DE4237387C2 - Verfahren und Vorrichtung zur separaten biologischen Stickstoffelimination aus Trübwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur separaten biologischen Stickstoffelimination aus Trübwasser durch Nitrifikation und Denitrifikation und eine Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aufgrund der verschärften Stickstoffeinleitgrenzwer­ te bei der Abwasserreinigung und aus Kostengründen steigt seit einigen Jahren die Bedeutung einer separaten Behandlung der Trübwässer (Zentratwasser, Rejekt­ wasser) aus der Schlammbehandlung. Trübwasser ent­ hält Ammonium-Stickstoff in Konzentrationen bis über 1000 mg/l. Der Trübwasseranfall liegt zwar nur bei 1 bis 2% der Gesamtwassermenge. Aufgrund der hohen Konzentrationen kann die Stickstofffracht jedoch bis zu einem Drittel der Gesamtfracht betragen.

Als Alternative zur bisher allgemein üblichen Einlei­ tung des Trübwassers in den Abwasserhauptstrom und Mitbehandlung in der biologischen Reinigungsstufe wird seit einigen Jahren die physikalisch-chemische Rei­ nigung durchgeführt. Hierbei wird der größte Teil des Ammoniumstickstoffs im Trübwasser unter Einsatz von Chemikalien entfernt und als gelöste oder feste chemi­ sche Verbindung wie z. B. Ammoniumsulfat, Magne­ siumammoniumsulfat u. dgl. wiedergewonnen. Diese Verfahren werden z. B. in der ZS "Wasser, Luft und Boden, Heft 10, 1991 - U. Thorndahl: Reinigung des Rejektwassers senkt Invest- und Betriebskosten beim Kläranlagenausbau" und der ZS "Abwassertechnik, Heft 1, 1992 - B. Schumacher, P. Schu: Ammoniumfällung zur Reduzierung der Nährstoffftracht-Erfahrungsbe­ richt des Bergisch-Rheinischen Wasserverbandes" be­ schrieben. Der Nachteil bei der physikalisch-chemi­ schen Trübwasserbehandlung besteht darin, daß die spezifischen Kosten mit ca. 10,- DM bezogen auf ein kg entfernten Ammonium-Stickstoffs erheblich sind. Ursächlich hierfür sind der hohe Energie bedarf, hohe Kosten der einzusetzenden Chemikalien sowie die auf­ grund der hohen sicherheitstechnischen Anforderungen an die Bevorratung und Handhabung der eingesetzten Lau gen und Säuren anfallenden Kosten. Des weiteren ist die Entsorgung der gebildeten Ammoniumverbin­ dungen sehr problematisch. Die angestrebte Wieder­ verwendung als Dünger in der Landwirtschaft ist nicht gesichert, da diese in hohem Maße vom Verhalten der Endabnehmer der damit erzeugten landwirtschaftlichen Produkte abhängig ist. Die Einhaltung und Gewährlei­ stung bestimmter Schadstoffgrenzwerte können diesen Dünger unter Umständen so verteuern, daß die Ver­ marktung unwirtschaftlich wird. Eine denkbare Entsor­ gung der wasserlöslichen Produkte auf Deponien schließlich kann regelmäßig aus Kostengründen ausge­ schlossen werden. Die separate Trübwasserbehandlung durch physikalischchemische Verfahren wird daher ins­ gesamt als unbefriedigend angesehen.

Aufgrund der Probleme einer physikalisch-chemi­ schen Trübwasserbehandlung wurden auch schon mit Belebtschlamm und Biofilmsystemen Versuche zur bio­ logischen Stickstoffelimination durch Nitrifikation/De­ nitrifikation unternommen, wobei das Ammonium zu­ nächst durch Nitrifikanten unter Sauerstoffverbrauch in Nitrat/Nitrit umgewandelt wird und anschließend Deni­ trifikanten aus den oxidierten Stickstoffverbindungen Stickstoffgas bilden. Hierbei besteht der Nachteil der fehlenden Betriebsstabilität durch Selbsthemmung des Belebtschlamms. Zu hohe Kosten für die Reinigung der ammoniakhaltigen Abluft, zu geringe Reaktorumsatz­ leistung und unzulängliche Sauerstoffnutzung machen diese Verfahren unwirtschaftlich und verhindern bisher die Anwendung der an sich bekannten Nitrifikation/De­ nitrifikation bei Trübwasser.

Es wurden auch schon Versuche einer Trübwasser- Nitrifikation mit Biofilmsystemen durchgeführt, wie es in "D. Nowak: Nitrifikation in Festbettreaktoren zur separaten Trübwasserbehandlung, Hamburg 1989" be­ schrieben ist. Hierbei erwies sich jedoch, daß eine aus­ reichende Sauerstoffversorgung des Festbettreaktors problematisch ist. Auch konnte trotz Entfernung von Feststoffen aus dem Trübwasser vor dem Einbringen des Trübwassers in den Festbettreaktor eine Verstop­ fung der Festbetten nicht verhindert werden. Die Ver­ stopfungsprobleme konnten zwar durch Anwendung der Fließbett-Technologie beseitigt werden, wobei aber ein sicherer Dauerbetrieb sich deshalb als unmöglich herausstellte, weil am Reaktorausgang Trägermaterial des Fließbetts unkontrolliert ausgetragen wurde.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zur separaten biologischen Stickstoffelimination aus Trübwasser so auszubilden, daß eine betriebssichere und kostengünstige Entfernung des Ammoniumstickstoffs aus Trübwasser möglich ist, wo­ bei die Entstehung von zu entsorgenden Reststoffen vermieden werden soll.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe be­ züglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrich­ tung durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Durchführung der Nitrifika­ tion des Trübwassers in einem Abstromfließbettreaktor in Verbindung mit einer Denitrifikationsstufe, bei der die Zufuhr von angereicherter Luft oder reinem Sauer­ stoff für die Sauerstoffversorgung des Biofilms auf dem Fließbettträgermaterial über die Reaktorhöhe verteilt an mehreren Stellen in das Fließbett erfolgt ermöglicht überraschenderweise eine Entfernung des Ammonium­ stickstoffs aus dem Trübwasser, die konkurrenzfähig zur herkömmlichen Mitbehandlung in einer Kläranlage ist. Die Entstehung von Reststoffen, die entsorgt werden müssen, wird vermieden. Durch zeitweise oder perma­ nente kontrollierte Entfernung von Gasansammlungen im Reaktorkopf ist ein störungsfreier Dauerbetrieb des zur Durchführung der Nitrifikation dienenden Ab­ stromfließbettreaktors möglich. Fließbettpartikel wer­ den durch eine Trenneinrichtung aus dem abzuführen­ den Gas ausgeschieden.

Die Trenneinrichtung kann z. B. siebartig ausgebildet sein, wobei die Sieböffnungen kleiner sind als die Fließ­ bettpartikel. Diese können daher mit dem abzuführen­ den Gas nicht mitgerissen werden. Durch Kopplung der Nitrifikationsstufe mit einer Denitrifikationsstufe wird der gebildete Nitrat- bzw. Nitritstickstoff in Stickstoff­ gas umgewandelt. Als Kohlenstoffquelle für die suspen­ dierten oder immobilisierten Denitrifikanten können außer synthetischen Chemikalien wie z. B. Methanol auch Abwasser oder Primärschlamm eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung näher erläu­ tert.

Die Vorrichtung 1 weist eine Nitrifikationsstufe 13 und eine Denitrifikationsstufe 14 auf. Die Nitrifikations­ stufe 13 besteht aus einem Abstromfließbettreaktor 2, an dessen Kopfteil 3 ein Trübwasserzulaufanschluß 6 und ein Anschluß für eine Gasabführleitung 7 vorgese­ hen ist. Im Bereich des Anschlusses der Gasabführlei­ tung 7 befindet sich eine Trennvorrichtung 8, mittels der mit dem abzuführenden Gas mitgerissene Fließbettpar­ tikel aus dem Fließbett 5 zurückgehalten werden. Die Gasabführleitung 7 weist eine Pumpe 15 auf, die konti­ nuierlich oder intermittierend betrieben werden kann.

Über die Höhe des Fließbetts 5 verteilt sind in der Reaktorwand Gaseintrittsstutzen 9 vorgesehen, durch die reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft in das Fließbett 5 eingetragen wird.

Im Bereich des Bodenteils 4 ist ein Trübwasserablauf 10 vorgesehen, der über eine Zulaufleitung 19 mit Pum­ pe 20 bis zu einem Einlauf der Denitrifikationskammer 11 geführt ist. In dieser kann als Kohlenstoffquelle für die Denitrifikanten z. B. Belebtschlamm vorgesehen sein. Der Trübwasserablauf 21 der Denitrifikationskam­ mer 11 ist mit einem Zwischenbehälter 23 verbunden. Am Boden des Zwischenbehälters 23 ist eine Zirkula­ tionsleitung 24 angeschlossen, die bis in den Boden der Denitrifikationskammer 11 geführt ist. In der Zirkula­ tionsleitung 24 befindet sich eine Pumpe 25. Am Über­ lauf des Zwischenbehälters 23 ist eine Trübwasserab­ laufleitung 26 angeschlossen, die mit den Trübwasserab­ lauf 12 verbunden ist.

Der Trübwasserablauf 10 des Abstromfließbettreak­ tors 2 ist mittels einer Rückführleitung 16 mit der Trüb­ wasserzulaufleitung 18 verbunden, die an den Trübwas­ serzulaufanschluß 6 angeschlossen ist. In die Trübwas­ serzulaufleitung 18 mündet ferner der Trübwasserzu­ lauf 22. In der Rückführleitung 16 ist eine Pumpe 17 angeordnet. In der Rückführleitung 16 sind zwei Drei­ wegeventile 27, 28 vorgesehen. Das eine Dreiwegeventil 27 ist mit der Zulaufleitung 19 und das andere Dreiwe­ geventil 28 mit einer Leitung 30 verbunden, die mittels eines weiteren Dreiwegeventils 29 an die Trübwasser­ ablaufleitung 26 angeschlossen ist. Die Dreiwegeventile 27, 28, 29 dienen zur Einstellung der jeweils rezirkulie­ renden Trübwassermengen, so daß die Vorrichtung 1 an wechselnde Trübwasserzusammensetzungen angepaßt werden kann. Es aber auch möglich, die Vorrichtung 1 ohne die Dreiwegeventile 27, 28, 29 zu betreiben.

Bei einer ausgeführten Vorrichtung 1 wurde ein Um­ satzleistung des Abstromfließbettreaktors 2 von zehn kg N/Tag bezogen auf ein m³-Fließbettvolumen erzielt. Die Umsatzleistung der Denitrifikationsstufe 14 lag bei drei kg N/Tag bezogen auf ein m³-Denitrifikationsvolu­ men. Bezogen auf den Ammonium-N-Eingangswert be­ trug die Summe der anorganischen Stickstoffverbindun­ gen im Ablaufwasser weniger als 20%, was einer Stick­ stoffelimination von mehr als 80% entspricht. Die spezi­ fischen Betriebskosten unter Berücksichtigung des Be­ darfs an Energie, Sauerstoff und Methanol zur Entfer­ nung von stündlich zehn kg Ammoniumstickstoff aus Trübwasser durch Nitrifikation und Denitrifikation be­ trugen ca. 2,- DM bezogen auf ein kg eliminiertes NH4-N.

Claims (14)

1. Verfahren zur separaten biologischen Stickstof­ feliminierung aus Trübwasser, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Durchführung der Nitrifikation das Trübwasser in einen Abstromfließbettreaktor eingebracht wird, dessen Fließbett über die Reak­ torhöhe verteilt an mehreren Stellen Sauerstoff zu­ geführt wird, daß dann das aus dem Abstromfließ­ bettreaktor unten austretende Trübwasser einer Denitrifikationskammer zugeführt wird und daß das denitrifizierte Trübwasser über den Trübwas­ serablauf abströmt und/oder in den Kreislauf der Nitrifikationsstufe zurückströmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sauerstoff in Form angereicher­ ter Luft oder als technisch reiner Sauerstoff in den Abstromfließbettreaktor eingetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Denitrifikationsstufe die Deni­ trifikation mit suspendierten Denitrifikanten durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Denitrifikationsstufe die Deni­ trifikation durch immobilisierte Denitrifikanten durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Denitrifikationskammer der Denitrifikationsstufe als Kohlenstoffquelle für die Denitrifikanten eine synthetische Kohlenstoff­ verbindung eingebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Denitrifikationskammer der Denitrifikationsstufe als Kohlenstoffquelle für die Denitrifikanten natürliche Mittel wie Primär­ schlamm, Abwasser od. dgl. eingebracht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Kopfteil des Abstromfließbettre­ aktors entstehende Gasansammlungen kontinuier­ lich oder intermittierend unter Zurückhaltung von Fließbettträgermaterial abgeführt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Abstromfließbettreaktor (2) mit einem am Kopfteil (3) angeordneten Trübwasserzulaufan­ schluß (6) und einer Gasabführleitung (7) mit einer Trennvorrichtung (8), mit über die Höhe des Ab­ stromfließbettreaktors (2) verteilt angeordneten Gaseintrittstutzen (9) und mit einem bodenseitig angeordneten Trübwasserablauf (10), der mit einer Denitrifikationskammer (11) verbunden ist, die mit einem Trübwasserablauf (12) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gasabführleitung (7) mit minde­ stens einer Pumpe (15) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Trübwasserablauf (10) mittels ei­ ner Rückführleitung (16) mit einer Pumpe (17) mit der Trübwasserzulaufleitung (18) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der an die Denitrifikationskammer (11) angeschlossenen Zulaufleitung (19) eine Pum­ pe (20) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Frischwasserablauf (21) der Deni­ trifikationskammer (11) mit einem Zwischenbehäl­ ter (23) verbunden ist, der mittels einer Zirkula­ tionsleitung (24) mit Pumpe (25) mit der Denitrifi­ kationskammer (11) und mittels einer Trübwasser­ ablaufleitung (26) mit dem Trübwasserablauf (12) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Trübwasserablaufleitung (26) mit der Rückführleitung (16) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, 12 und 13, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Rückführleitung (16) zwei Dreiwegeventile (27, 28) angeordnet sind, von denen das eine Dreiwegeventil (27) mit der Zulaufleitung (19) und das andere Dreiwegeventil (28) mit einer Leitung (30) verbunden ist, die mittels eines weiteren Dreiwegeventils (29) an die Trüb­ wasserablaufleitung (26) angeschlossen ist.