff NO₃ vor.

Zur Umwälzung des Beckeninhalts sowie zur Aufrechterhaltung einer gerichteten Pfropfenströmung sind Propulsionselemente (4.4) über den Beckenumfang angeordnet, so daß die Umlaufgeschwindigkeit des Wassers größer als 25 cm/s ist.

Das Gemisch aus Wasser und Mikroorganismen fließt über das Überfallwehr (4.11) in das zweite Belebungsbecken, das Nachbehandlungsbecken (4.2). Am Überfallwehr (4.11) sind entgegen der Strömungsrichtung Parallelplattenabscheider angebracht, die mit dazu beitragen, eine hohe Biomassendichte von 4 kg TS/m³ bis zu 15 kg TS/m³ im Denitrifikationsbecken (4.1) zu gewährleisten.

Weiterhin kann über die Leitung (4.15) der Räumbrücke (4.6) bei Bedarf Rücklaufschlamm aus dem Nachklärbecken (4.3) in das Denitrifikationsbecken (4.1) gepumpt werden, im Ausführungsbeispiel wird er in die Rückführrinne (4.8) eingeführt. Die Fließrichtung des Rücklaufschlammes in der Rückführrinne (4.8) ist entgegengesetzt zur Laufrichtung der Räumbrücke (4.6). Die Ableitung des Rückführschlammes erfolgt über eine Strecke, die 9/10 oder mehr des Umfanges der Rückführrinne (4.8) ausmacht. Über den verbleibenden Teil der Umlaufstrecke der Räumbrücke (4.6) wird der geförderte Schlamm als Überschußschlamm in die Abziehrinne (4.9) eingeleitet. Arbeitet man in der beschriebenen Weise, so kann für den Rücklaufschlamm eine Laufzeit von 5 bis 10 Minuten eingerichtet werden, was einen gleitenden oder quasi kontinuierlichen Zufluß des Rückführschlammes in das Denitrifikationsbecken (4.1) hinein bedeutet. Die Sohle des Nachklärbeckens (4.3) ist zweckmäßigerweise eben ausgeführt, und zwar zur besseren Räumung des abgesetzten Schlammes.

Im Nachbehandlungsbecken (4.2) erfolgt ein starker O₂-Eintrag (0,95 kg O₂/ (m³ × d)) mit einer tiefliegenden Druckluftbelüftung (4.5).

Zur Unterstützung der Pfropfenströmung, zur Erhöhung der longitudinalen Sohlgeschwindigkeit sowie zur Erhöhung der Verweildauer der Luftbläschen im Wasser sind auch hier Propulsionselemente (4.12) eingebaut.

Anstelle einer Druckluftbelüftung mit Propulsionselementen bietet sich auch eine Oberflächenbelüftung z. B. mit Mammutrotoren etc. an, da hierdurch die Belüftung sowie der erforderliche Bewegungseintrag gleichzeitig durchgeführt werden. Durch die starke Turbulenz im Nachbehandlungsbecken (4.2) werden infolge der erhöhten Scherkräfte auf die belebte Flocke neue Grenzflächen zum Wasser geschaffen. Außerdem wird gasförmiger Stickstoff, der sich im Denitrifikationsbecken angelagert hat, ausgetrieben und kann somit nicht mehr den anschließenden Sedimentationsprozeß im Nachklärbecken (4.3) behindern.

Der verbleibende Rest an zudosiertem Acetat sowie Stoffwechselprodukte des Denitrifikationsprozesses werden unter aeroben Verhältnissen weitgehend abgebaut.

Über eine Dükerleitung (4.7) fließt das Wasser-Bakterien-Gemisch in das Verteilerbauwerk (4.14) des zentralen Nachklärbeckens (4.3). Die abgesetzte Biomasse (Überschuß- und Rücklaufschlamm) wird bei Bedarf über die Rinne (4.8) oder auch direkt als Rücklaufschlamm zur Erhöhung der Biomassenkonzentration in das Denitrifikationsbecken (4.1) eingeführt oder über die Abziehrinne (4.9) als Überschußschlamm aus dem System entfernt.

Das denitrifizierte Wasser fließt in die konzentrisch angeordnete Ablaufrinne (4.13) zum Ablauf (4.10). Die Ablaufrinne ist durch eine ebenfalls konzentrisch angeordnete Tauchwand gegen Schwimmschlammabtrieb geschützt. Eventuell auftretender Schwimmschlamm wird mit Skimmern abgeräumt und in die Überschußschlammrinne gepumpt. Zur weitergehenden Entnahme suspendierter Stoffe sowie zum weiteren Abbau eventuell vorhandener organischer Restverschmutzung ist hinter dem Ablauf der Nachklärung ein biologisch arbeitender Schnellfilter 8 (Fig. 1) angeordnet.

Das Filtermaterial besteht aus porösem Blähschiefer mit einer Körnung von 0,7-1,6 mm. Die Höhe der Filterschicht beträgt 1,5 m. Die Bruttofiltergeschwindigkeit (ohne Berücksichtigung der Rezirkulation) beträgt 10 m/h. Die mittlere Rezirkulationsrate liegt bei 100%. Die Rezirkulation dient der Vermeidung anaerober Zonen im Filter.

Hinter dem Schnellfilter (8) ist die Kontrollmessung (15) angeordnet. Zusätzlich zu den in Meßstelle (2) bestimmten Parametern wird hier außerdem der Gehalt an organischem Kohlenstoff bestimmt. Im Falle der Überschreitung vorgegebener Grenzkonzentrationen besteht die Möglichkeit, das Wasser wieder in den Zulauf vor die Meßstelle (2) zu pumpen (Leitung 16).

Das gereinigte denitrifizierte Wasser wird nach der Qualitätskontrolle zur weiteren Aufbereitung (9) geleitet und in das Wasserversorgungsnetz eingespeist (Fig. 1).

Die tägliche anfallende Überschußproduktion an Biomasse beträgt 500 kg TS. Der Überschußschlamm fällt mit einer TS-Konzentration von 0,8% entsprechend 62 m³/d im Nachklärbecken an. Der Überschußschlamm wird zunächst in dem statischen Eindicker (10) auf 3% TS- Gehalt und anschließend in der maschinellen Schlammentwässerung (11) auf 10%-40% TS-Gehalt eingedickt.

Der anfallende Schlamm ist frei von Schadstoffen jeglicher Art und wird als proteinhaltiger Rohstoff für die Futtermittelherstellung (12) weiterverarbeitet oder er wird einem Faulbehälter (13) zur Biogaserzeugung zugeführt und/oder nach entsprechender Stabilisierung z. B. mit Kalk landwirtschaftlich als Düngemittel verwendet.

Claims

1. Anwendung des Verfahrens der biologischen Reinigung von Rohwasser, bei dem das Rohwasser unmittelbar in eine Denitrifikationsstufe mit hoher Biomassedichte eingeführt sowie danach ohne Zwischenklärung in eine Nachbehandlungsstufe mit Belüftungseinrichtung für eine aerobe Nachbehandlung überführt und im Anschluß daran in eine Nachklärstufe eingeführt wird, bei dem fernerhin Rückführschlamm aus der Nachklärstufe in die Denitrifikationsstufe eingeführt wird, auf die Reinigung von nitratbeladenem Rohtrinkwasser, welches mit Zugabe von bei der Trinkwasserreinigung üblichen Dosierungssubstanzen in die Denitrifikationsstufe eingeführt wird, mit der Maßgabe, daß sowohl in der anoxisch betriebenen Denitrifikationsstufe als auch in der Nachbehandlungsstufe mit einer in Ringbecken kreisenden Pfropfenströmung gearbeitet sowie das Gemisch aus der Denitrifikationsstufe über eine Biomasserückhalteeinrichtung in die Nachbehandlungsstufe eingeführt sowie dadurch in der Denitrifikationsstufe eine Biomassedichte von 4 bis 15 kg TS/m³ aufrechterhalten wird.

2. Anlage für die Durchführung der Anwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges äußeres Denitrifikationsbecken (4.1) für die Denitrifikationsstufe sowie ein ringförmiges inneres Nachbehandlungsbecken (4.2) mit Belüftungseinrichtung (4.5) für die Nachbehandlungsstufe konzentrisch zueinander und um ein zentrales Nachklärbecken (4.3) der Nachklärstufe angeordnet sind, wobei das Denitrifikationsbecken (4.1) sowie das Nachbehandlungsbecken (4.2) Propulsionseinrichtungen (4.4 bzw. 4.12) für die Erzeugung und Aufrechterhaltung der Pfropfenströmung aufweisen, daß die Überführung der Mischung aus behandeltem Wasser und Mikroorganismen aus dem Denitrifikationsbecken (4.1) in das Nachbehandlungsbecken (4.2) über ein Überlaufwehr (4.11) mit Parallelplattenabscheider für die Biomassenrückhaltung erfolgt, daß für die Überführung der Mischung aus dem Nachbehandlungsbecken (4.2) in das Nachklärbecken (4.3) eine als Dükerleitung (4.7) ausgebildete Überführungsleitung vorgesehen ist, die in einem im Nachklärbecken (4.3) zentral angeordneten Verteiler (4.14) mündet, und daß ferner für die Rückführung von Rückführschlamm aus dem Nachklärbecken (4.3) in das Denitrifikationsbecken (4.1) sowie für die Abführung von Überschußschlamm eine um das Zentrum der Anlage rotierende, mit Saugräumern ausgerüstete Räumbrücke (4.6) vorgesehen ist, die einerseits an eine dem Denitrifikationsbecken zugeordnete Rückführrinne (4.8) und andererseits an eine Abziehrinne (4.9) anschließbar ist.