DE4041820A1

DE4041820A1 - Verfahren zur biologischen nitrifikation von abwaessern

Info

Publication number: DE4041820A1
Application number: DE4041820A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Sc Techn Steinmetz; Gerd-Rainer Dipl Chem Vollmer
Original assignee: VOLLMER GERD RAINER DIPL CHEM
Current assignee: VOLLMER GERD RAINER DIPL CHEM
Priority date: 1990-12-24
Filing date: 1990-12-24
Publication date: 1992-06-25

Description

Die Erfindung gehört in das Gebiet der technischen Mikrobiologie. Sie betrifft ein Verfahren zur biologischen Stickstoffeliminierung aus Abwässern landwirtschaftlicher, kommunaler und industrieller Herkunft.

Es ist seit langem bekannt, den Stickstoff aus Abwässern durch ein 2-stufiges Verfahren, bestehend aus einer ersten Stufe der mikrobioellen Nitrifikation und einer zweiten Stufe der Denitrifikation, zu eliminieren. Dabei wird in der Nitrifikationsstufe zunächst der Ammoniumstickstoff durch autotrophe Mikroorganismen, die sogenannten Nitrifikanten Nitrosomonas und Nitrobacter zu Nitrit und/oder Nitrat oxidiert. Der so gebildete oxidierte Stickstoff wird dann in der Denitrifikationsstufe von den heterotrophen Denitrifikanten zu elementarem Stickstoff reduziert, der in die Atmosphäre entweicht.

Die nach diesem der Natur entlehnten Grundprinzip der biologischen Stickstoffelimination betriebenen Verfahren werden als sogenannte Belebungsanlagen in offenen Becken ausgeführt (DD 1 33 786, DD 1 47 091, DE 21 01 376, DE 28 12 813). Dabei kann die Denitrifikation auch vorgeschaltet werden (DD 1 39 248). Forciert wird die Nitrifikation durch die Zuführung von Luftsauerstoff mittels Druckluft.

Nur die Belüftung allein reicht jedoch als optimale physiologische Bedingungen für die Nitrifikanten nicht aus. Daher sind die Stoffumsatzgeschwindigkeiten in solchen offenen Belebungsbecken niedrig, die Beckenvolumina müssen infolgedessen sehr groß dimensioniert werden.

Es ist aber bekannt, daß die Nitrifikationsgeschwindigkeit durch Temperaturerhöhung ganz wesentlich gesteigert werden kann. Für Schweinegülle z. B. beträgt die Nitrifikationsge schwindigkeit bei 20°C nur 20 mg/g.d, während sie beim Temperaturoptimum von 40°C 50 mg/g.d beträgt (Linke u. a., Arch. Acker-Pflanzenbau Bodenkd., Berlin 31 (1987) 10, 677-687).

Im Winter kommt die Nitrifikation von Gülle im offenen Becken vollends zum Erliegen. Auch das Temperaturoptimum für die Denitrifkation liegt bei ca. 40°C.

Es ist weiterhin bekannt, daß die Nitrifikanten autotrophe Mikroorganismen sind, die zu ihrem Wachstum ausschließlich anorganische Kohlenstoffquellen wie z. B. Kohlendioxid benötigen. Das in der Luft enthaltene Kohlendioxid reicht zu einer optimalen Versorgung bei weitem nicht aus.

Trotz der wissenschaftlichen Kenntnis der physiologischen Optimalbedingungen für die Nitrifikanten

- ausreichende Versorgung mit Sauerstoff,
- Prozeßtemperatur von ca. 40°C,
- ausreichende Versorgung mit anorganischem Kohlenstoff,

wurde noch kein Verfahren der Nitrifikation gefunden, daß diese 3 Optimalbedingungen im Komplex technisch und wirtschaftlich vertretbar verwirklicht. Die bekannten Verfahren sind nur auf eine ausreichende Sauerstoffzufuhr zur Oxidation des Ammoniumstickstoffs ausgerichtet.

Lediglich in US 42 31 862 wird versucht, den Belebtschlamm mit Kohlendioxid zu begasen. In DD 2 58 911 ist ein Verfahren zur biologischen Nitrifikation von Abwässern und Abprodukten beschrieben, wo den Nitrifikanten zusätzlich Kohlendioxid oder kohlensaure Salze zugeführt werden.

Mit der allgemeinen Empfehlung in DD 2 58 911, daß für die CO₂-Versorgung der Nitrifikanten als Abprodukt anfallende Kohlensäure und Abgase von Verbrennungsprozessen genutzt werden, ist jedoch das Verfahrenselement der CO₂-Versorgung weder technisch ausführbar noch wirtschaftlich vertretbar.

Kohlensäure wäre zu teuer. Die Heranführung von Abgasen aus Heizungsanlagen und die Kompression der Abgase würde einen hohen Bauaufwand erfordern und gegen Sicherheitsvorschriften verstoßen.

Ein Verfahrenselement zur Erhöhung der Prozeßtemperatur ist in DD 2 58 911 nicht enthalten. Da das Verfahren in einem offenen Nitrifikationsbecken mit Drucklufteinblasung gestaltet ist, müssen im Gegenteil hohe Wärmeverluste in Kauf genommen werden.

Die durch die Erfindung zu lösende technische Aufgabe besteht nun darin, die 3 physiologischen Optimalbedingungen

- ausreichende Versorgung mit Sauerstoff des zu nitrifizierenden Abwassers,
- Erwärmung des zu nitrifizierenden Abwassers auf möglichst 40°C,
- zusätzliche Versorgung des zu nitrifizierenden Abwassers mit Kohlendioxid,

in einem Verfahren gleichzeitig d. h. in Kombination zu verwirklichen. Dabei wird der Energieaufwand zum Hauptproblem. Bei der konventionellen Gülle- und Abwasseraufbereitung war bisher ohnehin die Energie bereits der wichtigste Kostenfaktor. Mit der Nitrifizierung zur weitergehenden Gülle- und Abwasseraufbereitung kommt ein zusätzlicher Aufwand an Elektroenergie zum Antrieb des Belüftungsaggregates hinzu. Will man mit bekannter Technik dann noch Gülle bzw. Abwasser auf die optimale Temperatur zur Nitrifikation/Denitrifikation erwärmen, so übersteigt der energetische Aufwand das wirtschaftlich und z. T. auch technisch machbare. Bei der CO₂-Begasung des zu nitrifizierenden Abwassers muß aus Gründen der Wirtschaftlichkeit die Verwendung externer CO₂-Quellen vermieden werden.

Der tragende Gedanke der Erfindung besteht nun darin, daß das in einer der Nitrifikation vorzugsweise vorgeschalteten anaeroben Verfahrensstufe erzeugte Biogas als verfahrensinterne Energie- und CO₂-Quelle für

- die mechanische Antriebsleistung des Begasungsaggregates,
- die Wärme zur Aufheizung des Abwassers,
- die CO₂-Versorgung der Nitrifikanten

dient. Erfindungsgemäß wird das Abwasser zur Nitrifikation durch ein Gasgemisch aus Luft und CO₂ begast, wobei die CO₂-Konzentration zwischen 1,5% und 10% liegt. Der erhöhte CO₂-Anteil in diesem CO₂-Luft-Gemisch entstammt der Verbrennung des Biogases, wobei naturgemäß 1/3 des CO₂ bereits primär im Biogas enthalten sind und 2/3 sekundär durch die Verbrennung des im Biogas enthaltenen Methans erzeugt werden.

Die Verbrennung des Biogases erfolgt in einer Brennkraftmaschine. Diese treibt das Begasungsaggregat an. Durch die Abwärme der Brennkraftmaschine wird das zu nitrifizierende Abwasser auf vorzugsweise 40°C erwärmt.

Auch für die Denitrifikationsstufe wird diese Abwassertemperatur durch geeignete Isolationsmaßnahmen an den Fermentern und Leitungen annähernd aufrecht erhalten. Die Erfindung stellt also eine Kombination von biologischen und technisch-energetischen Elementen dar, die eine funktionelle Verschmelzung derart erfahren, daß ein geschlossenes biotechnologisches Verfahren mit überraschendem Effekt entsteht, das konventionelle Lösungen weit übertrifft.

Ausführungsbeispiele

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Es wird Faulwasser aus einer Biogasanlage eingesetzt.

Beispiel 1

Aus dem Ablauf der Biogasreaktoren wird durch Sedimentation dieses Faulwasser mit folgenden mittleren Stoffkennwerten gewonnen:

TS
= 8,3 kg/t
oTS	=4,0 kg/t
pH	= 8,1
CSV_Cr	= 5,72 kg/t
NO₃	= 0,03 kg/t
N_K	= 2,35 kg/t
NH₄⁺-N	= 2,05 kg/t
T	= 28°C

Die Nitrifikation verläuft bei einer Temperatur von 40°C und einer mittleren Verweilzeit von 24 Stunden mit 2% CO₂ in der Zuluft und einer Begasungsintensität von 6 m³ Luft/m³ Bioraum und Stunde in einem Tauchstrahlfermentor.

Der Fermentorablauf ist durch folgende Stoffkennwerte gekennzeichnet:

TS
= 5,5 kg/t
oTS	=2,2 kg/t
pH	= 8,3
CSV_Cr	= 3,53 kg/t
N_K	= 1,20 kg/t
NH₄⁺	= 0,92 kg/t
NO₃	= 0,67 kg/t

Die Nitrifikationsgeschwindigkeit läßt sich so auf 200 mg/g.d und mehr steigern.

Das eingesetzte Biogas enthält 67% Methan und 32% Kohlendioxid, so daß je m³ verbrannten Biogases 1 m³ CO₂ dem Abwasser zugeführt wird. Die Brennkraftmaschine ist ein wassergekühlter 4-Takt-Gas-Ottomotor. Das Begasungsaggregat besteht aus einer Kreiselpumpe mit Injektor. Von der im Biogas enthaltenen Energie werden 36% in mechanische Energie zum Antrieb des Begasungsaggregates und 60% der Biogasenergie werden in Form von Motorabwärme als Prozeßenergie genutzt. Da letztendlich auch die Antriebsleistung des Belüftungsaggregates in Wärme umgesetzt wird, stehen somit 96% der Biogasenergie zur Aufwärmung des Abwasser zur Verfügung.

In Beispiel 2 wird der Fermentor mit einer Flüssigkeit mit folgenden relevanten Inhaltsstoffen beschickt:

TS
= 4,3 kg/t
oTS	=1,9 kg/t
pH	= 8,2
CSV_Cr	= 3,38 kg/t
N_K	= 0,82 kg/t
NH₄⁺	= 0,79 kg/t
NO₃	= 0,06 kg/t

Bei gleichen Reaktionsbedingungen wie in Beispiel 1 werden nachfolgende Ergebnisse erzielt:

TS
= 3,1 kg/t
oTS	=0,9 kg/t
pH	= 8,3
N_K	= 0,06 kg/t
NH₄⁺	= 0,04 kg/t
NO₃	= 0,58 kg/t

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

- Erhöhung der Nitrifikationsgeschwindigkeit und der Abbau leistung um ein Vielfaches und damit drastische Reduzie rung der Beckenvolumina.
- Energieautarkie durch verfahrenspezifische Kraft-Wärme-Kopplung; das Biogas als interne Energiequelle wird mit höchstem Wirkungsgrad direkt in mechanische Antriebs leistung umgesetzt und die Motorwärme quasi verlustlos als Prozeßwärme genutzt.
- Keine teure externe CO₂-Quelle, da das Biogas neben seiner energetischen Nutzung gleichzeitig als CO₂-Quelle für die Nitrifikanten dient, wobei ein zusätzliches Gebläse für das Zumischen des CO₂ entfällt, da die Strömungsenergie der Motorabgase gratis dafür genutzt wird.
- Lufthygienischer Effekt, indem auf biologischem Wege durch die Nitrifikanten die CO₂-Emission in den Abgasen des Biogasmotors bedeutend verringert wird.
- Einfache Regelbarkeit durch Veränderung der Motordrehzahl.

Claims

1. Verfahren zur biologischen Nitrifikation von Abwässern, bei welchem den Nitrifikanten zusätzlich Kohlendioxid zugeführt wird, gekennzeichnet dadurch

a) daß das Abwasser durch ein Gasgemisch aus Luft und CO₂ begast wird, wobei die CO₂-Konzentration minimal 1,5% und maximal 10% beträgt,
b) daß der erhöhte CO₂-Anteil in dem CO₂-Luft-Gemisch der Verbrennung des Biogases entstammt, das in einer anaeroben Verfahrensstufe erzeugt wird, welche vorzugsweise der Nitrifikation vor geschaltet ist,
c) daß die Verbrennung des Biogases in einer Brenn kraftmaschine erfolgt, wobei die Brennkraftmaschine das Begasungsaggregat antreibt,
d) daß durch die Abwärme der Brennkraftmaschine die Temperatur des Abwassers in der Nitrifikationsstufe auf vorzugsweise 40°C erhöht wird,
e) daß die durch die Abwärme der Brennkraftmaschine erhöhte Abwassertemperatur auch in der Denitri fikationsstufe durch geeignete Isolationsmaßnahmen annähernd aufrecht erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verzicht auf eine anaerobe Verfahrensstufe die Brenn kraftmaschine alternativ mit anderen Brennstoffen wie Diesel oder Erdgas betrieben wird.