DE4001855C2 - Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Verarbeitung von organisch belasteten, stark stickstoffhaltigen, wäßrigen Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur bio­ logischen Verarbeitung von organisch belasteten, stark stickstoffhaltigen, wäßrigen Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeit mit einem mit sessilen Mikroorganismen be­ setzten Biomasse-Filterkörper in Kontakt gebracht und dabei die Inhaltsstoffe der Flüssigkeit unter Umwand­ lung des Biomasse-Filterkörpers in einen Kompostdün­ ger mikrobiell umgesetzt werden, sowie auf eine Vor­ richtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einem derartigen bekannten Verfahren (DE 36 23 242 A1) wird ein Haufwerk eines stickstoffarmen, organisch abbau­ baren Materials, beispielsweise Baumrinde, mit der zu behan­ delnden Flüssigkeit versetzt und in einer ersten Stufe einer anaeroben Behandlung unterzogen, wodurch die Flüssigkeit mit Ammoniak angereichert werden soll, welches in einer anschlie­ ßenden Stufe aerober Kompostierung des Haufwerks in das orga­ nische Material des Haufwerks eingebunden werden soll. Daher ist der aus dem Haufwerk entstehende Kompost mit Stickstoff stark angereichert. Durch die Ausbringung dieses Komposts in Gebieten mit überschüssigem Stickstoffanteil besteht weiter­ hin das Problem der Stickstoffbelastung, da auch der im Kom­ post fixierte Stickstoff wieder ausgewaschen wird und der von Pflanzen nicht verwertete Stickstoffüberschuß ins Grundwasser versickert. Insbesondere führt die Gülleausbringung bei der Massentierhaltung durch den Einsatz von Zukauffutter zu sol­ chen Gebieten lokaler Stickstoffüberfrachtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß in demselben Verfahrensgang außer gereinigtem Wasser auch die umgesetzten organischen Bestandteile unter Herabsetzung der Stickstoffbelastung in unmittelbar verwertbarer Form an­ fallen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver­ fahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die den als oxischer Bereich dienenden Biomasse-Filterkörper, in dem die mikrobielle Umsetzung unter aeroben Bedingungen ausgeführt und an dessen Ausgang gerei­ nigtes Wasser entnommen wird, durchrieselnde Flüssigkeit zu­ sätzlich durch einen mit sessilen Mikroorganismen besetzten anoxischen Bereich hindurchgeführt wird, in dem der Stick­ stoffgehalt zu dessen Abscheidung mikrobiell in molekularen Stickstoff umgesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht einerseits auf der Erkenntnis, daß sich bei der Zuführung von or­ ganisch belasteten, stark stickstoffhaltigen Flüssigkeiten bzw. Substraten und ausreichender Sauerstoffversor­ gung aerobe, sessile Mikroorganismen auf geeigneten Bewuchsflächen ansiedeln und durch ihre Stoffwechsel­ tätigkeit diese Substrate u. a. in kompostierbare körper­ liche Substanz und gereinigtes Wasser umsetzen. Hier­ durch werden also die Inhaltsstoffe der organisch bela­ steten, stark stickstoffhaltigen Flüssigkeit durch die mi­ krobielle Umsetzung in unschädliche Stoffwechselpro­ dukte, körpereigene Substanz, gereinigtes Wasser und Kompostdünger umgewandelt. Für die Abtrennung der umgesetzten festen Inhaltsstoffe vom gereinigten Was­ ser werden dabei die Filtereigenschaften und das Ad­ sorptionsvermögen der Biomasse-Filterkörper genutzt Während im Biomasse-Filterkörper eine Nitrifikation der Stickstoffverbindungen erfolgt, dient der anoxische Bereich deren Denitrifikation, insbesondere des rezirku­ lierten Nitratanteils im vorgeschalteten Festbettkörper. Der bei der Denitrifikation gebildete molekulare Stick­ stoff wird an die freie Atmosphäre abgegeben, so daß eine Überführung in den Boden durch Ausbringung des Kompostdüngers vermieden wird.

Daneben kommt auch das Stickstoff-Bindungsvermö­ gen des stark kohlenstoffhaltigen Biomasse-Filterkör­ pers noch zur Geltung, so daß der belasteten Flüssigkeit auch dadurch Stickstoffverbindungen entzogen werden. Somit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren ins­ besondere für die Verwertung stark stickstoffbelasteter Flüssigkeiten, wie z. B. Gülle. Neben dem gereinigten Wasser entsteht ein Kompostdünger als weiteres wert­ volles Produkt. Der Reinigungsgrad geht dabei so weit, daß das gereinigte Wasser als Gießwasser zur landwirt­ schaftlichen Verwendung und der geruchsneutrale Kompost als hochwertiger Kompostdünger im Land- und Gartenbau eingesetzt werden kann.

Der oxische Bereich zeichnet sich also durch die An­ wesenheit von molekularem Sauerstoff aus, wie er bei­ spielsweise in der Luft oder auch im Wasser in gelöster Form vorliegt. Dagegen ist im anoxischen Bereich kein freier Sauerstoff vorhanden, während anorganisch ge­ bundener Sauerstoff vorliegen kann. Diese Verhältnisse dürfen nicht mit den durch die Begriffe aerob und an­ aerob beschriebenen Gegebenheiten verwechselt wer­ den. Beispielsweise können fakultativ aerobe Bakterien bei Abwesenheit von molekularem Sauerstoff anorga­ nisch gebundenen Sauerstoff insbesondere aus Nitrat (-NO₃) veratmen. Dieser Vorgang wird auch als "an­ aerobe Atmung" bezeichnet, obwohl er mit aeroben Bakterien und unter aeroben Bedingungen stattfindet. Anaerobe Verhältnisse sind dann gegeben, wenn weder Nitratsauerstoff, also anorganisch gebundener Sauer­ stoff, noch freier Sauerstoff zur Verfügung stehen. An­ aerobe Bakterien können den Sauerstoff nicht nützen. Für sie ist die Anwesenheit von Sauerstoff sogar oft toxisch. Anaerobe Bedingungen sind beispielsweise bei Faulungsprozessen gegeben.

Ein in einer für das erfindungsgemäße Verfahren ge­ eigneten Weise betreibbarer Biomasse-Filterkörper be­ steht beispielsweise aus einem Rindenfilterkörper. Das hierfür benötigte Rindenmaterial ist leicht in den erfor­ derlichen Mengen beschaffbar und ist auch hinsichtlich der Qualität des schließlich entstehenden Kompostdün­ gers vorteilhaft.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens wird die mikrobielle Umset­ zung unter aeroben Bedingungen, und zwar im anoxisch betriebenen Festbettkörper sowie im oxisch betriebe­ nen Biomasse-Filterkörper, ausgeführt.

Ferner besteht eine besonders zweckmäßige Ausfüh­ rungsform darin, daß die zu behandelnde Flüssigkeit mehrere kaskadenartig angeordnete Biomasse-Filter­ körper der Reihe nach durchströmt. Insbesondere ha­ ben sich hinsichtlich dieser Kaskadenschaltung zwei Biomasse-Filterkörper als zweckmäßig erwiesen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens weist mindestens einen der mikro­ biellen Umsetzung der organisch belasteten Flüssigkeit dienenden Festbettkörper sowie einen Biomasse-Filter­ körper auf, an dem in einer bevorzugten Ausführungs­ form ein für Fahrzeuge befahrbarer Belüftungsboden vorgesehen ist.

Durch diesen Belüftungsboden können die Biomasse- Stücke des Biomasse-Filterkörpers vollständig zurück­ gehalten werden und gleichzeitig der Biomasse-Filter­ körper von der den Belüftungsboden anströmenden Luft belüftet werden, indem die in dem Belüftungsboden vorgesehenen Durchlässe geeignet bemessen werden. Außerdem kann die behandelte Flüssigkeit aus dem Bio­ masse-Filterkörper durch den Belüftungsboden hin­ durch abtropfen, so daß dieser auch als Abtropfvorrich­ tung für den Abfluß der behandelten Flüssigkeit dient.

Im einzelnen entspricht die Form des Belüftungsbo­ dens dem vorzugsweise quadratischen Grundriß des Biomasse-Filterkörpers, der durch Eckpfeiler begrenzt ist. Diese Eckpfeiler dienen zur Aufnahme von Seiten­ wänden, von denen mindestens eine zur Befüllung und Entleerung abnehmbar ist.

Die bei einer bevorzugten Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Befahrbar­ keit des Belüftungsbodens durch Fahrzeuge vereinfacht den mit dem Betrieb der Vorrichtung verbundenen Ar­ beitsaufwand erheblich.

Unterhalb des den Biomasse-Filterkörper vertikal un­ ten begrenzenden Belüftungsbodens ist vorteilhaft eine Auffangwanne für die abfließende behandelte Flüssig­ keit vorgesehen, von der aus die behandelte Flüssigkeit einer Rezirkulation, einem nachgeschalteten Biomasse- Filterkörper oder einem Vorlagebehälter für Brauch­ wasser, welcher einen Schlammfang aufweisen kann, zu­ geleitet werden kann.

Eine andere zweckmäßige Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Vorrichtung weist eine der eingangs­ seitigen Beschickung des Festbettkörpers mit der zu behandelnden Flüssigkeit dienende Einrichtung auf, durch die ein ausgangsseitiger Teilstrom des Biomasse- Filterkörpers rezirkuliert wird.

Im einzelnen sind in dieser eingangsseitigen Beschic­ kungseinrichtung insbesondere von Pumpen mit der eingangsseitigen Flüssigkeit beaufschlagte Düsen, Wan­ der- oder Drehsprenger vorgesehen, wobei die Flächen­ beschickung des oder der Festbettkörper durch die Re­ zirkulation des ausgangsseitigen Teilstroms so einge­ stellt wird, daß möglichst viel Nitrat denitrifiziert sowie eine Verschlammung des oder der Festbettkörper ver­ mieden und eine gleichmäßige Oberflächenbeschickung erzielt wird.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Er­ findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens geeignete Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, auf die bezüglich einer erfindungswe­ sentlichen Offenbarung aller im Text nicht erwähnten Einzelheiten ausdrücklich hingewiesen wird, beispiel­ haft erläutert ist.

Wie aus der einzigen Figur der Zeichnung hervor­ geht gelangt die organisch belastete, vorzugsweise stark stickstoffhaltige Flüssigkeit 1 gemeinsam mit ei­ nem Rezirkulat 17 in eine Pumpenvorlage 2.

Mit einer Zulaufpumpe 3 wird der Zulauf an Flüssig­ keit 1 gemeinsam mit dem Rezirkulat 17 über eine Be­ schickungseinrichtung 4 auf einen anoxischen Festbett­ körper 5, wo die mikrobielle Umsetzung der Flüssigkeit sowie die Freisetzung von molekularem Stickstoff durch Denitrifikation durch sessile Mikroorganismen erfolgt, gefördert.

Der vollständig überstaute anoxische Festbettkörper verfügt über einen flüssigkeitsdurchlässigen Stützbo­ den 6. Über eine wasserdichte, hochgezogene Auffang­ wanne 7 wird der Überlauf 8 einer Beschickungseinrich­ tung 9/1 und einem darunter befindlichen Biomasse-Fil­ terkörper 10/1 zugeführt.

Im oxischen Biomasse-Filterkörper 10/1 setzt sich diese mikrobielle Umsetzung der Flüssigkeit durch ses­ sile Mikroorganismen fort. Ammonifizierter Stickstoff wird hier in Nitratform überführt.

Ein befahrbarer luft- und flüssigkeitsdurchlässiger Belüftungsboden 11/1 hält die Biomasse-Stücke des Biomasse-Filterkörpers 10/1 zurück und dient gleicher­ maßen als Stütz- und Abtropfvorrichtung sowie zur Luft­ versorgung der aeroben Mikroorganismen.

Unterhalb des Belüftungsbodens 11/1 befindet sich eine Auffangwanne 12/1, wo die behandelte Flüssigkeit 13/1 gesammelt und einem Verteiler 14 zugeführt wird. Vom Verteiler 14 aus wird die Flüssigkeit mit einer Pumpe 15 über eine nachfolgende baugleiche Einheit, bestehend aus Beschickungseinrichtung 9/2 Biomasse- Filterkörper 10/2, Belüftungsboden 11/2 Auffangwan­ ne 12/2 gepumpt sowie als behandelte Flüssigkeit 13/2 einem Schlammfang 16 zugeleitet. Im Schlammfang 16 werden ausgetragene Feststoffe zurückgehalten.

Diese Anordnung mit mehreren baugleichen Einhei­ ten, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei, ermög­ licht auch die Außerbetriebnahme eines der Biomasse- Filterkörper 10/1 und 10/2 sowie den wechselseitigen Betrieb. Dieser Vorgang wiederholt sich bis zum letzten Biomasse-Filterkörper, von wo aus nach Feststoffab­ trennung im Schlammfang 16 behandelte Flüssigkeit 18 als vollständig behandeltes Wasser für eine Verwen­ dung als Gießwasser zur Verfügung steht oder in ein Gewässer abgeleitet werden kann.

Aus dem Verteiler 14 wird die Zulaufmenge abzüglich Verdunstungs- und Benetzungsverlust als gereinigtes Wasser in den Schlammfang 16 verdrängt. Im Schlamm­ fang 16 werden suspendierte Teilchen abgetrennt, so daß feststofffreies gereinigtes Wasser 18 für den weite­ ren Verbrauch als Gießwasser zur Verfügung steht Nach längeren Zeitabständen stellt sich in den Bio­ masse-Filterkörpern 10/1 und 10/2 Biomasse-Ver­ brauch, verbunden mit einer Schlammanreicherung, ein, so daß die Biomasse erneuert werden muß und der ver­ brauchte Inhalt der Biomasse-Filterkörper 10/1 und 10/2 als hochwertiger Kompostdünger landwirtschaft­ lich zu verwerten ist.

Claims (15)

1. Verfahren zur biologischen Verarbeitung von organisch belasteten, stark stickstoffhaltigen, wäßrigen Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeit mit einem mit sessilen Mikroorganis­ men besetzten Biomasse-Filterkörper in Kontakt gebracht und dabei die Inhaltsstoffe der Flüssigkeit unter Umwandlung des Biomasse-Filterkörpers in einen Kompostdünger mikrobiell um­ gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die den als oxi­ scher Bereich dienenden Biomasse-Filterkörper, in dem die mikrobielle Umsetzung unter aeroben Bedingungen ausgeführt und an dessen Ausgang gereinigtes Wasser entnommen wird, durchrieselnde Flüssigkeit zusätzlich durch einen mit sessi­ len Mikroorganismen besetzten anoxischen Bereich hindurchge­ führt wird, in dem der Stickstoffgehalt zu dessen Abscheidung mikrobiell in molekularen Stickstoff umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der anoxische Bereich durch einen dem oxischen Biomasse- Filterkörper vorgeschalteten Festbettkörper gebildet ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom der in dem Biomasse-Filter­ körper behandelten Flüssigkeit vom Ausgang des Biomasse- Filterkörpers zum Eingang des anoxischen Bereichs rezirku­ liert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Biomasse-Filterkörper suspendierte Inhaltsstoffe der Flüssigkeit sowie mikrobiell erzeugter Überschußschlamm zurückgehalten werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Flüssigkeit mehrere kaskadenartig angeordnete Biomasse-Filterkörper der Reihe nach durchströmt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kaskadenartig angeordneten Biomasse- Filterkörper auch wechselseitig betrieben werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Biomasse-Filterkörper behan­ delte Flüssigkeit in einem Vorlagebehälter zwischengespei­ chert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vorlagebehälter absetzbare Stoffe in einem Schlammfang zurückgehalten werden.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens einen der mikrobiellen Umsetzung der organisch belasteten Flüssigkeit (1) dienenden Festbettkörper sowie einen Bio­ masse-Filterkörper (10).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Biomasse-Filterkörper (10/1 und 10/2) dem Festbett­ körper (5) kaskadenartig nachgeschaltet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der eingangsseitigen Beschickung des Fest­ bettkörpers (5) mit der zu behandelnden Flüssigkeit dienende Einrichtung (2) vorgesehen ist, durch die ein ausgangs­ seitiger Teilstrom (17) des Biomasse-Filterkörpers (10) re­ zirkuliert wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß an dem Biomasse-Filterkörper (10) ein für Fahrzeuge befahrbarer Belüftungsboden (11) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß ein der Zwischenspeicherung der in dem Biomasse-Filterkörper (10) behandelten Flüssigkeit die­ nender Vorlagebehälter (16) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vorlagebehälter (16) einen Schlammfang für ab­ setzbare Stoffe aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Biomasse-Filterkörper (10) ein­ zeln außer Betrieb setzbar und wechselseitig zu beschicken sind.