DE4041820A1 - Verfahren zur biologischen nitrifikation von abwaessern - Google Patents
Verfahren zur biologischen nitrifikation von abwaessernInfo
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- Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage
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.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung
der Erfindung. Es wird Faulwasser aus einer Biogasanlage
eingesetzt.
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 |
CSVCr | = 5,72 kg/t |
NO₃ | = 0,03 kg/t |
NK | = 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 |
CSVCr | = 3,53 kg/t |
NK | = 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 |
CSVCr | = 3,38 kg/t |
NK | = 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 |
NK | = 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 (2)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4041820A DE4041820A1 (de) | 1990-12-24 | 1990-12-24 | Verfahren zur biologischen nitrifikation von abwaessern |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4041820A DE4041820A1 (de) | 1990-12-24 | 1990-12-24 | Verfahren zur biologischen nitrifikation von abwaessern |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4041820A1 true DE4041820A1 (de) | 1992-06-25 |
Family
ID=6421469
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4041820A Withdrawn DE4041820A1 (de) | 1990-12-24 | 1990-12-24 | Verfahren zur biologischen nitrifikation von abwaessern |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4041820A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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EP3608300A1 (de) | 2018-08-06 | 2020-02-12 | AEV Energy GmbH | Verfahren zur reduzierung des nährstoffgehalts von gülle und geflügelkot |
-
1990
- 1990-12-24 DE DE4041820A patent/DE4041820A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
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