DE3917451A1 - Verfahren zur biologischen reinigung von kontaminierten abwaessern - Google Patents

Description

Durch die Zunahme der Bevölkerungsdichte wird das Problem der Beseitigung konzentrierter Abwässer vor der Einleitung in kommunale Kläranlagen immer dringlicher. Solche Abwässer stammen aus landwirtschaftlichen Betrieben als Gülle, aus der Herstellung von Lebensmitteln und auch aus Sickerwässer von Deponien. Die landwirtschaftlich anfallende Gülle und Oberflächenwasser von Landflächen führen durch überhöhte Nitratdüngung zur Nitratbelastung des als Trinkwasser genutzten Wassers durch ein Durchsickern in wasserführende Schichten des Untergrundes.

Es ist deshalb eine aktuelle Aufgabe der Technik für die Volkswirtschaft, dieses Problem zu verkleinern und zu beseitigen.

Gegenstand des Verfahrens der Erfindung ist die biologische Reinigung konzentrierter Abwässer.

Eine technisch mögliche Verbrennung solcher Abwässer durch Wasserverdampfung bis zur Trockne ist in der Praxis unwirtschaftlich. Außerdem entstehen dabei gasförmige Schadstoffe mit Gehalt an schwermetallbelasteten und Feinstäuben, die für sich adsorbiert und entsorgt werden müssen, sowie Schlacken aus der Verbrennung.

Das Verfahren der Erfindung vermeidet diese Nachteile und dieses erzeugt praktisch gereinigtes Abwasser und einen deponiefähigen Naß- bzw. Trockenschlamm.

Es ist die Aufgabe des Verfahrens der Erfindung, die biologische Beseitigung von organischen Bestandteilen von Abwässern und des biochemischen Abbaus von N-Verbindungen, insbesondere aus Gülle, in konzentrierten Abwässern bis auf untere Grenzwerte, welche die Ableitung des gereinigten Abwassers gestatten.

Die Lösung der Aufgabe des Verfahrens der Erfindung ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definiert. Es wird in Stufe 1 organischgebundener Stickstoff und/oder Ammonium- Stickstoff (NH₄-N) enthaltende Abwässer einem belüfteten Reaktor (1) zugeführt werden, in welchen außerdem gereinigtes Abwasser und/oder Schlamm aus einem Nachklärbecken (4) der Stufe 4 als Rezirkulat (I) im Kreislauf zurückgeführt wird und in diesem Reaktor (1) die Hauptmenge der organischen Verunreinigungen in Biomasse umgewandelt wird, und dieses Gemisch als Ablauf in Stufe 2 in einen unbelüfteten, anoxisch arbeitenden Reaktor (2) eingeleitet wird und in diesem mit einem mehrfachen Volumen an nitrit- und nitrathaltigem Rezirkulat (II) aus Stufe 3 vermischt wird und dadurch eine biochemische Symproportionierung des NH₄-N-haltigen Ablaufs aus Stufe 1 erfolgt und elementarer N₂ und/oder Distickstoffmonoxid (N₂O) ausgegast wird und der Ablauf von Stufe 2 auf einen solchen Gehalt an NH₄-N und/oder organischgebundenen N, eingestellt wird, daß in Stufe 3 ein für die Symproportionierung in Stufe 2 erforderliche Menge an NO₃-N und NO₂-N gebildet wird, dieser einen oder mehrere belüftete, kaskadenförmig ausgebildete Reaktoren (3, a-n) durchfließt und in diesen nitrifiziert wird und in diesen ein praktisch vollständiger biochemischer Abbau der organischen Restsubstanz erfolgt und aus diesem oder aus mehreren Reaktoren (3, a-n) ein nitrifiziertes Rezirkulat (II) in Stufe 2 zurückgeführt wird, und der Ablauf in Stufe 4 in ein Nachklärbecken (4) eingeführt wird und aus diesem das Rezirkulat (I) zur Einführung in Stufe 1 entnommen wird, und das Volumen des Rezirkulats (I) ein mehrfaches Volumen des in Stufe 1 eingeführten Abwassers beträgt, und eine Teilmenge der gebildeten Biomasse zur Aufrechterhaltung der biologischen Umwandlung der Verunreinigungen in Stufe 1 zurückgeführt wird, und die andere, insbesondere größere, Teilmenge der gebildeten Biomasse als Schlamm entwässert und als Feuchtschlamm ausgeführt und das davon abgetrennte Abwasser in Stufe 1 zurückgeführt wird und das abgetrennte, gereinigte Abwasser ausgeführt wird.

Die alternative und bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist in den Unteransprüchen definiert. Diese betreffen die Belüftung in den Reaktoren unter O₂-Optimierung.

Ferner betreffen diese die Vorschaltung eines Ausgleichsbehälters für die Durchführung einer kontinuierlichen Prozeßführung.

Weiter betreffen diese die verfahrenstechnische Maßnahme, daß die Verweilzeit so eingestellt wird, daß der biologische C-Abbau der organischen Verunreinigungen des Abwassers zu Belebtschlamm als Biomasse bis zu 80%, und in Stufe 2 der N-Abbau zu elementarem N₂ zu 50 bis 90%, und in Stufe 3 der C-Abbau bis zu 95% erfolgt.

Ferner betreffen die Unteransprüche den Zusatz von Wachstumsbeschleunigern zur Förderung des C-Abbaus sowie der Denitrifikation/Nitrifikation in nährstoffarmen Abwässern. Diese betreffen auch den Zusatz von Stoffen mit hoher Porosität, wie Kieselgur, oder von expandierten Mineralien, wie Vermiculit oder solcher Perlit zur Förderung der Abbaugeschwindigkeit der C- und N- Komponenten in den zu reinigenden Abwässern.

Ferner betreffen diese den Zusatz von Flockungsmitteln zur Vorabtrennung von feinteiligen Feststoffen und von gelösten oder suspendierten Stoffen in mechanischen Abscheidern. Außerdem betreffen diese Besiedelungsflächen in Form von Fest- oder Schwebebetten in kaskadenförmig angeordneten Reaktoren zur Ansiedelung sessiler Mikroorganismen.

Die Unteransprüche betreffen auch ein Verfahren zur Flächenbelüftung der Reaktoren mit Überdruck von 100 bis 1000 mbar durch abstellbare Membranbelüftung.

Die Abwässer bestehen alternativ aus landwirtschaftlicher Erzeugung, aus der Herstellung von Nahrungsmitteln, aus Prozeßwässern, aus Sickerwässern oder aus deren Gemischen. Die Unteransprüche betreffen auch eine Anlage zu seiner Durchführung, daß dadurch gekennzeichnet, daß diese aus hintereinander angeordneten und durch Leitungen verbundenen Anlageteilen besteht, in denen die flüssigen Abwässer gegebenenfalls aus einem Ausgleichsbehälter (5) umgepumpt werden, bestehend aus einem belüfteten Hochleistungsreaktor (1), einem nachgeschalteten unbelüfteten Reaktor (2) und aus einem oder mehreren nachgeschalteten, belüfteten, kaskadenförmig angeordneten Reaktoren (3, a-n) und aus einem nachgeschaltetem Klärbecken (4) zur Schlammabscheidung und aus Teilvorrichtungen zur Einführung der Abwässer und zur Ausführung des gereinigten Abwassers und des Feuchtschlamms und zur Abführung des ausgegasten, elementaren N₂, sowie mit Leitung (6) zur Kreislaufführung eines Rezirkulats (I) und mit Leitung (7) zur Kreislaufführung eines Zirkulats (II). Diese Anlage zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung ist auch dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinander geschalteten Anlageteile in einem oder mehreren Containern angeordnet oder in einer oder mehreren Baugruppen mit den Dimensionen eines Containers angeordnet sind und daß den Reaktoren in den Verfahrensstufen Zwischenklärbecken nachgeschaltet sind zur Rückführung des reaktorspezifischen Belebtschlamms in den jeweiligen Reaktor

Das Verfahren der Erfindung wird beispielsweise wie folgt beschrieben.

Es wird das dem Verfahren der Erfindung zufließende kontaminierte, konzentrierte Abwasser mechanisch von kleinteiligen Feststoffen gereinigt. Es wird auch eine Flockungsstufe mit einer Entwässerung in einer Zentrifuge zur Abtrennung der Feststoffe nachgeschaltet. Diese Vorbehandlung reduziert die organische Belastung und ermöglicht auch die Abscheidung von Schwermetallen durch deren alkalische Ausfällung als Hydroxide.

Es können besonders bei Gülle fütterungsbedingte hohe Konzentrationen an Schwermetallen vorliegen. Die Zusammensetzung von Gülle ist bei H. Vetter und G. Steffens in "Wirtschaftseigene Düngung", Verlagsunion Agrar, 1986, beschrieben. Sofern solche Abwässer diskontinuierlich zufließen, werden diese zunächst in einem Ausgleichsbehälter (5) gespeichert und aus diesem in einen als Absorptionsstufe arbeitenden, belüfteten Reaktor (1) eingeführt. In diesem Reaktor (1) wird die Hauptmenge der organischen Belastung durch die vorhandenen Mikroorganismen in Biomasse als Belebtschlamm überführt. Es findet in dieser Stufe eine Verdünnung durch gereinigtes Ablaufwasser aus der Nachklärung (4) oder durch Rücklaufschlamm in Form von Belebtschlamm als Rezirkulat (I) statt. Diese zurückgeführte, flüssige Phase beträgt im allgemeinen ein mehrfaches Volumen der eingeführten Menge des Abwassers.

Danach wird das vorgereinigte und verdünnte Abwasser in Stufe 2 in einen unbelüfteten arbeitenden Reaktor (2) mit Rührvorrichtung eingeführt. In diesem erfolgt die Denitrifikation durch biochemische Symproportionierung.

Diese Umsetzung des NH₄-haltigen Ablaufs aus Stufe 1 zu elementarem N₂ und/oder N₂O, welches ausgegast wird, wird dadurch durchgeführt, das bereits nitrifiziertes Abwasser aus der folgenden oder der letzten, folgenden Stufe (3 a-n) der Denitrifikation als Rezirkulat (2) in Stufe 2 zurückgeführt wird.

Da Stufe 2 nicht belüftet, sondern nur gerührt wird, findet die Symproportionierung in einem anoxischem Milieu statt. Es werden die NH₄-Ionen des vorgereinigten Abwassers mit den Nitrat- und/oder Nitrit-Ionen des Rezirkulats (II) umgesetzt.

Es wird danach die flüssige Phase in einem oder mehreren, kaskadenförmig angeordneten, belüfteten Reaktoren (3 a-n) eingeleitet. In diesen findet ein weitgehender C-Abbau und eine Nitrifikation der noch vorhandenen NH₄-Menge statt.

Der Ablauf aus Stufe 3 wird in die Nachklärung in Stufe 4 eingeleitet. Aus dieser Stufe wird das Rezirkulat (I) und eine Teilmenge der gebildeten Biomasse als Belebtschlamm entnommen und in Stufe 1 im Kreislauf zurückgeführt. Der entstandene Überschuß an Biomasse wird als Überschußschlamm ausgeführt und entwässert und als Feuchtschlamm ausgeführt und gegebenenfalls getrocknet. Das bei der Trocknung anfallende gereinigte Abwasser wird in Stufe 1 zurückgeführt. Das gereinigte Abwasser wird aus dem Verfahren ausgeführt.

Es wird nachstehend beispielsweise der Mengenfluß in den Verfahrensstufen für konzentriertes Abwasser in Form von Gülle aus landwirtschaftlicher Erzeugung als Schweinemast beschrieben.

In dieser tabellarischen Aufstellung bedeuten:
m³/d = Kubikmeter pro Tag,
CSB (mg/l) = chemischer Sauerstoffbedarf mg/l,
N-Gehalt (mg/l) = Stickstoffgehalt mg/l.

Die Anzahl der in einem landwirtschaftlichen Betrieb gehaltenen Schweine ist durch die anfallende Güllemenge begrenzt. Es ist zur Vermeidung der Ausbringung einer nicht mehr verrieselbaren Güllemenge das Ausbringen durch Verrieseln auf 3 Düngeeinheiten je 1 ha begrenzt, wobei eine Düngeeinheit 7 Schweinen entspricht.

Das Verfahren der Erfindung bietet den Vorteil, daß das gereinigte Abwasser aus dieser landwirtschaftlichen Produktion auf eine kleinere Nutzfläche ausgebracht werden kann. Es kann somit die Anzahl der Schweine oder eine höhere Belastung des landwirtschaftlich genutzten Bodens und damit die Wirtschaftlichkeit dieser Produktion erhöht werden.

Es wird dadurch die Umweltbelastung des Bodens nicht erhöht.

Es wird nachstehend beispielsweise die technische Anlage beschrieben. Das Nutzvolumen beträgt in jeder Stufe des Verfahrens der Erfindung 5 m³. Die Reaktoren und Behälter sind in 2 Containern von je 40 Fuß installiert. Die Belüftung erfolgt mit 2 Drehkolbengebläsen, davon 1 Gebläse als Redundanz.

Es werden 1,8 m³/min Preßluft bei 500 mbar erzeugt und durch Flächen- Belüftung den Reaktoren (1) und (3 a-n) mit schlauchförmigen Membranbelüftern zugeführt. Diese sind gleichmäßig auf den Böden der Reaktoren angeordnet. Es werden für die Zurückführung des Rezirkulats (I) Exzenterschneckenpumpen und für das Rezirkulat (II) wie für die Förderung vom Ausgleichsbehälter in die Stufe 1 ebenfalls benutzt.

Das Verfahren der Erfindung ist in der Figur dargestellt.

Es bedeuten:

Ziffer
1
belüfteter Reaktor
2	unbelüfteter, anoxisch arbeitender Reaktor
3, a-n	kaskadenförmig angeordnete, belüftete Reaktoren,
4	Nachklärbecken
5	Ausgleichsbehälter

Unter Symproportionierung werden biochemische Redox- Reaktionen, wie zwischen NH₄-N und NO₂-N und/oder NO₃-N verstanden.

Dazu wird auf "Gewässerschutz. Wasser. Abwasser", 43, Literaturstudie zur weitergehenden Abwasserreinigung, Institut für Siedlungswasserwirtschaft der Rein.-Wstf. Technischen Hochschule Aachen, Professor Dr.-Ing. B. Böhnke, Aachen 1980, Vertrieb: Gesellschaft zur Förderung der Siedlungswasserwirtschaft an der RWTH Aachen, Templergraben 55, D-5100, Aachen, verwiesen.

Der technische Effekt des Verfahrens der Erfindung beruht auf der Verdünnung des zufließenden konzentrierten Abwassers durch Kreislaufführung des gereinigten Abwassers als Rezirkulat (I). Ferner beruht dieser auch auf der Stickstoffelimentierung mittels biochemischer Symproportionierung, d. h. für das Verfahren der Erfindung auf dem stöchiometrischen Umsatz von NH₄-N mit NO₂-N und/oder NO₃-N durch Rückführung von nitrifiziertem Abwasser aus den Stufen (3 a-n) als Rezirkulat (II).

Weiter beruht der technische Effekt in der Kombination der vorstehenden Maßnahmen und darin, daß das Umlaufvolumen der Rezirkulate (I) und (II) ein mehrfaches des durchgesetzten Volumens ist.

Das Verfahren der Erfindung bietet den volkswirtschaftlichen Vorteil, daß der erhebliche und nicht wirtschaftlich unterzubringende Anfall an kontaminierten und konzentrierten Abwässern, insbesondere von Gülle aus der landwirtschaftlichen Erzeugung, soweit aufbereitet werden kann, daß das gereinigte Abwasser auf einer kleineren Fläche ohne Belastung des Bodens verrieselt oder in Kläranlagen, oder in natürliche Wässer eingeleitet werden kann.

Es wird weiter durch das Verfahren der Erfindung die Versorgung der Bevölkerung mit tierischem Eiweiß, wie aus Schweinefleisch, praktisch unabhängig von der Größe der landwirtschaftlichen Fläche, weil die Verrieselung von Gülle als konzentriertes Abwasser entfällt.

Claims (13)

1. Verfahren zur biologischen Reinigung konzentrierter Abwässer, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe 1 organischgebundener Stickstoff und/oder Ammonium- Stickstoff (NH₄-N) enthaltende Abwässer einem belüfteten Reaktor (1) zugeführt werden, in welchen außerdem gereinigtes Abwasser und/oder Schlamm aus einem Nachklärbecken (4) der Stufe 4 als Rezirkulat (I) im Kreislauf zurückgeführt wird und in diesem Reaktor (1) die Hauptmenge der organischen Verunreinigungen in Biomasse umgewandelt wird, und dieses Gemisch als Ablauf in Stufe 2 in einen unbelüfteten, anoxisch arbeitenden Reaktor (2) eingeleitet wird und in diesem mit einem mehrfachen Volumen an nitrit- und nitrathaltigem Rezirkulat (II) aus Stufe 3 vermischt wird und dadurch eine biochemische Symproportionierung des NH₄-N-haltigen Ablaufs aus Stufe 1 erfolgt und elementarer N₂ und/oder Distickstoffmonoxid (N₂O) ausgegast wird und der Ablauf von Stufe 2 auf einen solchen Gehalt an NH₄-N und/oder organischgebundenen N, eingestellt wird, daß in Stufe 3 eine für die Symproportionierung in Stufe 2 erforderliche Menge an NO₃-N und NO₂-N gebildet wird, dieser einen oder mehrere belüftete, kaskadenförmig ausgebildete Reaktoren (3, a-n) durchfließt und in diesen nitrifiziert wird und in diesen ein praktisch vollständiger biochemischer Abbau der organischen Restsubstanz erfolgt und aus diesem oder aus mehreren Reaktoren (3, a-n) ein nitrifiziertes Rezirkulat (II) in Stufe 2 zurückgeführt wird, und der Ablauf in Stufe 4 in ein Nachklärbecken (4) eingeführt wird und aus diesem das Rezirkulat (I) zur Einführung in Stufe 1 entnommen wird, und das Volumen des Rezirkulats (I) ein mehrfaches Volumen des in Stufe 1 eingeführten Abwassers beträgt, und eine Teilmenge des Belebtschlamms zur Aufrechterhaltung der biologischen Umwandlung der Verunreinigungen in Stufe 1 zurückgeführt wird, und die andere, insbesondere größere, Teilmenge der gebildeten Biomasse als Schlamm entwässert und als Feuchtschlamm ausgeführt und das davon abgetrennte Abwasser in Stufe 1 zurückgeführt wird und das abgetrennte, gereinigte Abwasser ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftung in den Reaktoren (1) und (3, a-n) unter O₂- Optimierung erfolgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stufe 1 ein Ausgleichsbehälter (5) vorgeschaltet ist, so daß bei diskontinuierlichem Zufluß des Abwassers eine kontinuierliche Beschickung des Reaktors (1) erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei kontinuierlicher Prozeßführung in Stufe 1 die Verweilzeit so eingestellt wird, daß der biologische C-Abbau der organischen Verunreinigungen des Abwassers zu Belebtschlamm als Biomasse bis zu 80%, und in Stufe 2 der N-Abbau zu elementarem N₂ zu 50 bis 90%, und in Stufe 3 der C-Abbau bis zu 95% erfolgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nährstoffarmen Abwässern Nährsalze, Vitamine, Wuchsstoffe, Enzyme, wie Folsäure, Hefen als Wachstumsbeschleuniger zur Förderung des C-Abbaus und der Denitrifikation/Nitrifikation zudosiert werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Stoffe mit hoher Porosität, wie Kieselgur, expandierter Vermiculit oder solcher Perlit zur Förderung der Abbaugeschwindigkeit der C- und N-Komponentenenthaltenden Abwässer zugegeben werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß anorganische oder organische Flockungsmittel zur Vorabtrennung von feinteiligen Feststoffen und von gelösten oder suspendierten Stoffen in mechanischen Abscheidern zugegeben werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die kaskadenförmig angeordneten Reaktoren (3, a-n) Besiedelungsflächen in Form von Fest- oder Schwebebetten zur Ansiedelung sessiler Mikroorganismen eingesetzt und permanent vorgehalten werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbelüftung der Reaktoren (1) und (3, a-n) mit einem Überdruck von 100 bis 1000 mbar durch abstellbare Membranbelüftung erfolgt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kontaminierten, konzentrierten Abwässer aus landwirtschaftlicher Erzeugung, aus der Herstellung von Nahrungsmitteln, aus Prozeßabwässern oder aus Gemischen dieser Abwässer bestehen.

11. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus hintereinander angeordneten und durch Leitungen verbundenen Anlageteilen besteht, in denen die flüssigen Abwässer gegebenenfalls aus einem Ausgleichsbehälter (5) umgepumpt werden, bestehend aus einem belüfteten Hochleistungsreaktor (1), einem nachgeschalteten unbelüfteten Reaktor (2) und aus einem oder mehreren nachgeschalteten, belüfteten, kaskadenförmig angeordneten Reaktoren (3, a-n) und aus einem nachgeschaltetem Klärbecken (4) zur Schlammabscheidung und aus Teilvorrichtungen zur Einführung der Abwässer und zur Ausführung des gereinigten Abwassers und des Feuchtschlamms und zur Abführung des ausgegasten, elementaren N₂, sowie mit Leitung (6) zur Kreislaufführung eines Rezirkulats (I) und mit Leitung (7) zur Kreislaufführung eines Rezirkulats (II).

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinander geschalteten Anlageteile in einem oder mehreren Containern angeordnet oder in einer oder mehreren Baugruppen mit den Dimensionen eines Containers angeordnet sind.

13. Anlage nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Reaktoren in den Verfahrensstufen Zwischenklärbecken nachgeschaltet sind zur Rückführung des reaktorspezifischen Belebtschlamms in den jeweiligen Reaktor.