DE3635843A1 - Verfahren zur abtrennung von ammoniak aus abluft oder abwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Ammoniak aus Abluft oder Abwasser, bei dem Ammoniak in Ge­ genwart von Sauerstoff und unter Einsatz von nitrifizierenden Mikroorganismen zu Salpetersäure oxidiert wird, sowie einen Reaktor zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ammoniak in Abluft und Abwasser stellt ein entscheidendes Umweltproblem dar, dessen Lösung derzeit nur mit erheblichem Aufwand möglich ist. In vielen Fällen läßt sich aus Gründen der Wirtschaftlichkeit der Einsatz von bekannten Rückhalte­ techniken nicht durchsetzen, weil einerseits die Ammoniak- Konzentrationen zu niedrig sind und andererseits der dafür erforderliche technische Aufwand zu hoch ist. In den Fällen, in denen kontinuierlich über lange Zeiten Ammoniak-Emissionen über Abluft und Abwasser stattfinden, werden gravierende Umweltschäden beobachtet, z. B. Zerstörung von Oberflächen und Verseuchung von Grundwasser sowie Pflanzenschädigungen, unter anderem auch Waldsterben.

Es ist bekannt, daß gewisse Mikroorganismen Ammoniak in Ge­ genwart von Luftsauerstoff, Feuchtigkeit und Kohlendioxid aus der Luft zu salpetriger Säure und anschließend zu Sal­ petersäure oxidieren und dabei die für ihre Lebensfunktion notwendige Energie gewinnen. Als Kohlenstoffquelle dient diesen Mikroorganismen Kohlendioxid, das mit Wasser zusammen zu organischen Kohlenstoffverbindungen reduziert wird.

Ferner ist bekannt, daß solche nitrifizierenden Mikroorga­ nismen auch in der Lage sind, Kalkstein zu zerstören. Offen­ sichtlich stellt Kalkstein als kohlenstoffhaltiges Mineral für die nitrifizierenden Organismen eine ideale Lebensgrund­ lage dar, da aus ihm das für die Biosynthese notwendige Kohlendioxid entsteht und eine zur Bindung der gebildeten Säuren notwendige Pufferkapazität bereitgestellt wird.

Bei den zur biologischen Rückhaltung von Ammoniak angelegten Kompostfiltern wird das in Abgasen enthaltene Ammoniak durch mikrobiellen Umsatz entfernt. Die Reinigungs­ leistung bezogen auf Ammoniak ist jedoch hierbei sehr niedrig, weil bekanntlich nitrifizierende Organismen ihre höchste Aktivität nur dann haben, wenn kein organisch gebun­ dener Kohlenstoff vorhanden ist, was bei Kompostfiltern nicht der Fall ist. Die zurückgehaltenen Ammoniakmengen reichen deshalb für eine wirtschaftliche Nutzung zu Dünge­ zwecken in der Regel nicht aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren an­ zugeben, das die Entfernung von Ammoniak aus Abluft und Ab­ wasser in wirtschaftlicher Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Salpetersäure unter Verwendung von Kalkstein weiter zu Nitraten umgesetzt wird, wobei das bei der Umsetzung freiwerdende Kohlendioxid zumindest teilweise als Kohlen­ stoffquelle zum Aufbau der organischen Substanz der Mikroorganismen dient, und daß die gebildeten Nitrate ab­ getrennt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen des er­ findungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 beschrieben.

Der Reaktor zur Durchführung dieses Verfahrens umfaßt zerkleinerten und mit nitrifizierenden Mikroorganismen besiedelten Kalkstein, vorzugsweise in Form von Kalk­ stein-Granulaten, und ist mit Einlässen zur Zuführung der Abluft oder der Abtrippgase aus dem Abwasser sowie mit Einrichtungen zur Abtrennung von gebildeten Nitraten verse­ hen. Patentansprüche 10 bis 15 betreffen bevorzugte Weiter­ bildungen des Reaktors.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird einerseits die mikrobielle Aktivität von nitrifizierenden Mikroorganis­ men und andererseits die Nährstoffwirkung des Kalksteins genutzt. Dadurch kann der Rückhalteeffekt äußerst effizient, ohne direkten oder indirekten Einsatz von Pro­ zeßenergie erfolgen. Das bei klassischen Verfahren übli­ che Auswaschen von Ammoniak über Säuren entfällt, da das Ammoniak durch die Mikroorganismen selbst zur Säure oxidiert und damit zunächst selbst zum Ammoniakfänger wird. Weiterhin kann Kalk, wie er in der Natur in Form von Dolomit, Muschelkalk oder in anderen Kalkformen vor­ kommt, verwendet werden, ohne daß dieses Gestein vorher energieaufwendig in Calciumoxid oder Calciumoxihydrat überführt werden muß. Aus dem Ammoniak und Kalkgestein werden Nitrate, wie z. B. Calciumnitrat, Magnesiumnitrat oder auch andere kationische Bestandteile des Gesteins gewonnen.

Das Kalkgestein wird brockenförmig, z. B. als Granulate in Schottergröße, eingesetzt. Für einen laufenden Prozeß zur wirtschaftlichen Gewinnung von Nitriatverbindungen braucht lediglich kontinuierlich oder diskontinuierlich das Kalkgestein im Reaktor erneuert oder nachgefüllt werden.

Die Besiedelung der Kalksteinstücke mit nitri­ fizierenden Mikroorganismen kann auf verschiedener Weise erfolgen. Ein solcher Mikroorganismus ist z. B. Nitro­ somonas europaea (ATCC 19 718). Nitrosomonas europaea wird bevorzugt in Mischung mit Nitrobacter winogradskyi (ATCC 25 391) verwendet. Diese Arten von Mikroorganismen kommen z. B. in Gartenerde, im Kompost oder auch im Klär­ anlagenablauf vor. Im einfachsten Fall werden Kalkstein- Brocken oder -Granulate mit einer wässrigen Suspension aus Erde, Kompost oder mit Kläranlagenablauf benetzt, so daß die Mikroorganismen auf die Oberfläche der Kalkstein­ stücke aufgebracht werden. Wesentlich dabei ist, daß die Zwischenräume der Kalksteinfüllung des Reaktors im wesentlichen offen bleiben, damit sowohl die zu reinigen­ de Abluft und die Abstripgase aus dem Abwasser als auch der für die Umsetzung notwendige Luftsauerstoff ungehindert durch den Reaktor geschickt werden können. Im Idealfall bildet die die Mikroorganismen enthaltende Suspension auf der Oberfläche der einzelnen Gesteinsbrocken einen dünnen Film. Die Feuchtigkeit ist für die biologische Reaktion notwendig und kann gegebenenfalls zusätzlich auch durch Befeuchten der durch den Reaktor geschickten Luft oder auch durch Berieseln der Füllung mit Wasser gewährleistet werden.

Die Umsetzung des Ammoniaks zu Nitratverbindungen, die wertvolle Düngemittel darstellen, kann z. B. in einem Reinigungsturm durchgeführt werden. Die gebildeten Nitrate werden dann kontinuierlich oder diskontinuierlich aus dem Turm entfernt. Da sie gut wasserlöslich sind, können sie zu diesem Zweck mit Wasser in hoher Konzentra­ tion ausgeschwemmt werden. In fester Form können sie ge­ wonnen werden, wenn im Reaktor je nach Bauart ein oder mehrere Rüttelsiebe vorgesehen sind. Bei einem Reaktor, dessen Höhe wesentlich geringer ist als die Breite bzw. der Durchmesser, kann ein solches Rüttelsieb am Boden des Reaktors angebracht sein. In einem als ein Reinigungs­ turm aufgebauten Reaktor ist es vorteilhaft, in mehrere Ebenen Rüttelsiebe einzusetzen, so daß eine stufenweise Abtrennung unter gleichzeitiger Anreicherung der festen Nitratverbindungen in Richtung des Reaktorbodens ge­ währleistet ist. In einer Drehrohrtrommel kann der Kalk­ stein kontinuierlich zugegeben und die gebildeten Nitrate ebenso kontinuierlich abgetrennt werden.

Claims (15)

1. Verfahren zur Abtrennung von Ammoniak aus Abluft oder Ab­ wasser, bei dem Ammoniak in Gegenwart von Sauerstoff und unter Einsatz von nitrifizierenden Mikroorganismen zu Salpetersäure oxidiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Salpetersäure unter Verwendung von Kalkstein weiter zu Nitraten umgesetzt wird, wobei das bei der Umsetzung freiwerdende Kohlendioxid zumindestens teilweise als Kohlenstoffquelle zum Aufbau der organischen Substanz der Mikroorganismen dient, und daß die gebildeten Nitrate ab­ getrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als nitrifizierende Mikroorganismen Nitrosomonas europaea gegebenenfalls in Mischung mit Nitrobacter winogradskyi verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Besiedelung des Kalksteins mit nitrifizie­ renden Mikroorganismen Kalkstein-Brocken oder -Granulate mit einer wässrigen Suspension aus einer gegebenenfalls gedüngten Erde, einem nitrifizieren­ den Kläranlagenablauf und/oder einem Kompost ver­ mischt wird und daß der Wasseranteil der Suspension derart bemessen wird, daß die Kalkstein- Brocken oder -Granulate lediglich benetzt werden und die Zwischenräume im wesentlichen gasdurchlässig bleiben.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ammoniak aus dem alkalischen Ab­ wasser abgestrippt wird und die Abstripgase über die mit Mikroorganismen besiedelten Kalkstein-Brocken oder -Granulaten geleitet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gebildeten Nitrate in Lösung durch Ausschwämmen mit Wasser oder in fester Form durch Ausrüt­ teln abgetrennt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Kalkstein Calciumcarbonat, Dolomit oder Muschelkalk verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6, da­ durch gekennzeichnet, daß unter Verwendung besonders fei­ ner Gesteinsgranulate auf die Abtrennung der gebildeten Nitrate verzichtet wird und die entstandene Mischung von Carbonaten und Nitraten des Kalziums und Magnesiums als ganzes als Düngemittel verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gebildeten Nitrate als Düngemittel verwendet werden.

9. Reaktor zur Abtrennung von Ammoniak aus Abluft oder Ab­ wasser, zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er zerkleinerten und mit nitrifizierenden Mikroorganismen besiedelten Kalkstein, vorzugsweise in Form von Kalkstein-Granulaten, umfaßt und mit Einlässen zur Zuführung der Abluft oder der Abstripgase aus dem Abwasser, sowie mit Einrich­ tungen zur Abtrennung von gebildeten Nitraten versehen ist.

10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er in Form eines Reinigungsturms ausgeführt ist.

11. Reaktor nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsturm zur Abtrennung von Nitraten in fester Form auf mindestens zwei Ebenen mit entfernbaren Rüttelsieben versehen ist, wobei die Maschenweite der Rüttelsiebe der Größe der gebildeten Nitrate angepaßt ist.

12. Reaktor nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß seine Breite oder sein Durchmesser im Vergleich zu seiner Höhe wesentlich größer ist und am Boden mit einem Rüttel­ sieb abgeschlossen ist, wobei die Maschenweite des Rüttelsiebes der Größe der gebildeten Nitrate angepaßt ist.

13. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für eine kontinuierliche Verfahrens­ führung während der Erneuerung der Kalkstein-Füllung des Reaktors mindestens zwei Reaktoren zusammen geschaltet sind.

14. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er als Drehrohrtrommel ausgeführt ist und mit Einrich­ tungen für die kontinuierliche Zugabe von Steinmaterial nach Anspruch 6 sowie für die kontinuierliche Abfuhr der gebildeten Nitrate versehen ist.

15. Reaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrohrtrommel wahlweise kontinuierlich oder inter­ mittierend rotiert.