DE4130424C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Stickstoffelimination aus Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Stick­ stoffelimination aus Wasser und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Es ist bekannt, Stickstoff aus Abwasser über die Oxidation des Ammoniums/Ammoniaks zu Nitrit durch Nitroso-Bakterien und zu Nitrat über Nitro-Bakterien und über deren Reduktion durch heterotrophe Mikroorganismen zu elementarem Stickstoff bzw. gasförmigen Stickstoffverbindungen zu eliminieren. Nitrifikan­ ten sind sehr langsam wachsende Organismen, von denen im jeweiligen Milieu nur ein einziger Vertreter von Ammoniak bzw. Nitrit-Oxidierern vorkommt (E.Bock, in Rheinheimer et al.: Stickstoff-Kreislauf im Wasser, Oldenbourg-Verlag, München 1988).

Im folgenden ist die Abwasserreinigung in Form der Stickstoff- Oxidation in den Mittelpunkt gestellt, weil sie einen Engpaß dieses Verfahrens darstellt. Sinngemäß gelten die Ausführun­ gen aber auch für die Behandlung von Abwasser mit schwerer abbaubaren Verbindungen oder für Trinkwasser, das mit speziel­ len Bakterien denitrifiziert werden soll.

Die biologische Abwasserreinigung in den heute üblichen, einstufigen Belebungsanlagen beinhaltet eine mikrobielle Lebensgemeinschaft von meist schneller wachsenden, hetero­ trophen Kohlenstoff-Oxidierern und eben den Nitrifikanten.

Es ist bekannt, daß in Abhängigkeit von der Temperatur des Abwassers der nitrifizierende Schlamm eine Verweildauer von ca. 10 Tagen im Abwasserreinigungssystem benötigt, damit sich in ihm eine ausreichende Anzahl an Nitrifikanten etablieren kann. Die Verweildauer des Schlamms im System wird auch Schlammalter genannt.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, daß infolge Feststoffeintrags über den Zulauf und heterotrophes Mikroorga­ nismenwachstum dem aus Belebungsreaktor und Phasentrenner bestehenden Abwasserreinigungssystem immer wieder Schlamm entzogen werden muß. Dieser Schlamm wird als Überschußschlamm bezeichnet. Mit diesem Schlamm werden aber auch die benötig­ ten Nitrifikanten entfernt.

Weiterhin ist bekannt, daß man Spezialisten in einer Neben­ strombiologie züchten und der eigentlichen Abwasserreinigung (Hauptstrombiologie) zuführen kann. Dieses Verfahren ist biotechnologisch gesehen naheliegend; es wurde vom Erfinder beschrieben und erfolgreich praktiziert (Kunz, P.: Behandlung von Abwasser, Vogel-Verlag, Würzburg 1990).

Von Nachteil bei dem auch in DE-OS 38 26 519 beschriebenen Verfahren ist, daß die mit großem technischem Aufwand gezüch­ teten Spezialisten mit dem Überschußschlamm aus dem System entfernt werden und verloren gehen.

Von weiterem Nachteil ist, daß die Nitrifikanten wesentlich anfälliger auf pH-Wert-Schwankungen oder Einleitungen von Störsubstanzen reagieren, wodurch extern, mit dem Abwasser angezogene, Mikroorganismen ihre Funktion nicht voll ent­ falten können. Ohne Nebenstrombiologie wird es zwar bis zu einigen Wochen dauern, bis die ursprüngliche Leistungsfähig­ keit des Gesamtabwassersystems wiederhergestellt ist, mit Nebenstrombiologie kann die Zeit jedoch nicht verkürzt werden, weil sich das Milieu von Nebenstrom- und Hauptstrom­ biologie unterscheidet. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn in der Nebenstrombiologie Maßnahmen ergriffen werden, die das Milieu stark verändern. DE-OS 38 26 519 beschreibt hierzu pH-Wert-Anpassung und Temperierung. Das dort offen­ barte Vorgehen erreicht mikrobiologisch nicht das gesetzte Ziel.

Es ist auch bekannt (Rheinheimer et al.: Stickstoffkreislauf im Wasser, Oldenbourg-Verlag, München 1988), daß Nitrifikan­ ten zu sessilen Mikroorganismen zählen und sich bevorzugt auf Trägern ansiedeln. In der Praxis werden bislang Kunststoff- Träger der Firmen Linde, Norddeutsche Seekabelwerke oder Envicon, und Kohlearten, wie Aktiv- oder Braunkohle, einge­ setzt.

Nachteilig ist, daß feste Einbauten nicht zur Überimpfung der Nitrifikanten in die Hauptstrombiologie genutzt werden können und nur abgelöste Schlammfetzen zur Unterstützung des Umsetzungs­ prozesses in der Hauptstrombiologie beitragen. Dieser Vorgang kann aber nicht kontrolliert werden.

Nachteilig bei den suspendierten Trägern, wie Kunststoff­ würfel oder Kohlepartikel, ist, daß diese mikrobiell zersetzt oder abgerieben werden und ersetzt werden müssen. Der Abrieb enthält Nitrifikanten, die in die Hauptstrombiologie gelangen und den Umsetzungsprozeß dort wohl stützen können. Allerdings ist auch hier die Menge der überführten Spezialisten nicht oder nur in weiten Grenzen vorherbestimmbar, da der Abrieb zeitlich nicht gesteuert werden kann. Eine gesteuerte Über­ impfung kann nur durch Entnahme von Trägern aus der Neben­ strombiologie, zum Beispiel durch Umpumpen, erfolgen. Diese Träger gehen aber dann mit dem Überschußschlamm verloren. Schließlich zeigt auch die Erfahrung mit dem betriebenen Nitrifikanten-Fermenter, daß die Wirbelschicht nicht beliebig hoch mit Trägermaterial beaufschlagt werden kann und damit der Reservehaltung für den Notfall Grenzen gesetzt sind, auch wenn man eine Eindickung vorsieht. Eine Eindickung verändert wiederum stark das Milieu und reduziert die Leistungsfähig­ keit der Spezialisten.

Die Stickstoff-Oxidation ist wesentlich an den Energie- Stoffwechsel der Nitrifikanten gekoppelt und erfolgt über­ wiegend mit deren Wachstum. Hierfür benötigen die zu den chemolithotrophen Organismen zugehörigen Nitrifikanten Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle für den Baustoffwechsel. Fehlt diese, findet nur eine minimale Stickstoff-Oxidation über den Erhaltungsstoffwechsel der Nitrifikanten statt.

Die Nitrifikation mit den auf das jeweilige Abwasser ange­ paßten Ammoniak- oder Nitritoxidierern ist als der Flaschen­ hals der biologischen Stickstoffelimination zu bezeichnen. In der jüngsten Zeit infolge der Abwassergesetzgebung intensi­ viert durchgeführte Untersuchungen zeigen, daß immer wieder Einbrüche in der Stickstoff-Oxidationswirkung der auf Nitri­ fikation ausgelegten Abwasserbehandlungsanlagen (nach ATV-Richtlinien A 131, St. Augustin 1991) festzustellen sind.

Trotz der genannten Nachteile hat sich die biologische Stickstoffelimination gegenüber Stripp-, Destillier-, Ionen­ austausch- oder chemischen Verfahren als das am wenigsten technisch aufwendige und damit kostengünstigste gezeigt und am Markt etabliert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur biologischen Stickstoff-Oxidation zu schaffen, das die Prozeßstabilität erhöht und die Vorteile der bisher bekannten biologischen Stickstoffelimination beibehält.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Nitrifikanten in Verbindung mit einem Träger gebracht werden, der erstens ein Milieu unabhängig vom Milieu in der Behandlungsanlage schafft und zweitens wieder aus dem wäßrigen System herausgenommen werden kann.

Die Stickstoffoxidation vom Ammonium zum Nitrit und zum Nitrat ist an das Wachstum der Stickstoffoxidierer gekoppelt. Das Wachstum der Nitrifikanten erfordert die Anwesenheit von Kohlendioxid. Um auch unter Bedingungen geringer Kohlendioxid- Produktion in den biologischen Abwasserreinigungsanlagen das Nitrifikantenwachstum zu gewährleisten, werden die Träger vorteilhaft aus carbonathaltigen Materialien zusammenge­ mischt, granuliert und gebrannt, so daß sie ein Schüttgewicht zwischen 300 und 800 kg/m³ aufweisen. Carbonathaltige Materialien sind zweckmäßig Kalkschlämme aus der Wasserauf­ bereitung. Sieht man diese Anreicherung mit Carbonat in den Trägern nicht vor, so bleibt das Wachstum der Nitrifikanten begrenzt, weil durch Senkung der spezifischen Belastung nach den oben erwähnten ATV-Richtlinien pro Volumenelement weniger Kohlendioxid gebildet wird: Das Nitrifikantenwachstum sinkt dadurch zu stark ab.

Weiterhin kann der Träger in wachstumsfördernde enzymakti­ vierende Medien getaucht werden, um das Spezialistenwachstum bzw. die Aktivitätserhaltung der später auf dem Träger angesiedelten Mikroorganismen zu fördern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Entnahme der Träger magnetisch, indem das Abwasser- Belebtschlammgemisch an einem Elektromagneten vorbeigeführt wird und die magnetisierten Eisenspäne eine Richtungsänderung der Träger auf den Elektromagneten hin verursachen. Damit können die Nitrifikanten in einem kleinen Volumen zusammen­ gefaßt, aufkonzentriert und in einer kompakten, sehr kleinen Anlage weiterbehandelt werden.

Außer einer zweckmäßigen Dotierung der Träger mit Eisenspänen ist auch die Verwendung anderer magnetisierbarer Körper denkbar, ohne das Wesen der Erfindung zu verlassen.

Erfindungsgemäß ist aber auch eine alternative Verfahrens­ variante einsetzbar, die - vergleichbar mit einem Fischer­ netz - in einem grobmaschigen Gewebe die granulierten Träger­ materialien aufsammelt das Maschengewebe ständig spült, um Verzopfungen von suspendiertem Belebtschlamm einzugrenzen, und die zurückgehaltenen Träger dem bereits beschriebenen Wäscher zuführt. Verwendet werden können dabei Rüttelsiebe oder vergleichbare Einrichtungen oder Kombinationen davon.

Die Träger werden in ein Tauchbad gegeben, um die unvermeid­ bar, während des Durchganges durch die biologische Behandlungsanlage, angehefteten heterotrophen Organismen zu entfernen, da sie den Sauerstoffzutritt zu den Nitrifikanten schmälern oder ganz unterbinden. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hierzu ein Minimalmedium vor, das die Nitrifikanten mit ihren chemolithoautotrophen Ansprüchen begünstigt, die Heterotrophe aber vom Träger ablöst. Vorzugsweise gelangt der Ablauf dieses Tauchbades in die Denitrifikation, wo er unterstützend wirkt. Die immobilisierten Nitrifikanten - speziell das Enzymsystem - werden durch diese Behandlung reaktiviert.

In diesem Wäscher werden also unerwünschte Belebtschlamm- Organismen abgelöst, wobei dem Wäscher eine Waschflüssigkeit mit Nährstoffkomponenten für die Nitrifikanten und anderen Spezialisten zu deren Reaktivierung zugegeben wird. Die Zugabe von Nährmedien zur Kultivierung von Nitrifikanten ist an sich bekannt, jedoch erlaubt das angegebene Verfahren es erstmals, gleichzeitig das Wachstum der Nitrifikanten zu fördern und andere Mikroorganismen zu schädigen, so daß sie sich von selbst von den Trägern ablösen.

Die zurückgeführten wie auch neue, noch unbenutzte Träger werden anschließend in einen Fermenter gegeben, wie er an sich in der Biotechnologie bekannt ist. Dieser Fermenter kann mit Brunnenwasser, behandeltem Wasser oder auch mit Rohwasser beschickt werden. Rohwasser weist den Vorzug auf, daß die Träger bereits mit dem Wassermilieu in Berührung kommen, dem sie später ausgesetzt werden. Dies ist aber nicht so wesent­ lich, weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Milieu der Spezialisten durch das Trägermaterial determiniert wird. Die Wasserzufuhr kann sich auf wenige Liter pro Tag beschränken. Sie kann sogar allein im Sprühverfahren zur ausreichenden Befeuchtung der Träger noch weiter reduziert werden. Es handelt sich deshalb keinesfalls um eine Nebenstrombiologie.

Erfindungsgemäß wird der Nitrifikanten-Fermenter oder Spezia­ listen-Fermenter allein mit den Stoffen versorgt, die die Mikroorganismen in der biologischen Behandlungsanlage umsetzen sollen. Im Falle der Stickstoffoxidation zum Beispiel sind das Ammoniumsalze.

Außer einer notwendigen Sauerstoff-Versorgung der Nitrifi­ kanten sind weitere Maßnahmen im Nitrifikanten-Fermenter nicht notwendig, da er das gleiche Milieu wie die gesamte Abwasseranlage aufweist, mit dem Unterschied, daß nur die Nitrifikanten wachsen und sich auf dem sie mit Kohlenstoff in Form von CO₂ versorgenden Träger immobilisieren.

Zweckmäßig wird der Sauerstoff bei submersen Reaktoren begasungslos über Membransysteme eingetragen.

Nitrifizierende Mikroorganismen können auch in trocken aufgestellten Türmen kultiviert werden, wenn das Klima entsprechend feucht gehalten wird.

Bei anaeroben Prozessen mit obligat anaeroben Mikroorganismen darf jedoch selbstverständlich kein Sauerstoff zugeführt werden; gegebenenfalls muß das System dann mit Stickstoff oder Kohlendioxid inertisiert werden.

Die mit Nitrifikanten besiedelten Träger werden nach der Ausgangskomponentenbestimmung in die Behandlungsanlage gegeben. Es handelt sich dabei um eine Messung von Abwasser­ komponenten, ihren Bezug auf die vorhandene Biomasse und um eine Gradientenbildung aus Input- und Outputkonzentration, dividiert durch die aktuelle Konzentration der Trockensub­ stanz zur Bestimmung der Stoffumsatzgeschwindigkeit.

Daraus kann in Verbindung mit historischen Daten der Anlage eine Kapazitätsbestimmung erfolgen. Diese liegt darin begrün­ det, daß nicht allein die aktuelle Stoffumsatzgeschwindigkeit maßgebend ist, sondern das Potential oder die Reserve der Mikroorganismen, bei größerem Nährstoffpotential auch höhere Stoffumsätze zu leisten. Stoffumsatzgeschwindigkeiten lassen sich mit dieser Maßnahme um bis zu 40% steigern.

Der wesentliche Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß die mit großem Aufwand kultivierten Spezialisten nicht mit dem übrigen Schlamm ausgetragen werden und verloren gehen, sondern ständig im Kreislauf gefahren werden können. Sie werden dabei so behandelt, daß sie sich regenerieren können. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist, daß die Nitrifikan­ ten nahezu ungestört in ihrem Kultivationsmilieu auf dem Träger verbleiben, so daß nur Komponenten, die im Trägerbe­ reich verstoffwechselt werden können, eine Senke im Trägerbe­ reich bilden und einen Fluß hin zum Träger verursachen. Der Träger seinerseits ist eine Quelle an Carbonat, die das Milieu stark puffert.

Gerade für biologische Behandlungssysteme, in denen unter­ schiedliche Mikroorganismen mit verschiedenen Generations­ zeiten benötigt werden, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet, weil mit ihm die abbaustrukturellen Merkmale der einzelnen Stoffkomponenten in einem einstufigen System realisiert werden können. Gleichzeitig werden die Aufwendungen für die Entwicklung der speziellen Mikroorganis­ men stark reduziert, weil sie in dem System nur unwesentlich verlorengehen.

Das Verfahren ist geeignet für die Trinkwasser-Aufbereitung, wenn Denitrifikation mit speziellen Mikroorganismen gefordert ist, weil mit dem Träger Denitrifikanten im Kreislauf gefah­ ren werden können. Es ist weiterhin geeignet für die biologi­ sche Altlastensanierung in off-site-Reaktoren und generell für Abwasserbehandlungssysteme mit Mischkulturen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiels beschrieben. Die Zeichnung zeigt das Fließbild einer Behandlungsanlage zur biologischen Stickstoffelimination, in der das Abwasser (1) über eine vorgeschaltete Denitrifikation (A) und eine oxidative Behandlung zur Nitrifikation (B) über (2) einer Phasentren­ nung (C) zugeführt wird, in der der biologisch gebildete Schlamm abgetrennt und teilweise als Impfschlamm über den Rücklaufschlammweg (5) mit dem Zulauf vermengt wird. Das vom Schlamm separierte, gereinigte Wasser wird in Richtung (3) abgeleitet. Nitrat-haltiges Wasser wird im Kreislauf (4) geführt, um die reduzierbare Nitratfracht zu erhöhen.

Der Überschlußschlamm (6) wird über den Separator (D) in den übrigen Schlamm (7), der der konventionellen Schlammbehand­ lung (G) zugeführt wird, und die wertvollen Träger (8) getrennt. Die Träger werden dem Wäscher (E) zugeführt, von wo verbrauchte Träger ebenfalls der Schlammbehandlung (11) zugeführt werden.

Die gereinigten Träger werden über eine Transporteinrichtung (9) dem Fermenter (F) zur Immobilisierung der Spezialbak­ terien zugeführt; die abgetrennten Stoffe werden über eine weitere Transporteinrichtung der Denitrifikation (A) zugeführt, wo sie die Reduktion unterstützen können. Im Fermenter (F) werden die Spezialbakterien auf den Träger­ materialien immobilisiert.

In diesem Ausführungsbeispiel besteht der Fermenter aus einem Sprühturm, in den die Träger lose eingefüllt und mit Wasser aus der Behandlungsanlage (4) befeuchtet werden. Über (13) werden dem Fermenter die Komponenten zur Kultivierung der Spezialisten zugeführt, die diese auch in der Behandlungs­ anlage (A) und (B) abbauen sollen. Die Spezialisten und die Abläufe des Befeuchtungswassers aus dem Fermenter werden der Behandlungsanlage (B) zugeführt.

Claims (13)

1. Verfahren zur biologischen Stickstoffelimination, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Oxidation von Ammonium/Ammo­ niak oder Nitrit und die zur Reduktion von Nitrat befähig­ ten Mikroorganismen auf granulierten, anorganische und organische kohlenstoffhaltige Substanzen enthaltenden Trägermaterialien immobilisiert und in Abhängigkeit von der aktuellen Kapazität der Behandlungsanlage mittels Abscheidung aus dem Schlamm-Wasser-Gemisch abgetrennt und wieder zugegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Trägermaterialien Eisenspäne hinzufügt und die Abscheidung aus dem Schlamm-Wasser-Gemisch magnetisch durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die granulierten Trägermaterialien mittels Sieben aus dem Schlamm-Wasser-Gemisch abtrennt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Träger nach der Entnahme in einen Wäscher zur Ablösung unerwünschter Belebtschlamm-Organismen eingeleitet werden, wobei dem Wäscher eine Waschflüssigkeit mit Nährstoffkomponenten für die Nitrifikanten und anderen Spezialisten zu deren Reaktivierung zugegeben wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger vor jeder Anwendung in einen Immobilisierungsreaktor (Fermenter) eingeleitet und aufkonzentriert werden, dem außer Animpfmengen des zu behandelnden Wassers auch die verstärkt abzubauenden Substanzen zugeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß man den Immobilisierungsreaktor (Fermenter) als Kaskade und jedes Kaskadenelement separat betreibt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Träger aus dem Wasser schöpft und einem trocken aufgestellten Immobilisierungsreaktor (Fermenter) in Form eines oder mehrerer Sprühtürme zuführt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Immobilisierungsreaktor frisches Trägermaterial zur Besiedlung mit den standort­ eigenen Mikroorganismen zuführt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stoffumsatzleistung der Mikroorganismen über eine kontinuierliche Ausgangs­ stoffkomponentenbestimmung in Zu- und Ablauf und über eine Trockensubstanz-Bestimmung in der biologischen Behandlungsanlage ermittelt und bei nachlassender Leistung weitere beladene Träger in den biologischen Reaktor überführt, bis der Bedarf an aktiven Mikro­ organismen gedeckt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Träger vor Anwendung in einem Tauchbad mit Vitaminen und Spurenelementen, Wachstumsförderern und Puffersubstanzen in Depotform anreichert.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß verbrauchte Träger der übrigen Schlammbehandlung zugeführt werden.

12. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere Trägersysteme mit unter­ schiedlichen Mikroorganismen einsetzt.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einen Separator zur Entnahme der Träger, eine Immobilisierungsreaktor oder Fermenter genannte Einheit, in der die Träger mit den Mikroorga­ nismen überzogen werden, eine Speichereinheit für ausrei­ chend mit Mikroorganismen überzogene Träger und eine Dosiereinrichtung zur gezielten Zuführung der Träger aufweist.