DE4324410C1 - Verfahren zum Entfernen von Ammonium aus dem Zentratwasser einer biologischen Abwasserreinigungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Ammo­ nium aus dem Zentratwasser einer biologischen Abwasserreini­ gungsanlage, die eine Denitrifikationsstufe, eine Nitrifika­ tionsstufe und eine Schlammbehandlungsstufe für Überschuß­ schlamm mit Schlammentwässerung aufweist, wobei das Ammonium in einer Strippkolonne als Ammoniak aus dem bei der Schlamm­ entwässerung anfallenden Zentratwasser ausgetrieben und das gereinigte Zentratwasser dem Zulauf der biologischen Abwas­ serreinigungsanlage wieder zugeführt wird. Die Ammoniumeli­ mination findet in kommunalen Kläranlagen in Nitrifikations- und Denitrifikationsstufen statt. Diese werden nicht nur mit dem zu reinigenden Abwasser sondern auch mit dem bei der Schlammentwässerung des ausgefaulten Überschußschlammes an­ fallenden Zentratwassers beaufschlagt, welches eine erheb­ liche Schadstofffracht, insbesondere an Ammonium, mitführt. Obwohl die Flüssigkeitsmenge des Zentratwassers bezogen auf die Abwassermenge vernachlässigbar klein ist, entfallen etwa 20% der Stickstoffbelastung in der Abwasserreinigungsanlage auf das in den Zulauf zurückgeführte Zentratwasser. Durch Entfernen von Ammonium aus dem Zentratwasser wird die Reini­ gungsleistung der biologischen Abwasserreinigungsanlage ver­ bessert. Drohende Kohlenstoffdosierung zur Anhebung des C/N- Verhältnisses wird vermieden. Damit verbunden ist auch eine Verbesserung des Denitrifikationsprozesses, der zu einer Ver­ besserung der Nachklärung führt.

Bei dem aus "WLB Wasser, Luft und Boden" 6 (1990), Seiten 30 bis 32 bekannten Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht, wird das Zentratwasser einer Strippkolonne zugeführt, die mit Strippluft arbeitet. Die Strippluft wird im Gegenstrom zur Flüssigkeit geführt und nimmt das in der Flüssigkeit gelöste Ammoniak auf. Die ammoniakbeladene Strippluft wird an­ schließend in einem Waschturm mit Schwefelsäure gewaschen, wobei das Ammoniak in Ammoniumsulfat gebunden und abgeschie­ den wird. Das Ammoniumsulfat wird deponiert, sofern es nicht als minderwertiger Dünger in der Landwirtschaft untergebracht werden kann.

Es ist ferner bekannt, ammoniakhaltiges Destillat, welches bei der Verdampfung von Deponiesickerwasser anfällt, in einer aus Abtriebsteil und Verstärkungsteil bestehenden Rektifika­ tionskolonne durch Dampfstrippung zu reinigen und das abge­ trennte Ammoniak im Verstärkungsteil der Rektifikationsko­ lonne zu Ammoniakwasser aufzukonzentrieren (Tagung "Deponie­ wasserreinigung" in München, 16. April 1991). Das Ammoniak­ wasser kann in Rauchgasentstickungsanlagen von Kohlekraftwer­ ken eingesetzt werden, die selektiv katalytisch in den Rauch­ gasen enthaltene Stickstoffoxide reduzieren (SCR-Verfahren). Ferner besteht die Möglichkeit, Ammoniakwasser zur Konditio­ nierung des Wasser-Dampf-Kreislaufes von Kohlekraftwerken zu nutzen. Die Dampfstrippung ist jedoch mit einem hohen Ener­ giebedarf für die Dampferzeugung verbunden. Außerdem müssen für die Kondensation des beladenen Strippdampfes erhebliche Kühlwassermengen zur Verfügung stehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zum Entfernen von Ammonium aus dem Zentratwasser einer biologischen Abwasserreinigungsanlage an­ zugeben, dessen Energiebedarf klein ist und welches konzen­ triertes Ammoniakwasser als Wertstoff liefert.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Ammo­ niak in der Strippkolonne mit Wasserdampf ausgestrippt wird, daß der am Kopf der Strippkolonne abgezogene Strippdampf ver­ dichtet und als Heizdampf eingesetzt wird, um den in der Strippkolonne benötigten Wasserdampf zu erzeugen, und daß das anfallende Strippdampfkondensat einer Rektifikationskolonne zugeführt wird, die einen Verstärkungsteil und einen Ab­ triebsteil aufweist, wobei am Kopf der Rektifikationskolonne Ammoniakwasser mit einem Ammoniakgehalt von mindestens 20 Gew.-% als Werkstoff abgezogen wird und wobei aus der Rekti­ fikationskolonne ein Sumpfprodukt mit geringem Ammoniakgehalt in den Zulauf zur Strippkolonne zurückgeführt wird. - Das er­ findungsgemäße Verfahren arbeitet zweistufig. In der ersten Stufe erfolgt die Reinigung des Zentratwassers durch Dampf­ strippung. Das Zentratwasser fließt als gereinigte Flüssig­ keit aus der ersten Stufe wieder ab. Die erste Stufe ist mit einem Brüdenverdichter ausgerüstet. Dieser verdichtet den am Kopf der Strippkolonne abgezogenen beladenen Strippdampf so weit, daß die Kondensationstemperatur oberhalb der Siedetem­ peratur liegt, welche für die Heizdampferzeugung benötigt wird. Dadurch kann die Kondensationswärme zur Erzeugung des in der Strippkolonne benötigten Wasserdampfes genutzt werden. Der Ammoniakgehalt im Strippdampf entspricht dem Dampf/Flüs­ sigkeits-Gleichgewicht bezogen auf die Ammoniak-Zulaufkonzen­ tration im Zentratwasser. Die Ammoniakkonzentration des Strippdampfes ist verhältnismäßig klein und unabhängig von der Produktendkonzentration des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Ammoniakwassers. Das hat den Vorteil, daß die Dampfdruckabsenkung durch Ammoniakanteile im Stripp­ dampf gering und die erforderliche Verdichtung des Stripp­ dampfes technisch leicht beherrschbar ist. Es können ein­ stufige Radialverdichter als Brüdenverdichter eingesetzt wer­ den. In der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Aufkonzentrierung des anfallenden Stippdampfkon­ densates in einer Rektifikationskolonne. Im Verstärkungsteil der Rektifikationskolonne erfolgt eine Ammoniakaufkonzentra­ tion, wobei am Kopf der Kolonne Ammoniakwasser mit einem Ammoniakgehalt von mindestens 20 Gew.-%, - falls gewünscht, auch technisch reines Ammoniak, - abgezogen wird. Da der Zu­ lauf zur Rektifikationskolonne annähernd Siedetemperatur auf­ weist und bei ausreichender Stufenzahl der Rektifikationsko­ lonne mit kleinen Rücklaufverhältnissen gearbeitet werden kann, ist der Energiebedarf für den Betrieb der Rektifika­ tionskolonne klein.

Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß in einem der Strippkolonne vorgeschalteten Riesler Kohlendioxid aus dem Zentratwasser entfernt wird. Für den Strippvorgang ist erforderlich, daß Ammonium als flüchti­ ges molekulares NH₃ im Zentratwasser vorliegt. Gemäß dem Dissoziationsgleichgewicht wird der pH-Wert des Zentratwas­ sers vor Eintritt in die Strippkolonne durch Alkalidosierung im basischem Bereich eingestellt. Das Dissoziationsgleichge­ wicht ist temperaturabhängig und verschiebt sich mit anstei­ gender Temperatur in Richtung auf kleinere pH-Werte. Unter Berücksichtigung der in der Strippkolonne herrschenden Tempe­ raturen ist ein pH-Wert von 9 ausreichend. Zweckmäßig kann es ferner sein, die Rektifikationskolonne mit gegenüber atmosphärischem Druck erhöhtem Druck zu betreiben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 das stark vereinfachte Blockschema einer biologischen Abwasserreinigungsanlage mit einer Zentratwasserbe­ handlungsanlage zum Entfernen von Ammonium,

Fig. 2 das Anlagenschema der Zentratwasserbehandlungsanlage.

Die in Fig. 1 dargestellte Abwasserreinigungsanlage umfaßt in ihrem grundsätzlichen Aufbau eine Denitrifikationsstufe 1, eine Nitrifikationsstufe 2 und eine Schlammbehandlungs­ stufe 3 für Überschußschlamm mit Schlammentwässerung 4. Der aus der Schlammentwässerung 4 abgezogene Schlamm 5 wird im allgemeinen deponiert oder verbrannt. Die in der Schlamment­ wässerung anfallende Flüssigkeit wird als Zentratwasser 6 be­ zeichnet. Das Zentratwasser enthält eine beachtliche Schad­ stofffracht, insbesondere Ammonium. Das Zentratwasser 6 wird in einer Zentratwasserbehandlungsanlage 7 gereinigt und an­ schließend dem Zulauf 8 der biologischen Abwasserreinigungs­ anlage wieder zugeführt. Als Wertstoff fällt in der Zentrat­ wasserbehandlungsanlage 7 Ammoniakwasser 9 mit einem Ammo­ niakgehalt von mehr als 20 Gew.-% an. Das Ammoniakwasser 9 kann in Rauchgasentstickungsanlagen von Kohlekraftwerken ein­ gesetzt werden, die selektiv katalytisch die in den Rauch­ gasen enthaltenen Stickstoffoxide reduzieren (SCR-Verfahren).

Ferner besteht die Möglichkeit, das Ammoniakwasser zur Kondi­ tionierung des Wasser-Dampf-Kreislaufes von Kohlekraftwerken zu nutzen.

Das Anlagenschema der Zentratwasserbehandlungsanlage 7 ist in Fig. 2 dargestellt. Zum Aufbau der Anlage gehören eine Strippkolonne 10 mit Brüdenverdichter 11 und Verdampfer/Kon­ densator-Einheit 12 sowie eine Rektifikationskolonne 13 mit Verdampfer 14 und Kondensator 15. Die Zentratwasserführung besteht aus einem an die Strippkolonne 10 angeschlossenen Zu­ lauf 16, einem an den Sumpf der Strippkolonne 10 angeschlos­ senen Ablauf 17 für gereinigtes Wasser sowie Wärmetauschern 18 zur Vorwärmung des der Strippkolonne 10 zugeführten Zen­ tratwassers. In der Strippkolonne 10 wird Ammoniak mit Wasserdampf aus dem Zentratwasser ausgestrippt. Der am Kopf der Strippkolonne 10 abgezogene Strippdampf wird mittels des Mittels des Brüdenverdichters 11 verdichtet und in der Ver­ dampfer/Kondensator-Einheit 12 als Heizdampf eingesetzt, um den in der Strippkolonne 10 benötigten Wasserdampf zu erzeu­ gen. Das in der Verdampfer/Kondensator-Einheit anfallende Strippdampfkondensat 19 wird der Rektifikationskolonne 13 zu­ geführt, die einen Verstärkungsteil 20 und einen Abtriebsteil 21 aufweist. Am Kopf der Rektifikationskolonne 13 wird Ammoniakwasser mit einem Ammoniakgehalt von mindestens 20 Gew.-% als Wertstoff abgezogen. Ferner wird aus der Rektifi­ kationskolonne 10 ein Sumpfprodukt mit geringem Ammoniakge­ halt abgeführt und über die Rückführleitung 22 in den Zulauf zur Strippkolonne 10 zurückgeführt.

Das Zentratwasser wird vorbehandelt, bevor es der Strippko­ lonne 10 zugeführt wird. Die Vorbehandlung umfaßt vorzugsweise einen der Strippkolonne 10 vorgeschalteten Riesler, in dem Kohlendioxid aus dem Zentratwasser entfernt wird. Außerdem wird der pH-Wert des Zentratwassers vor Eintritt in die Strippkolonne 10 durch Alkalidosierung im basischen Bereich eingestellt.

Claims (4)

1. Verfahren zum Entfernen von Ammonium aus dem Zentratwasser einer biologischen Abwasserreinigungsanlage, die eine Deni­ trifikationsstufe, eine Nitrifikationsstufe und eine Schlamm­ behandlungsstufe für Überschußschlamm mit Schlammentwässerung aufweist, wobei das Ammonium in einer Strippkolonne als Ammoniak aus dem bei der Schlammentwässerung anfallenden Zen­ tratwasser ausgetrieben und das gereinigte Zentratwasser dem Zulauf der biologischen Abwasserreinigungsanlage wieder zuge­ führt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ammoniak in der Strippkolonne mit Wasser­ dampf ausgestrippt wird, daß der am Kopf der Strippkolonne abgezogene Strippdampf verdichtet und als Heizdampf einge­ setzt wird, um den in der Strippkolonne benötigten Wasser­ dampf zu erzeugen, und daß das anfallende Strippdampfkonden­ sat einer Rektifikationskolonne zugeführt wird, die einen Verstärkungsteil und einen Abtriebsteil aufweist, wobei am Kopf der Rektifikationskolonne Ammoniakwasser mit einem Ammoniakgehalt von mindestens 20 Gew.-% als Wertstoff abge­ zogen wird und wobei aus der Rektifikationskolonne ein Sumpf­ produkt mit geringem Ammoniakgehalt in den Zulauf zur Stripp­ kolonne zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem der Strippkolonne vorgeschalteten Riesler Kohlendioxid aus dem Zentratwasser entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert des Zentratwassers vor Eintritt in die Strippkolonne durch Alkalidosierung im basischem Bereich ein­ gestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rektifikationskolonne mit einem gegen­ über atmosphärischem Druck erhöhten Druck betrieben wird.