DE3813386A1 - Verfahren und vorrichtung zur biologischen stickstoffentfernung aus abwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Stickstoffentfernung aus Stickstoffverbindungen aufweisendem Abwasser, wobei das Abwasser einer unter anoxischen Bedingungen betriebenen ersten Behandlungsstufe zugeführt wird, anschließend in eine unter aeroben Bedingungen betriebene zweite Behandlungsstufe geleitet wird und ein Teil des unter aeroben Bedingungen behandelten Abwassers in die erste Behandlungsstufe zurückgeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist beispielsweis aus gwf-Wasser Abwasser, Heft 8, 1987, Seiten 415 bis 421 und gwf-Wasser Abwasser, Heft 9, 1987, Seiten 469 bis 474 bekannt, daß ammoniumhaltiges Abwasser durch Hintereinanderschaltung einer anoxischen und einer aeroben Behandlungsstufe bei Gegenwart bestimmter Mikroorganismen entstickt werden kann. Der im Abwasser vorhandene Ammoniumstickstoff und/oder in dreiwertiger Form vorliegende organisch gebundene Stickstoff wird in zwei Stufen durch extrem stark spezialisierte autotrophe Mikroorganismengruppen, die sogenannten Nitrifikanten, oxidiert. Liegt der Stickstoff organisch gebunden vor, z.B. Harnstoff, so findet zunächst eine Hydrolyse zu Ammoniumstickstoff statt (Ammonifizierung). Zur ersten Gruppe der Stickstoffoxidierer gehört die Bakteriengattung Nitrosomonas, die das Ammonium zu Nitrit oxidieren. Der zweiten Gruppe gehören die Nitrobacter an, die das Nitrit zu Nitrat weiter oxidieren. Die Nitrifikanten benötigen für ihre Tätigkeit Sauerstoff, d.h. sie brauchen aerobe Bedingungen. Andererseits ist ein großer Teil von hetertrophen Bakterien in der Lage, bei Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff von Sauerstoffatmung auf Nitratatmung überzugehen. Man nennt Bedingungen, bei denen kein gelöster Sauerstoff, aber Nitrat vorhanden ist, anoxisch. Die unter anoxischen Bedingungen gehaltenen Bakterien reduzieren bei Anwesenheit von Kohlenstoff das Nitrat zu elementarem Stickstoff, der einfach an die Atmosphäre abgegeben werden kann. Durch Hintereinanderschaltung einer aeroben und einer anoxischen Behandlungsstufe mit Rückführung eines Teils des aerob behandelten Abwassers zur anoxischen Behandlungsstufe kann also der Stickstoff aus dem Abwasser entfernt werden.

Mit den herkömmlicherweise verwendeten Belebtschlammverfahren ist jedoch oft in der Praxis keine befriedigende Stickstoffentfernung möglich. Insbesondere bei Abwässern mit hohen Ammoniumgehalten stoßen die herkömmlichen Verfahren an ihre Leistungsgrenzen. Besonders problematisch ist die Entstickung von organisch gering belastetem Abwasser, das hohe Ammoniumkonzentrationen aufweist. Hier versagen in der Praxis die herkömmlichen Belebtschlammverfahren.

Es sollen aber immer häufiger organisch gering belastete Abwässer mit hohen Gehalten an Ammonium oder organischen Stickstoffverbindungen, vornehmlich Industrieabwässer, entstickt werden. Auch durch immer strengere gesetzliche Bestimmungen werden höhere Anforderungen an die Reinigungsleistung der Verfahren gestellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine weitgehende Stickstoffentfernung aus Abwasser, insbesondere aus organisch gering belastetem und hohe Konzentrationen an Stickstoffverbindungen aufweisenden Abwasser auf technisch einfache und wirtschaftliche Weise erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Behandlung sowohl in der ersten als auch in der zweiten Behandlungsstufe in Gegenwart von auf Trägermaterial fixierter Biomasse erfolgt und ein Teil des in der zweiten Behandlungsstufe behandelten Abwassers einer dritten Behandlungsstufe zugeführt wird, in der das Abwasser in Gegenwart von auf Trägermaterial fixierter Biomasse unter aeroben Bedingungen behandelt wird.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß es sich bei den Nitrifikanten um sehr langsam wachsende, sessile Organismen handelt, die bei herkömmlichen Belebtschlammanlagen leicht mit dem Ablauf ausgewaschen werden. Insbesondere bei organisch gering belasteten Abwässern mit hohen Ammoniumgehalten können sich kaum Belebtschlammflocken bilden, da in diesem Fall die Biomasse fast ausschließlich aus langsam wachsenden sessilen Nitrifikanten besteht. Die Reinigung von Abwässern mit hohen Ammoniumgehalten ist auch deshalb problematisch, weil die als Folge von den Nitrosomonas gebildeten hohen Nitritkonzentrationen toxisch bzw. hemmend auf die Nitrobacter wirken, so daß bei herkömmlichen Verfahren schließlich hohe Nitritwerte im Ablauf verbleiben. Außerdem wirken auch hohe Konzentrationen von Ammoniak auf die Bakterien toxisch.

Es hat sich nun gezeigt, daß durch Ansiedlung der Biomasse auf Trägermaterial sowohl in der ersten anoxischen Denitrifikationsstufe als auch in der zweiten aeroben Nitrifikationsstufe und durch Nachschaltung einer dritten aeroben Behandlungsstufe, in der ebenfalls Trägermaterial angeordnet ist, eine weitgehende Stickstoffentfernung aus dem Abwasser möglich ist. Dabei wird in der zweiten Stufe Ammonium unter Einwirkung der auf dem Trägermaterial angesiedelten Nitrifikanten zu Nitrit und Nitrat umgewandelt, während in der nachgeschalteten dritten Stufe hauptsächlich das Nitrit zu Nitrat weiter oxidiert und Restammonium zu Nitrat oxidiert wird. In der ersten Behandlungsstufe wird das aus der zweiten Stufe mit dem Abwasser rückgeführte Nitrit und Nitrat unter Mitwirkung der trägergebundenen Biomasse zu elementarem Stickstoff reduziert. Falls das im zu behandelnden Abwasser bereits vorhandene organische Material nicht als Reduktionssubstrat ausreicht, ist vorgesehen, organische Kohlenstoffverbindungen in die erste Behandlungsstufe zuzugeben. Hierzu eignet sich z.B. organisch verunreinigtes Abwasser, das kostenlos zur Verfügung steht, Melasse, die preiswert zu erhalten ist, Methanol und ähnliches. Bei nährstoffarmen Abwässern ist es gegebenenfalls erforderlich, Spurenelemente, Nährsalze, Phosphat etc. zuzugeben.

Überraschenderweise können durch das erfindungsgemäße Verfahren selbst Industrieabwässer, die praktisch keine organische Schmutzfracht, aber sehr hohe Ammoniumgehalte aufweisen, weitgehend entstickt werden.

Bevorzugterweise werden als Trägermaterial für die Biomasse in den einzelnen Behandlungsstufen fest installierte Schaumstoffplatten und/oder freibewegliche Schaumstoffteilchen und/oder ein Festbett aus Schaumstoffteilchen verwendet. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die erste Behandlungsstufe mit fest installierten Schaumstoffplatten ausgestattet ist oder als überstautes Festbett aus Schaumstoffteilchen ausgebildet ist. Freibewegliche Trägerteilchen eignen sich für die erste Behandlungsstufe weniger, da die mit den Denitrifikationsvorgängen verbundene Gasentwicklung zu einem Aufschwimmen der Trägerteilchen führen würde. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der einzelnen Trägermaterialtypen möglich. So können in der ersten Stufe Schaumstoffplatten fest installiert sein, während in der zweiten Stufe zwischen fest installierten Schaumstoffplatten freibewegliche Schaumstoffteilchen angeordnet sind und die dritte Stufe als überstautes Festbett aus Schaumstoffteilchen ausgebildet ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die dritte Behandlungsstufe als regenerierbarer Filter betrieben. Hierzu ist in der dritten Stufe ein Festbett aus Schaumstoffteilchen angeordnet, das vom Abwasser von oben nach unten durchströmt wird. Auf diese Weise werden im Abwasser vorhandene Feststoffe auf und in den Schaumstoffteilchen, die als Filtermedium wirken, zurückgehalten. Zur Regenerierung des Filtermediums wird von unten verstärkt Luft in das Filtermedium eingeblasen. Dadurch werden die Schaumstoffteilchen durcheinandergewirbelt und die zurückgehaltenen Feststoffe ausgetragen. Die Feststoffe können in einem Sedimentationsbecken aufgefangen und in konzentrierter Form abgezogen werden.

Mit Vorteil wird in der zweiten Behandlungsstufe z.B. durch Zugabe von NaOH/Na₂CO₃ ein pH-Wert von ca. 7 bis ca. 8 eingestellt. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird die zweite Behandlungsstufe so betrieben, daß die Stickstoffverbindungen nur bis zum Nitrit oxidiert werden. Ist die zweite Behandlungsstufe als ein Becken oder ein Reaktor ausgebildet, so kann das Volumen des Beckens bzw. Reaktors so klein gehalten werden, daß lediglich eine Oxidation zum Nitrit erfolgt. Es ist auch vorgesehen, Hemmstoffe, wie z.B. Allylthioharnstoff (ATH), zuzugeben, die eine Weiteroxidation des Nitrits zum Nitrat unterbinden. Es ist dabei darauf zu achten, daß diese Hemmstoffe nicht für die Umwelt schädlich und für heterotrophe Bakterien gut abbaubar sind. Es ist auch möglich, die Weiteroxidation zum Nitrat allein dadurch zu hemmen, daß in der zweiten Behandlungsstufe ein pH-Wert von ca. 4 bis ca. 6 eingestellt wird. Werden dagegen die zuvor genannten Methoden angewendet, so kann der pH-Wert auf ca. 7 bis ca. 8 gehalten werden. Mit Vorteil wird die zweite Behandlungsstufe so betrieben, daß das in der zweiten Behandlungsstufe behandelte Abwasser noch Ammonium im Überschuß enthält. Hierzu wird das Volumen des Beckens bzw. Reaktors entsprechend bemessen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine Prozeßstabilität, d.h. es treten nur geringe Schwankungen im Reinigungsgrad des behandelten Abwassers auf. Das gereinigte Abwasser weist gleichbleibend geringe Nitritgehalte auf. Aufgrund der Fixierung der Biomasse auf Trägermaterial treten keine Schwimmschlammprobleme auf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch eine Ammoniumentfernung aus Abwässern möglich, die keine organischen Inhaltsstoffe enthalten.

Die Erfindung eignet sich somit außer für die Behandlung ammoniumhaltigen vorgereinigten kommunalen Abwassers insbesondere zur Reinigung von Industrieabwasser mit hohem Ammoniumgehalt, aber geringer organischer Belastung. Gerade bei der Behandlung dieser Abwässer weist das erfindungsgemäße Verfahren entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren auf.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem unter anoxischen Bedingungen gehaltenen ersten Behandlungsbecken und einem nachgeschalteten unter aeroben Bedingungen gehaltenen zweiten Behandlungsbecken, das über eine Rücklaufleitung mit dem ersten Behandlungsbecken in Verbindung steht.

Erfindungsgemäß ist dem zweiten Behandlungsbecken ein drittes unter aeroben Bedingungen gehaltenes Behandlungsbecken nachgeschaltet. Ferner sind in den drei Behandlungsbecken Trägermaterialien als Aufwuchsflächen für die Biomasse angeordnet.

Während das erste Behandlungsbecken gegen die Atmosphäre hin abgeschlossen ist, weisen die beiden anderen Becken Belüftungseinrichtungen auf. Das zweite und dritte Becken kann als oben offenes Bassin ausgebildet sein, das eine Druckbelüftung aufweist, über die Luft oder ein mit Sauerstoff angereichertes Gas oder technisch reiner Sauerstoff in das Abwasser eingeleitet wird.

In den Behandlungsbecken sind als Trägermaterialien Schaumstoffplatten fest installiert und/oder Schaumstoffteilchen freibeweglich angeordnet und/oder ein Festbett aus Schaumstoffteilchen angeordnet.

Mit Vorteil ist das Volumen des zweiten Behandlungsbeckens so bemessen, daß die Stickstoffverbindungen nur bis zum Nitrit oxidiert werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Beckenkaskade aus drei Behandlungsbecken, wobei das erste Becken mit festen Schaumstoffplatten und die beiden anderen Becken mit freibeweglichen Schaumstoffteilchen ausgestattet sind.

Fig. 2 eine Beckenkaskade aus drei Behandlungsbecken, wobei das erste Becken mit festen Schaumstoffplatten, das zweite Becken mit freibeweglichen Schaumstoffteilchen und das dritte Becken mit einem regenerierbaren Filter ausgestattet ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Beckenkaskade besteht aus den drei Behandlungsbecken I, II und III. Es wird ein Industrieabwasser behandelt, das praktisch keine organischen Schmutzstoffe enthält. Es weist aber eine hohe Ammoniumkonzentration von mehr als 100 mg/l auf. Das zu behandelnde Abwasser wird über Leitung 1 dem ersten Behandlungsbecken I zugeführt, das unter anoxischen Bedingungen, d.h. unter Luftabschluß gehalten wird. Die auf den fest installierten Schaumstoffplatten 11 angesiedelten Bakterien reduzieren das über Leitung 3 aus dem Becken II in das Becken I rückgeführte Nitrit zu elementarem Stickstoff. Als Reduktionssubstrat wird über Leitung 2 Melasse zugeführt. Das Abwasser fließt am Boden des Beckens I in das unmittelbar angrenzende Becken II über, das über nichtdargestellte Belüftungskerzen mit Luftsauerstoff versorgt wird. Im Becken II sind freibewegliche Schaumstoffwürfel 12 angeordnet, auf und in denen nitrifizierende Bakterien angesiedelt sind. Diese oxidieren das im Abwasser enthaltene Ammonium zu Nitrit. Über Leitung 14 wird Allylthioharnstoff-Lösung (ATH) zugegeben, die eine Weiteroxidation des Nitrits zum Nitrat unterbindet. Durch Wegfall diese Oxidationsschritts kann Belüftungsenergie eingespart werden, da der für die Oxidation zum Nitrat nötige Sauerstoff erst gar nicht bereitgestellt werden muß. Außerdem ist weniger Reduktionssubstrat, also weniger Melasse, notwendig. Der pH-Wert im Becken II wird durch Zugabe von NaOH/Na₂CO₃ über Leitung 4 auf ca. 7 eingestellt. Je nach gewünschtem Denitrifikationsgrad wird ein Vielfaches der dem Becken I zufließenden Abwassermenge am Ende des Beckens abgezogen und über Leitung 3 in das Becken I zur Denitrifikation zurückgeführt. Die der Zulaufmenge entsprechende Abwassermenge wird am Boden des Beckens II in das unmittelbar angrenzende Becken III übergeleitet. Im Becken III sind ebenfalls Schaumstoffwürfel 12 als Aufwuchsfläche für die Biomasse freibeweglich angeordnet. Über nichtdargestellte Belüftungskerzen wird das Becken III mit Luftsauerstoff versorgt. Die auf den Schaumstoffwürfeln 12 angesiedelten Bakterien oxidieren bei relativ schwacher Belastung das im Becken II noch nicht oxidierte restliche Ammonium und Nitrit vollständig zu Nitrat. Das behandelte, im wesentlichen an Stickstoffverbindungen freie Abwasser verläßt schließlich über Leitung 5 die Beckenkaskade und kann einer nichtdargestellten Nachbehandlung zur Feststoffabscheidung, z.B. einem Schönungsteich, einem Filter, eine Sedimentationsstufe oder einer Flotationseinheit, zugeführt werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Beckenkaskade entspricht in wesentlichen Merkmalen der in Fig. 1 dargestellten. Entsprechende Bauteile sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Beckenkaskade, ist das Becken III mit einem regenerierbaren Biofilter 13 ausgestattet. Dieser Filter 13 besteht aus einem Festbett aus Schaumstoffwürfeln, das von oben nach unten vom Abwasser durchströmt und ständig über Leitung 10 schwach belüftet wird. Die im Abwasser enthaltenen Feststoffe werden durch das Filtermedium zurückgehalten. Gleichzeitig findet der oben beschriebene biologische Restumsatz statt. Zur Regenerierung des Filtermediums wird über Leitung 10 für kurze Zeit ein Vielfaches der normalerweise zugeführten Luftmenge eingeblasen, so daß die Schaumstoffwürfel durcheinandergewirbelt und von Feststoffe befreit werden.

Die Feststoffe werden über Leitung 6 abgezogen und in einem Sedimentationsbehälter 7 aufkonzentriert. Die aufkonzentrierten Feststoffe werden über Leitung 8 abgezogen und/oder über Leitung 9 dem zufließenden Abwasser beigemischt. Das gereinigte Abwasser fließt über Leitung 5 ab.

Claims (12)

1. Verfahren zur biologischen Stickstoffentfernung aus Stickstoffverbindungen aufweisendem Abwasser, wobei das Abwasser einer unter anoxischen Bedingungen betriebenen ersten Behandlungsstufe zugeführt wird, anschließend in eine unter aeroben Bedingungen betriebene zweite Behandlungsstufe geleitet wird und ein Teil des unter aeroben Bedingungen behandelten Abwassers in die erste Behandlungsstufe zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung sowohl in der ersten (I) als auch in der zweiten (II) Behandlungsstufe in Gegenwart von auf Trägermaterial (11, 12) fixierter Biomasse erfolgt und ein Teil des in der zweiten Behandlungsstufe (II) behandelten Abwassers einer dritten Behandlungsstufe (III) zugeführt wird, in der das Abwasser in Gegenwart von auf Trägermaterial (12) fixierter Biomasse unter aeroben Bedingungen behandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser keine oder nur geringe Mengen organischer Schmutzstoffe enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial fest installierte Schaumstoffplatten (11) und/oder freibewegliche Schaumstoffteilchen (12) und/oder ein Festbett aus Schaumstoffteilchen (13) verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Behandlungsstufe (III) als regenerierbarer Filter (13) mit einem Festbett aus Schaumstoffteilchen als Filtermedium betrieben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß organische Kohlenstoffverbindungen in die erste Behandlungsstufe (I) zugegeben werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Behandlungsstufe (II) der pH-Wert von ca. 7 bis ca. 8 eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Behandlungsstufe (II) so betrieben wird, daß die Stickstoffverbindungen nur bis zu Nitrit oxidiert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Behandlungsstufe (II) so betrieben wird, daß das in der zweiten Behandlungsstufe (II) behandelte Abwasser noch Ammonium enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur zweiten Behandlungsstufe (II) Hemmstoffe zugegeben werden, die eine Weiteroxidation des Nitrits zu Nitrat behindern.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem unter anoxischen Bedingungen gehaltenen ersten Behandlungsbecken und einem nachgeschalteten unter aeroben Bedingungen gehaltenen zweiten Behandlungsbecken, das über eine Rücklaufleitung mit dem ersten Behandlungsbecken in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Behandlungsbecken (II) ein drittes unter aeroben Bedingungen gehaltenes Behandlungsbecken (III) nachgeschaltet ist und in den drei Behandlungsbecken Trägermaterialien (11, 12, 13) als Aufwuchsfläche für die Biomasse angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial für die Biomasse Schaumstoffplatten (11) fest installiert sind und/oder Schaumstoffteilchen (12) frei beweglich angeordnet sind und/oder ein Festbett aus Schaumstoffteilchen (13) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Behandlungsbecken (II) so bemessen ist, daß die Stickstoffverbindungen nur bis zu Nitrit oxidiert werden.