DE3917368C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Umwand­ lung gelöster Nitrate in Stickstoff mittels Kohlenwasser­ stoffverbindungen enthaltender gasförmiger Reduktionsmittel und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Die Entfernung unerwünschter, gesundheitsschädlicher Nitrate aus Wässern durch Mikroorganismen (Denitrifikation) unter Einsatz gasförmiger Reduktionsmittel wie Wasserstoff, Methan oder Erdgas ist bekannt. Gegenüber der Denitrifikation mit flüssigen Reduktionsmitteln, wie z. B. Methanol, Äthanol, organische Abfallprodukte, Überschußschlamm usw., bietet ein Gas generell den Vorteil, daß eine Überdosierung und eine damit verbundene Restverschmutzung nicht zu befürchten ist. In der ZS "Wasserwirtschaft" 1980, S. 397 ff ist z. B. eine biologische Denitrifikation beschrieben, bei der Wasserstoff direkt in eine Denitrifikationskolonne eingebracht und so dem zu denitrifizierenden Wasser zugeführt wird. Wasserstoff kann auch indirekt zugeführt werden. Bei diesem externen Wasser­ stoffeintrag handelt es sich um ein Umlaufverfahren, wobei das Wasser in einem außerhalb der Denitrifikationskolonne stehenden Begasungsgefäß mit Wasserstoff gesättigt wird. Das Wasser zirkuliert in einem schnell laufenden Wasserkreislauf durch die Denitrifikationskolonne und den Wasserstoff-Ein­ tragreaktor.

Bei Kethan, dessen grundsätzliche Eignung in Laborversuchen nachgewiesen werden konnte (M. Werner, Denitrifikation unter besonderer Berücksichtigung externer Kohlenstoffquellen, Veröffentlichung des Zentrums für Abfallforschung der TU- Braunschweig, Herausgeber: Kayser, Albers, Heft Nr. 3, 1988) ist zwar eine ausreichende Löslichkeit vorhanden, als nach­ teilig erwies sich jedoch die geringe, unwirtschaftliche Denitrifikationsgeschwindigkeit. Nach den bisherigen Erkennt­ nissen ist der limitierende Schritt der 2stufigen Reaktion die Umwandlung des Methans in Methanol mit Hilfe von Sauer­ stoff im ersten Schritt. Der Einsatz von Methan blieb daher bisher auf den Labormaßstab beschränkt.

In der DE-OS 38 09 948 schließlich ist ein Verfahren zur kontinuierlichen mikrobiologischen Denitrifikation von Grund­ wasser mittels Erdgas beschrieben, bei dem das Erdgas und Sauerstoff direkt über mehrere Lanzen in den Grundwasser­ leiter geleitet wird. Die Zufuhr von Erdgas und Sauerstoff erfolgt getrennt.

Der Nachteil der bekannten technisch ausgeführten Verfahren, bei denen als Reduktionsmittel Gas zugeführt wird, besteht in den hohen Betriebs- und Investitionskosten, da aufgrund der geringen Löslichkeit (bei Wasserstoff z. B. 1,7gH2/I bei 10°C) der Denitrifikationsprozeß bei ca. 5 bar Überdruck durch­ geführt werden muß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anlage der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei einem minimalen Einsatz von Energie und Anlageninvesti­ tionen die Denitrifikation von Wässern durchgeführt werden kann, ohne daß in dem Wasser eine Restverschmutzung ver­ bleibt.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Anlage durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2. Die Erfindung wird im folgenden näher er­ läutert.

Als Reduktionsmittel wird Flüssiggas verwendet. Unter Flüs­ siggas werden hier in Anlehnung an DIN 51 622 handelsübliche technische Qualitäten der C3- und C4-Kohlenwasserstoffe­ propan, Propen, Butan, Buten und deren Gemische - verstanden.

Die Verwendung dieser unter Atmosphärendruck gasförmigen Reduktionsmittel ist deshalb besonders vorteilhaft, weil sie außerordentlich kostengünstig sind, das Problem der Restver­ schmutzung minimiert ist und der zur Denitrifikation erfor­ derliche biologische Abbau mit hoher Geschwindigkeit erfolgt.

Zur Durchführung des Verfahrens wird die insgesamt erforder­ liche Menge Flüssiggas außerhalb des Denitrifikationsreaktors in dem zu denitrifizierenden Wasser gelöst. Wirtschaftlich und sicherheitstechnisch vorteilhaft ist es, Wasser und Flüssig­ gas in einem geschlossenen Reaktor miteinander in Kontakt zu bringen. Dabei wird das Gas direkt im Wasser feinblasig dispergiert, um eine hohe Lösungsgeschwindigkeit zu erzielen. Ein gleichermaßen günstiges Verfahren zur Lösung des Reduk­ tionsmittels ist auch die Verwendung gasdurchlässiger Mem­ branen aus Siliconkautschuk. In diesem Fall kann auf einen geschlossenen Reaktor verzichtet werden, so daß aufgrund des verringerten sicherheitstechnischen Aufwandes Kosten einge­ spart werden können. Die insgesamt erforderliche Reduktions­ mittelmenge kann sowohl im Wasserhauptstrom, als auch in einem Teilstrom gelöst werden, der anschließend dem Haupt­ strom wieder zugeführt wird.

Durchgeführte Untersuchungen ergaben maximale Umsatzraten von 11,7g NO3-N/kgTS. Dieser Wert übertrifft die Werte, die bei Methan festgestellt wurden um mehr als das 5fache. Gleich­ zeitig zeigte es sich, daß ebenfalls Sauerstoff benötigt wird und die Denitrifikationsgeschwindigkeit auch um so höher ist, je mehr Sauerstoff in der Zeiteinheit dem Denitrifikations­ reaktor zugeführt wird. Offensichtlich muß das gelöste Flüs­ siggas, das als solches ebenfalls nicht direkt von den deni­ trifizierenden Mikroorganismen verwertet werden kann, zu­ nächst durch andere Mikroorganismen unter Sauerstoffverbrauch in verwertbare Stoffwechselprodukte überführt werden. Die Denitrifikanten, die in diesem Fall in den flüssiggasoxi­ dierenden Mikroorganismen vergesellschaftet sind, benötigen die in die Wasserphase abgegebenen Stoffwechselprodukte als C-Quelle für die Umwandlung des Nitrats in Stickstoff.

Diese mikrobiologischen Vorgänge berücksichtigend ist das Verfahren so ausgestaltet, daß die Umwandlung des Flüssig­ gases in die für die Denitrifikation geeignete Form in dem separaten Reaktor unter gleichzeitiger Zufuhr von Sauerstoff mit Hilfe von suspendierten oder immobilisierten Mikroorga­ nismen erfolgt, die sich nach einer gewissen Zeit von selbst entwickelt haben. Die Wasserphase, in der die für die Deni­ trifikation geeigneten Abbauprodukte des Flüssiggases ange­ reichert sind, wird anschließend den Denitrifikationsreak­ toren in der jeweils benötigten Menge zugeführt. Der Deni­ trifikationsreaktor kann als Rührkessel ausgebildet sein, in dem die Denitrifikation mittels suspendierter Mikroorganismen durchgeführt wird. Es ist auch möglich, die Denitrifikation mittels Mikroorganismen durchzuführen, die auf Trägermaterial aufgewachsen sind. Diese verfahrenstechnische Trennung erhöht die Wirtschaftlichkeit durch insgesamt höhere Reaktionsge­ schwindigkeiten, da jeder der beiden Verfahrensschritte un­ abhängig vom anderen optimiert werden kann. Diese neuartige Lösung der Denitrifikation kann auch in vorteilhafter Weise bei den bekannten Verfahren zur Denitrifikation mit Methan eingesetzt werden.

In der Zeichnung ist die Schaltung einer derartigen Anlage 1 zur Denitrifikation schematisch dargestellt. Einem Denitri­ fikationsreaktor 2 wird über einen Zulauf 3 nitrathaltiges Wasser zugeführt. Die Ableitung gereinigten Wassers erfolgt über den Ablauf 4. Parallel zum Denitrifikationsreaktor 1 ist ein weiterer Reaktor 5 angeordnet, der mittels einer Leitung 6 mit Pumpen 7 mit dem Denitrifikationsreaktor 2 verbunden ist. Dem Reaktor 2 wird über eine Leitung S Flüssiggas wie z. B. Methan und über eine Leitung 9 reiner Sauerstoff oder Luftsauerstoff zugeführt. In dem Reaktor 5 erfolgt die Um­ wandlung des Flüssiggases in eine für die Denitrifikation im Denitrifikationsreaktor 2 geeignete Form. Diese Abbauprodukte des Flüssiggases werden dann in Wasser gelöst über die Lei­ tung 6 dem Denitrifikationsreaktor 2 zugeführt. Zum Erhalten des Wasserstandes im Reaktor 5 ist dieser mittels einer Lei­ tung 10 mit dem Ablauf 4 verbunden, von dem aus dem Denitri­ fikationsreaktor 2 austretendes gereinigtes Wasser in den Reaktor 5 gelangt.

Das beschriebene Verfahren eignet sich besonderes zur Deni­ trifikation sowohl von mechanisch-biologisch gereinigtem Abwasser, Prozeßwasser aus der Getränkeindustrie, Aquakultur usw. als auch zur Denitrifikation von Grundwasser, das als Trinkwasser verwendet werden soll.

Die Verwendung von Flüssiggas bewirkt hierbei effizientere und wirtschaftlichere Umwandlung von Nitraten in Stickstoff, wobei bei Störfällen insbesondere das Problem der Restver­ schmutzung miminiert wird.

Claims (3)

1. Verfahren zur biologischen Umwandlung gelöster Nitrate in Stickstoff mittels Kohlenwasserstoffverbindungen enthal­ tender gasförmiger Reduktionsmittel, dadurch gekennzeich­ net, daß in einem ersten Reaktor gelöstes Flüssiggas unter Zuführen von Sauerstoff mittels Mikroorganismen biologisch oxidiert wird, dann diese Wasserphase einem weiteren Reaktor zugeführt wird, in dem die Denitrifika­ tion von Wasser durch suspendierte oder immobilisierte Mikroorganismen erfolgt.

2. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der das gasförmige Reduktionsmittel außerhalb des Denitrifikationsreaktors in das nitrathaltige Wasser eingetragen wird, gekennzeichnet durch einen Denitrifi­ kationsreaktor (2) mit einem Zulauf (3) für nitrathal­ tiges Wasser und einem Ablauf (4) für gereinigtes Wasser, der mittels einer Leitung (6) mit einem weiteren Reaktor (5) verbunden ist, dem über eine Leitung (8) Flüssiggas und eine Leitung (9) Sauerstoff zuführbar ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (5) mit dem Ablauf (4) mittels einer Leitung (10) verbunden ist.