DE4419621A1 - Verfahren und Vorrichtung für die biologische Reinigung von Wasser oder Abwasser zur Elimination von Kohlenstoff, Stickstoff- und Phosphorverbindungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Wasser mit einer Verschmutzung von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen, wobei durch eine mehrstufige, anaerobe, anoxische und aerobe Prozeßführung die Schmutzfrachten mit einem hohen Wirkungsgrad wirt­ schaftlich eliminiert werden.

Die zunehmende Belastung von Flüssen, Seen sowie des Grundwassers durch den Eintrag an Stickstoff- und Phos­ phorverbindungen, insbesondere von industriellen und kom­ munalen Abwässern, verursacht eine Eutrophierung der Ge­ wässer. Hierbei ist das Grundwasser besonders durch Nitra­ te toxisch belastet und kann erst nach entsprechender Auf­ bereitung als Trinkwasser verwendet werden.

Um die steigenden, strengen Auflagen für den Ge­ wässerschutz zu erfüllen, müssen viele Abwasserreinigungs­ anlagen entsprechend nachgerüstet oder ausgebaut werden, wobei durch den Einsatz von zusätzlichen Einrichtungen - insbesondere chemischen Fällungsstationen - sich die Be­ triebskosten für Energie und Chemikalien erhöhen.

Darüber hinaus liegen bei vielen Abwässern ungünstige Parameter des Kolhenstoff/Stickstoff- oder des Kohlen­ stoff/Phosphorverhältnisses vor, so daß eine biologische Behandlung des Wassers nur durch die Zudosierung von zu­ sätzlichen Nährstoffen möglich ist.

Problematisch ist auch die Behandlung von Abwässern mit einem hohen Anteil von Stickstoff- und/oder Phosphor­ verbindungen, wie dies in vielen Bereichen der Lebensmit­ telindustrie der Fall ist. Die Nährstoffe werden infolge der geringen Überschußschlammproduktion in der Anaerobstu­ fe kaum reduziert. Beim Stickstoff findet eine Hydrolyse des organischen Stickstoffe zum Ammonium statt. Dieses kann in einer aeroben Stufe zwar nitrifiziert werden, häu­ fig kommt es jedoch zu Hemmungen durch hohe Ammonium- oder Nitritkonzentrationen. Die Denitrifikation scheitert bei einer hohen, anaeroben Vorreinigung meistens durch den Mangel an Kohlenstoffverbindungen. Um eine weitgehende Denitrifikation zu erreichen, müssen oft externe Kohlen­ stoffquellen - wie Methanol - zudosiert werden, was hohe Kosten verursacht. Zur Behandlung von Abwässern mit hohen Stickstoffkonzentrationen stehen neben der biologischen Reinigung (Nitrifikation/Denitrifikation) auch chemisch/ physikalische Verfahren zur Verfügung, wie Strippung, Knickpunktchlorung, Ionenaustausch, Umkehrosmose, Eindamp­ fung und Magnesium-Ammonium-Phosphat-Fällung. Alle zeich­ nen sich durch hohe Bau- und Betriebskosten aus und sind nur dann wirtschaftlich einzusetzen, wenn die Reststoff­ verwertung garantiert werden kann. Somit stellt die biolo­ gische Reinigung meist die kostengünstigste Alternative dar.

Aufgrund dieser Probleme ist ein Verfahren zur Stick­ stoffelimination entwickelt worden, wo nicht der komplette Abbauweg von Ammonium über Nitrit zum Nitrat und der an­ schließenden Denitrifikation des Nitrates durchlaufen wird, sondern die Nitrifikation bei dem Zwischenprodukt Nitrit endet, wobei dieses denitrifiziert wird.

Die Nitrifikation erfolgt in zwei Teilschritten, und zwar der Nitritation, d. h. der Oxydation von Ammonium zu Nitrit durch Nitrosomonas und der Nitratation, d. h. der Oxydation von Nitrit zu Nitrat durch Nitrobacter. Beide Organismengruppen sind obligat aerob und benötigen CO₂ als Kohlenstoffquelle. Sie zeichnen sich durch geringe Wachs­ tumsraten, hohe Empfindlichkeit gegenüber den pH-Wert- und Temperaturschwankungen sowie toxischen Inhaltsstoffen aus. Die Nitrifikation wird hauptsächlich von zwei Bakterien­ gruppen, nämlich den Nitrosomonas und den Nitrobacter ge­ mäß den nachstehenden Rekationen durchgeführt:

Ammoniumoxydation durch Nitrosomonas

NH₄⁺ + 1,5 O₂ → NO₂⁻ + H₂O + 2 H⁺ + 352 KJ

Nitritoxydation durch Nitrobacter

NO₂⁻ + 0,5 O₂ → NO₃⁻ + 73 KJ

Die Stickstoffelimination über Nitrit hat im Vergleich zum Weg über Nitrat zwei wesentliche Vorteile:

• - für die Nitrifikation werden nur 75% des Sauer­ stoffes benötigt;
• - für die Denitrifikation sind nur 60% des Kohlen­ stoffes - im Vergleich zur Nitratdenitrifika­ tion - erforderlich.

Um die Nitrifikation auf den ersten Teilschritt der Nitritation zu begrenzen, muß die Aktivität der Nitrobac­ ter weitgehend eingeschränkt werden, wobei man gleichzei­ tig den Nitrosomonas Wachstumsvorteile verschafft.

Es gibt verschiedene Formen der Substrat- und Produkt­ hemmung für die chemolithotrophen Bakterien Nitrosomonas und Nitrobacter. Nitrosomonas und Nitrobacter reagieren unterschiedlich auf Ammoniak und salpetrige Säure. Die Empfindlichkeit der Nitrobacter gegenüber Ammoniak ist wesentlich größer als die der Nitrosomonas. Bei einer Am­ moniakkonzentration von 10 mg NH₃/l ist in der aeroben Stu­ fe die Nitratation vollständig gehemmt, während die Nitri­ tation mit maximaler Umsatzgeschwindigkeit abläuft. Die Hemmwirkung ist immer von der Konzentration an Ammoniak und salpetriger Säure abhängig. Als Steuerungsparameter ist die Ammoniakkonzentration jedoch gut geeignet. Die Konzentration an salpetriger Säure wird pH-Wert-abhängig durch den Wirkungsgrad der Denitrifikation. d. h. von der Rest-Nitritkonzentration im Reaktor, bestimmt.

Infolge ihrer geringen Wachstumsraten sind Nitrifikan­ ten erheblich empfindlicher gegen Hemmstoffe als chemoor­ ganotrophe Organismen.

Besonders interessant sind die Hemmungen durch die nicht dissoziierten Formen der jeweiligen Substrate Ammo­ nium (Ammoniak, NH₃) und Nitrit (salpetrige Säure, HNO₂). Die Konzentration von Ammoniak bzw. salpetriger Säure hängt von der Ammonium- bzw. Nitritkonzentration, vom pH- Wert und von der Temperatur ab.

Ammoniak kann nun zum einen eine Substratüberschußhem­ mung der Nitrosomonas auslösen, zum anderen nicht-kompeti­ tiv oder kompetitiv hemmend auf die Nitrobacter wirken. Unter ungünstigen Bedingungen kann es zu einem vollständi­ gen Zusammenbruch der Nitrifikation kommen.

Als wesentliche Faktoren der Betriebsbedingungen sind der Sauerstoffgehalt und der pH-Wert zu nennen. Die Sauer­ stoffsättigung für Nitrobacter liegt bei 1 mg O₂/l und für Nitrosomonas bei 0,3 mg O₂/l. Dies bedeutet, daß die Nitra­ tation bei 1,5 bis 2 mg O₂/l nur mit 60 bis 70% der maxi­ malen Umsatzrate abläuft. Ein - auch kurzfristiger - Sau­ erstoffmangel kann daher zu Nitritanreicherungen mit den oben beschriebenen Folgen führen.

Schwankungen des pH-Wertes haben neben dem direkten Einfluß auf die Nitrifikanten vor allem eine Verschiebung des Dissoziationsgleichgewichtes Ammonium - Ammoniak (NH₄⁺ /NH₃) und Nitrit - salpetrige Säure (NO₂⁻/HNO₂) zur Folge.

Die nachstehenden Gleichungen gelten streng genommen nur für Reinwasser. Viele Abwasserinhaltsstoffe (z. B. Salze) beeinflussen jedoch das Dissoziationsgleichgewicht mehr oder weniger.

K_a = e ^{(-2.300/(273 + °C))}
K_b = Basekonstante des Ammoniak
K_w = Ionenprodukt des Wassers
K_b/K_w = e ^{(6.344/273 + °C)}

Mit fallendem pH-Wert steigt der Anteil salpetriger Säure, der des Ammoniaks sinkt und umgekehrt. Da diese beiden undissoziierten Formen im wesentlichen für die Hem­ mungen verantwortlich sind, wirken sich die pH-Wert- Schwankungen indirekt auf die Umsatzleistungen aus.

Zur Hemmung der Nitratation, d. h. zum stabilen Be­ trieb der Nitrifikation bis zum Nitrit, ist die Einhaltung einer relativ konstanten Ammoniakkonzentration von Bedeu­ tung. Die Nitritation darf also nicht vollständig ablau­ fen, da der Ammoniakgehalt dann gleich Null und der hem­ mende Faktor somit aufgehoben ist. Da die Nitrifikanten sehr lange Generationszeiten haben, setzt die Nitratation nicht sofort mit dem Absinken des Ammoniakgehaltes ein. Kurzzeitige Schwankungen der Ammoniakkonzentration sind daher ohne Bedeutung. Die Ammoniakkonzentration muß daher durch Anhebung des pH-Wertes auf 8,2 bis 8,4 mittels Na­ tronlaugedosierung sowie durch Regelung des Ammoniumgehal­ tes auf 20 mg NH₄-N/l, entsprechend 1,8 mg NH₃/l, einge­ stellt werden. Da die Hemmgrenzen für Nitrobacter zwischen 0,1 und 1 mg NH₃/l liegen, ist sichergestellt, daß eine weitgehende Hemmung vorliegt. Die Einstellung des Ammoni­ umgehaltes kann mit einem kontinuierlichen NH₄-Meßgerät über die Regelung der Sauerstoffzufuhr erfolgen.

Für Nitrobacter tritt eine Hemmung bereits ab 1 mg NH₃/l ein. Die Nitrosomonas werden erst bei Konzentrationen über 40 mg NH₃/l gehemmt. Nach Untersuchungen tritt eine vollständige Hemmung der Nitratation bei 1 mg NH₃/l und der Nitritation bei 7 mg NH₃/l ein, wobei eine Reaktion bei 20 mg/l nicht mehr erfolgt.

Durch die Einstellung der erforderlichen Ammoniak- und Nitritwerte in der Nitritstufe müssen Restkonzentrationen von Ammonium und Nitrit in einer nachgeschalteten Nitrat­ stufe aufoxydiert werden.

Unter Denitrifikation versteht man die Veratmung von Nitrit- oder Nitratsauerstoff durch chemoorganotrophe Or­ ganismen bei Sauerstoffmangel unter Freisetzung von ele­ mentarem Stickstoff N₂. Für die Sauerstoffatmung wird Koh­ lenstoff als Substrat benötigt. Zur Auslegung von Kläran­ lagen kann man den BSB (BSB: Biologischer Sauerstoffbedarf in fünf Tagen (mg/l)) als Parameter zur Charakterisierung der Denitrifikationskapazität heranziehen. Bei einem BSB/N-Verhältnis < 3 kann vollständig denitrifiziert wer­ den. Da jedoch ein Teil des Kohlenstoffes auch in der Ni­ trifikation umgesetzt wird, benötigt man in der Praxis ein Verhältnis meistens von 5 bis 7.

Die Denitrifikation über Nitrit ist jedoch bereits bei einem Verhältnis von BSB/N < 1 möglich.

Darüber hinaus ist es von Bedeutung, daß den Denitri­ fikanten ein organisches Substrat wie Essigsäure, Propein­ säure usw. durch eine anaerobe Vorstufe zur Verfügung ge­ stellt wird.

Auch die Denitrifikanten werden durch salpetrige Säure gehemmt. In Batchtests wurde die Hemmkonzentration mit 0,13 mg HNO₂/l bestimmt. Nicht nur die Denitrifikation, sondern auch der Abbau von Kohlenstoffverbindungen mit Sauerstoff, wird stark gehemmt, wobei es zur Anreicherung von N₂O und NO kommt.

Bei pH-Werten zwischen 8,0 und 8,5 entspricht dies jedoch Konzentrationen, die unter der ermittelten Hemmkon­ zentration liegt.

Die Denitrifikation findet in einem breiten Spektrum des pH-Wertes statt, wobei Werte zwischen 6 und 9 bekannt sind.

Da bei einem Wert zwischen 7 und 8 die optimale Deni­ trifikation verläuft, kann bei einer Einstellung des pH- Wertes zwischen 8 und 8,5 noch mit einer hohen Umsatzlei­ stung der Nitritationsrate gerechnet werden.

Der Grad der Nitrifikation hängt jedoch entscheidend von der Säurekapazität bzw. dem Pufferungsvermögen des Abwassers ab. Durch die Nitrifikation tritt ein Alkali­ tätsverbrauch auf, der durch die Denitrifikation nur zur Hälfte kompensiert werden kann. Der Bruttoverbrauch liegt bei 4,39 mg bzw. 0,07 mmol Karbonathärte pro mg oxydiertem Ammonium-Stickstoff. Ein Mangel an Hydrogencarbonationen führt zu einer Begrenzung der Nitrifikationsleistung. Da­ her sollte aus Gründen der Sicherung einer weitgehenden Nitrifikation eine Restsäurekapazität von 2 mmol/l im Ab­ lauf eingehalten werden.

Um ein Absinken des pH-Wertes zu verhindern, muß das gebildete CO₂ ausreichend ausgestrippt werden.

Die biologische Phosphorelimination ist vom Phosphor­ gehalt im Schlamm und von der Überschußschlammproduktion abhängig. Für eine vermehrte Phosphoraufnahme der poly­ phosphatspeichernden Bakterien ist die Verfügbarkeit von leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindungen von Bedeutung.

Bei einer Verfahrenstechnik, bei der Belebtschlamm den dauernden Wechsel von anaeroben und aeroben Prozessen durchläuft, kann bei einem normal zusammengesetzten Abwas­ ser mit einer Phosphorentfernung von 90% gerechnet wer­ den.

Die Phosphataufnahme und das Wachstum polyphosphat­ speichernder Bakterien ist in einem pH-Wertbereich von 7 bis 8,5 als optimal zu erwarten, wobei die Bakterien mehr Phosphat aufnehmen als für ihr Wachstum erforderlich ist.

Darüber hinaus ist die Phosphataufnahme von der Was­ serzusammensetzung, der Prozeßführung einer Anlage und von anderen Umweltfaktoren abhängig.

Eine stabile, weitergehende biologische Phosphorent­ fernung kann in einem Reaktor nur erzielt werden, wenn vorher, in der anaeroben Stufe, eine teilweise Phosphat­ rücklösung aus der Biomasse stattgefunden hat. Die Phos­ phatrücklösung ist bis zu einem Grenzwert direkt mit der Aufnahme von organischen Substraten wie Propein- und Es­ sigsäure, durch die Biomasse des Belebtschlammes korre­ liert. Der pH-Wert sollte hierbei im alkalischen Bereich liegen.

Die anaerobe oder anoxische Vorstufe nimmt für eine optimale Phosphorelimination eine Schlüsselrolle ein, wo­ bei es von Bedeutung ist, daß dem sauerstoff- und nitrat­ freien Wasser ein leicht verwertbares Substrat in ausrei­ chender Menge zugeführt wird, um ein hohes BSB/NO_x-Verhält­ nis zu erzielen.

Da die Anreicherung von polyphosphatspeichernden Stäm­ men von der Betriebsweise einer Anlage abhängig ist, rei­ chern sich in Kläranlagen mit Nitrifikation und Denitrifi­ kation bestimmte physiologische Stämme an. Es kann daher unter anoxischen Bedingungen Phosphat in den Zellen aufge­ nommen werden. Unter dem Aspekt einer anaeroben-anoxischen Prozeßführung läßt sich auch eine höhere Phosphataufnahme und Polyphosphatspeicherung, mit Nitrit als Elektronenak­ zeptor, erreichen.

Die vorgenannte Aufnahme und Speicherung von Phosphor­ verbindungen erfolgt in der aeroben Stufe, wenn in den Zellen ein hoher Adenosintriphosphat-Spiegel und Energie­ gehalt vorliegt. Es kann daraus geschlossen werden, daß das gespeicherte Polyphosphat von den Bakterienzellen als Energiereserve zur ATP-Bildung (ATP: Adenosintriphosphat) genutzt wird, wenn ATP aus Mangel an Sauerstoff nicht mehr im Atmungsstoffwechsel gebildet werden kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Reaktor unter Nutzung der vorgenannten biologischen Erkenntnisse bzw. Erfahrungen anzugeben, bei dem die ein­ zelnen Prozesse durch eine entsprechende Verfahrenstechnik optimal aufeinander abgestimmt sind, um die Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen mit einem hohen Wir­ kungsgrad wirtschaftlich zu eliminieren.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäß kombinierte Schlaufen-Rohr-Reaktor wird als Aeranox-Reaktor bezeichnet und arbeitet mit ver­ schiedenen externen Aggregaten.

Die Erfindung soll daher nachfolgend anhand der bei­ gefügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Aeranox-Reaktors mit Schaltschema der externen Aggregate und Ap­ parate;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Reaktors mit anoxischer und aerober Stufe sowie Luft­ zuführung für Zweistoff-Schlitzinjektoren;

Fig. 3 einen vergrößerten, waagerechten Schnitt durch den Reaktor mit Anordnung der Zwei­ stoff-Schlitzinjektoren;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Zwei­ stoff-Schlitzinjektors;

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des Reaktors gemäß Fig. 1;

Fig. 6 einen senkrechten vergrößerten Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Aeranox- Reaktors mit Anordnung eines integrierten Rohrreaktors;

Fig. 7 einen senkrechten vergrößerten Schnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Aeranox- Reaktors mit Anordnung eines integrierten Rohrreaktors.

Die Zeichnungen zeigen in den Fig. 1 und 5 einen modi­ fizierten Schlaufen-Reaktor mit einem ersten Reaktorraum 1, in dem ein Rohrreaktor 16 und der Schlaufen-Reaktor 18/19 integriert sind, sowie einen zweiten Reaktorraum 2 mit Schlaufen-Reaktor.

Die Anordnung des Reaktorraumes 1, mit Rohr- und Schlaufen-Reaktor, befindet sich im Reaktorraum 2, wobei der gesamte Reaktor durch externe Aggregate beschickt wird.

Die Zeichnung zeigt in den Fig. 6 und 7 modifizierte Schlaufen-Reaktoren mit jeweils einem ersten Reaktorraum 1, in denen jeweils kombinierte, unterschiedlich gestalte­ te Schlaufen-Rohrreaktoren integriert sind, sowie jeweils einen zweiten Reaktorraum 2 mit Schlaufen-Reaktor.

Beide Reaktoren werden durch die externen Aggregate gemäß Fig. 1 beschickt.

Der Reaktorraum 1 weist einen flachen Boden mit kegel­ förmigem Anschnitt 40 auf, und der Reaktorraum 2 ist mit einem kegelförmigen Boden versehen. Im Reaktorraum 1 sind noch ein Wärmetauscher 17, ein Kaskadenelement 28, ein Leitrohr 6, ein Mischinjektor 7, Zweistoff-Schlitzinjekto­ ren 3 und im Reaktorraum 2 ein Leitrohr 8 angeordnet.

Die Fig. 2 zeigt die Trennung der Gasräume von Reaktor 1 und 2 durch eine doppelwandige Rohrwand 9/11, wobei die­ se Rohrwand für die Zuführung von Luft in eine Kammer 4 mit einem unteren offenen Lochboden 5 ausgebildet ist.

In Fig. 3 ist die Anordnung der Zweistoff-Schlitzin­ jektoren 3 dargestellt.

Die Rohrwand 9 bildet den Ringraum des Reaktorraums 2 und ist im unteren Bereich mit einer Leitrohreinschnürung 36 ausgeführt.

Der Reaktorraum 1, Fig. 5, 6 und 7, ist durch Rohrwän­ de 11 und 12 begrenzt. In diesem Reaktorraum befindet sich nach Fig. 5 im unteren Bereich ein Rohrreaktor 16 mit Kas­ kadenelement 14.

In Fig. 6 ist im unteren Bereich des Reaktorraumes 1 ein kombinierter Schlaufen-Rohrreaktor mit einem Leitrohr 66 und Kaskadenelementen 65/67 sowie einem Leitrohr 63 und Kaskadenelemente 62/64 angeordnet.

In Fig. 7 ist der kombinierte äußere Schlaufen-Rohrre­ aktor mit dem Leitrohr 63 mit rhombusförmigen Kaskadenele­ menten 62/69/70 ausgebildet.

Die Kaskadenelemente sind in allen Reaktoren in Tel­ lerform konstruiert.

Als Begasungselemente wurden geschlitzte Schlauchbe­ lüfter 10 oder auch Polyethylenkerzen mit gesintertem Ma­ terial vorgesehen.

Der in den Fig. 1 und 5 dargestellte Reaktor arbeitet wie folgt:

Das zu behandelnde Wasser wird aus einem Sammelbehäl­ ter 59 entnommen und mittels einer Beschickungspumpe 49 über eine äußere Doppelrohrleitung 15 mit Verteilerkopf 13 in den anaerob arbeitenden Schlaufen-Reaktor 18/19 einge­ speist.

Die kreisförmige Substratumwälzung 31 erfolgt in dem Schlaufen-Reaktor 18/19 durch die Einpressung von Biogas mittels eines Gasverdichters 27. Das Biogas wird dem Reak­ tordom entnommen und über die Rohrleitung 23 dem Ringrohr 22 mit aufgesetzten, verteilten Begasungselementen 26 zu­ geführt. Um einen optimalen Prozeß und Strömungsverlauf im Reaktionsraum des Reaktors 18/19 zu erzielen, wurde dieser durch die Anordnung der Kaskadenelemente 28 weitgehend geschlossen. Für die Bildung von organischen Säuren ist in diesem Raum der Wärmetauscher 17 maßgebend.

Im unteren Reaktorraum 1 erfolgt in den Rohrreaktor 16 eine Rückführung des Abwassers mittels einer Pumpe 38 aus einem Nachklärbecken 57, wobei das Substrat durch die An­ ordnung des Kaskadenelementes 14 umgelenkt, gemischt und dispergiert wird. Das vom Nachklärbecken 57 zurückgeführte Substrat strömt nach der anoxischen Behandlung im Rohrre­ aktor 16 durch eine obere Öffnung um die Doppelrohrleitung 15/29 in den Schlaufen-Reaktor 18/19. Für eine hohe Um­ satzrate des Prozesses sind die Strömungswirbel 39 maßge­ bend, welche durch das Kohlendioxid, das bei der Nachdeni­ trifikation in der kaskadierten Kammer des Rohrreaktors 14/16 gebildet wird, entstehen.

Das aus dem Rohrreaktor 16 ausströmende Abwasser wird unterhalb der Leitrohreinschnürung 19 mit den im anaerob arbeitenden Schlaufen-Reaktor 18 produzierten organischen Säuren quasi auf einer Ringlinie gemischt, um eine hohe Rücklösung von Phosphatverbindungen zu erzielen.

Im oberen Reaktorraum 1 werden die zurückgeführten Nitrite und Nitrate denitrifiziert und ein pH-Wert von 8 bis 8,5 durch die Dosierung von Natronlauge mittels der Pumpe 45 eingestellt. Die Natronlauge wird einem Lagerbe­ hälter 46 entnommen. Für eine optimale Denitrifikation werden die erforderlichen Kohlenstoffverbindungen aus der anaerob arbeitenden Stufe des Schlaufen-Reaktors 18/19 dem oberen Reaktorraum 1 durch den Ringspalt zwischen dem Ele­ ment 28 und der Rohrwand 12 zugeführt. Das im Apparat 41 gestrippte Substrat wird in den Denitrifikationsraum durch die regelbare Pumpe 37 über den Mischinjektor 7 einge­ speist. Hierbei saugt die Strahlpumpe 7 über seitliche Schlitze eine große Menge von belebtem Abwasser aus dem oberen Reaktorraum 1 an, wobei das ausströmende, gemischte Abwasser durch die Anordnung des Leitrohres 6 in Kreisform 32 umgewälzt wird.

Die freien Gase Kohlendioxid und Sauerstoff im Abwas­ ser werden in dem Apparat 41 durch eine Vakuumpumpe 43 ausgestrippt. Bei diesem Prozeß wird der erforderliche Unterdruck mittels eines Regelventiles 44 eingestellt. Die Zuführung des Substrats erfolgt für die Verregnung über einen Füllkörper 42 über ein niveaugesteuertes Regelventil 51, wobei ein Rückschlagventil 50 eine Überflutung des Apparates 41 verhindert.

Nach einer dreistufigen Behandlung des Abwassers im Reaktorraum 1 strömt das Substrat durch die Zweistoff- Schlitzinjektoren 3 im Abstrom 33 in den Reaktorraum 2.

Den Zweistoffinjektoren 3 wird in der Kammer 4 für den erforderlichen Sauerstoffeintrag in der Nitritationsstufe über das Regelventil 52 die Luft gemäß der eingestellten Ammoniumkonzentration bei einem Überdruck entsprechend der Wasserstandshöhe zwischen 50 und 150 mbar zugeführt.

Die Luftzufuhr für die Nitratationsstufe erfolgt über das Regelventil 53 in das Ringrohr 10 mit Belüftungsele­ menten 26 sowie die Rohrleitung 21.

Bei einer Leistungsminderung der Pumpe 37, welche mit einem hohen Rücklaufverhältnis ausgelegt ist, strömen die auf der Abstromlinie 33 entstehenden, aufsteigenden Luft­ blasen durch den Lochboden 5 in die Kammer 4, wo sie wie­ der in den Substratkreislauf injektiert werden. Die Nitri­ tation erfolgt im Abstrom 33 durch den eingestellten pH- Wert von 8,5, wobei dieser Wert beim Abstrombetrieb durch die Bildung von Wasserstoffionen abnimmt, soweit keine aus­ reichende Säurekapazität vorliegt.

Die eingestellten restlichen Ammonium- und Nitritkon­ zentrationen werden im äußeren Ringraum des Reaktorraumes 2 nitratisiert bzw. aufoxydiert.

Im äußeren Ringraum des Reaktors fällt der pH-Wert durch die Bildung von Kohlendioxid und Wasserstoff auf ei­ nen Wert oberhalb von 7 ab, so daß die Nitratation in die­ sem Reaktionsraum optimal ablaufen kann.

In den äußeren Ringraum des Reaktorraumes 2 wird le­ diglich die Differenzwassermenge aus dem Abstrombetrieb der Nitritation übergeführt und dort durch die Lufteinbla­ sung und Anordnung des Leitrohres 8 in Kreisform 34 umge­ wälzt.

Beide Nitrifikationsprozesse sind durch die Substrat- und Prozeßführung im Reaktor sowie durch die Verfahrens­ technik außerhalb des Reaktors weitgehend entkoppelt.

Das in den Domen der Reaktorräume 1 und 2 gesammelte Biogas (N₂ + CO₂) wird über das Regelventil 35 und 54 in die Atmosphäre abgeleitet. Bei einem zu hohen Druckunter­ schied zwischen dem Gasraum des Reaktorraumes 1 und der Luftkammer 4 wird die überschüssige Luft über das diffe­ renzdruckgesteuerte Regelventil 55 ausgeblasen.

Für die Regelung einer Reaktortemperatur von 25°C ist der Wärmetauscher 17 maßgebend, wobei dieser im Reaktions­ raum des Schlaufen-Reaktors 18/19 oder im Reaktionsraum des kombinierten Schlaufen-Reaktors 63/66 entsprechend angeordnet ist.

Die Wärmeversorgung des Wärmetauschers 17, welcher als Käfigrohrkonstruktion ausgeführt ist, erfolgt über den Vorlauf- und Rücklaufanschluß 47 und 48.

Darüber hinaus arbeitet die Doppelrohrkonstruktion 15/29 als Gleichstrom-Wärmetauscher, da durch das innere Rohr 29 Abwasser mit ca. 25°C und zwischen dem inneren Rohr 29 und äußeren Mantelrohr 15 Abwasser mit 5 bis 15°C fließt. Die Wärmerückgewinnung wird bei diesem Apparat noch durch die Anordnung der Kaskadenelemente 14 oder 67 erhöht.

Das biologisch gereinigte Abwasser fließt aus dem Aus­ tragstutzen 25 über das Doppel-Siphon 56 in das Nachklär­ becken 57, wobei das Klarwasser über die Leitung 58 in den Vorfluter geleitet wird.

Der im Nachklärbecken 57 anfallende Überschußschlamm wird über die Leitung 60 in den Schlammcontainer 61 abge­ schlammt.

In dem Reaktor nach Fig. 6 oder 7 wird das zu strip­ pende Abwasser dem Reaktorraum 2 über den Austragstutzen 24 entnommen und nach der Entgasung im Apparat 41 durch die Rohrleitung 29 dem oberen Reaktorraum 1 zur Denitrifi­ kation zugeführt.

Die Einspeisung des anaerob zu behandelnden Abwassers erfolgt mittels einer Pumpe 49 über einen Anschlußstutzen 71 in den Zwischenraum des Rohres 15/29, wobei das Abwas­ ser aus dem Verteilerkopf 13 ausströmt und in den kaska­ dierten Schlaufen-Rohrreaktor mit Leitrohr 63 und den Kas­ kadenelementen 62/64 oder den Elementen 62/69/70 eingelei­ tet wird.

Für die kreisförmige Substratumwälzung 31 wird Biogas mittels des Verdichters 27 über die Rohrleitung 23 dem Ringrohr 22 zugeführt und im mittleren Bereich durch die Begasungselemente 26 eingeblasen.

In dem kombinierten Reaktor wird im unteren Bereich das Abwasser durch die Anordnung der Leitrohre 63/66 als Schlaufe geführt, wobei im oberen Bereich durch die Anord­ nung der Kaskadenelemente eine Pfropfenströmung vorliegt. In dem unteren kaskadierten Rohrreaktor mit Leitrohr 66 und den Kaskadenelementen 65/67 wird das Rücklaufwasser vom Nachklärbecken 57 durch den Anschlußstutzen 72 über das Verteilerelement 68 zur Nachdenitrifikation einge­ speist.

Die durch den angeordneten Wärmetauscher 17 gebilde­ ten, aufströmenden organischen Säuren werden im Bereich des Verteilerkopfes 13 mit dem anoxisch behandelten Rück­ laufwasser aus dem Nachklärbecken 57 quasi auf einer Ring­ linie zur hohen Phosphatrücklösung gemischt.

In den kaskadierten Kammern sind für eine optimale Reaktion die Strömungswirbel 39 maßgebend, welche durch die Umlenkung des Substrates am Ringspalt zwischen Leit­ rohr und jedem Kaskadenelement sowie der Gasentwicklung bzw. der Gaseinpressung entstehen.

Nach Durchlauf der biologischen Prozesse im Reaktor fließt das Abwasser aus dem Austragstutzen 25 über das Doppel-Siphon 56 in das Nachklärbecken 57.

Das in den Gasräumen der modifizierten Schlaufen-Reak­ toren nach den Fig. 6 und 7 gesammelte Biogas wird über die Regelventile 35 und 54 bzw. über die überschüssige Luft über das Regelventil 55 in die Atmosphäre abgeführt.

Literatur:
1. Biologische Stickstoff-und Phosphorelimination in Ab­ wasserreinigungsanlagen, Veröffentlichungen des Insti­ tutes für Stadtbauwesen, der TU Braunschweig, Heft 42. März 1987;
2. Anaerob-aerobe Behandlung von Kartoffelstärkeabwässern mit Stickstoffelimination über Nitrit. 4. Hannoversche Industrieabwassertagung, am 18/19.09.1991, Veröffent­ lichungen des Institutes für Siedlungswasser-Wirt­ schaft und Abfalltechnik, UNI Hannover, Heft 80;
3. K. Schügerl, Apparatetechnische Aspekte der Kultivie­ rung von Einzellern in Turmreaktoren, Chem.-Ing.-Tech­ nik 55 (1983) Nr. 2, Seiten 123-134;
4. Allgemeine Literatur für den Bereich "Weitergehende Abwasserreinigung", z. B. von Bever-Stein-Teichmann, 2. Auflage, Ausgabe 1993.

Claims (23)

1. Verfahren zur biologischen Elimination von Kohlen­ stoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen im Abwasser, bei dem das zu reinigende Abwasser einen modifizierten Schlaufen-Reaktor mit integriertem Schlaufen-Rohrreaktor durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem integrier­ ten Schlaufen-Rohrreaktor (63-66) in einem anaeroben Pro­ zeß organische Säuren gebildet und mit den in einem anoxi­ schen Prozeß rückgelösten Phosphorverbindungen im Reaktor gemischt und einer nachgeschalteten Denitrifikationsstufe, mit einem Schlaufen-Reaktor im Aufstrombetrieb, zur Deni­ trifizierung der Nitrite und Nitrate zugeführt werden und in der gekoppelten Nitrifikationsstufe, mit einem Schlau­ fen-Reaktor im Abstrom- und Aufstrombetrieb, die Kohlen­ stoffverbindungen oxydiert und der Ammoniumstickstoff im Abstrom nitritisiert und der restliche Kohlen- und Ammoni­ umstickstoff im Aufstrom oxydiert, nitratisiert sowie die Bakterienmasse mit Phosphorverbindungen in dem zweistufi­ gen, aeroben Prozeß aufkonzentriert werden, wobei das ge­ bildete Biogas in die Atmosphäre abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kopplung des Rohrreaktors (16) mit dem Schlau­ fen-Reaktor (18/19) das nachdenitrifizierte Rücklaufwasser mit den gebildeten organischen Säuren quasi auf einer Ringlinie vor dem Schlaufen-Reaktor gemischt wird, wobei die Reaktoren in Sequenz dem Schlaufen-Reaktor (6) vorge­ schaltet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schlaufen-Rohrreaktor (63-66) ein anaerober und anoxischer Prozeß abläuft, wobei dieser Reaktor dem Schlaufen-Reaktor (6) mit einem anoxischen Prozeß vorge­ schaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schlaufen-Rohrreaktor (63-66) die gebildeten orga­ nischen Säuren mit dem nachdenitrifizierten Rücklaufwasser quasi auf einer Ringlinie im mittleren Bereich des Reak­ tors gemischt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlaufen-Reaktor (6) mit einem anoxischen Prozeß dem Schlaufen-Reaktor (8-12) mit einem zweistufigen, aeroben Prozeß der Nitritationsstufe vorgeschaltet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schlaufen-Reaktor (8-12) in einem zweistufigen, aeroben Prozeß die Nitritation im Abstrombetrieb und die Nitratation im Aufstrombetrieb durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nitritationsstufe die Nitrobacter durch Einstellung eines alkalischen pH-Wertes mittels der Dosierung von Na­ tronlauge sowie durch die Regelung der erforderlichen Am­ moniumkonzentration durch entsprechenden Sauerstoffeintrag bei dem Abstrombetrieb gehemmt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die konstruktive Ausführung und Anordnung von Zwei­ stoff-Schlitzstrahlern (3) im Ringraum der Nitritations­ stufe eine optimale Stoffübertragung durch die Luftdisper­ gierung erfolgt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem modifizierten Schlaufen- Reaktor sowie integriertem Schlaufen- und Rohrreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Reaktorraum (1) im unteren Bereich ein Rohrreaktor (16) mit Kaskaden­ element (14) und übergeordnetem Schlaufen-Reaktor (18/19) mit Kaskaden-Trennelement (28) und im oberen Reaktorraum ein Schlaufen-Reaktor (6) angeordnet ist und ein zweiter Reaktorraum (2) mit dem ersten Reaktorraum über Zweistoff- Schlitzinjektoren (3) in Verbindung steht, wobei die obe­ ren, die Gasräume bildenden Teile der beiden Reaktorräume voneinander getrennt und geschlossen sind.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem modifizierten Schlaufen- Reaktor sowie integriertem Schlaufen-Rohrreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Reaktorraum (1) im unteren Bereich ein kombinierter Schlaufen-Rohrreaktor (63-66) mit Kaskadenelementen (62/64) und (65/67) und übergeordnetem Kaskaden-Trennelement (28) sowie im oberen Reaktorraum ein Schlaufen-Reaktor (6) angeordnet ist und der zweite Reaktorraum (2) mit dem ersten Reaktorraum (1) über Zweistoff-Schlitzinjektoren (4) in Verbindung steht, wobei die oberen, die Gasräume bildenden Teile der beiden Reaktorräume, voneinander getrennt und geschlossen sind.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem modifizierten Schlaufen- Reaktor sowie integriertem Schlaufen-Rohrreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Reaktorraum (1) im unteren Bereich ein kombinierter Schlaufen-Rohrreaktor (63-66) mit Kaskadenelementen (62/69/70) und (65/67) und übergeordnetem Kaskaden-Trennelement (28) sowie im oberen Reaktorraum der Schlaufen-Reaktor (6) angeordnet ist und der zweite Reaktorraum (2) mit dem ersten Reaktorraum (1) über Zweistoff-Schlitzinjektoren (3) in Verbindung steht, wobei die oberen, die Gasräume bildenden Teile der beiden Reaktorräume, voneinander getrennt und geschlossen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrreaktor (66-65/67) durch die Anordnung von tellerförmigen Kaskadenelementen (65) und (66) mit drei­ eckigem Querschnitt übereinander angeordneter Kammern ge­ bildet sind, wobei das Leitrohr (66) als Zylinderwand aus­ gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrreaktor (63-62/64) durch die Anordnung von tellerförmigen Kaskadenelementen (62) und (64) mit drei­ eckigem Querschnitt übereinander angeordneter Kammern ge­ bildet sind, wobei das Leitrohr (63) als Zylinderwand aus­ gebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rohrreaktor (66-62/69/70) durch die An­ ordnung von tellerförmigen Kaskadenelementen (62, 69) und (70) mit dreieckigem und rhombischem Querschnitt überein­ ander angeordneter Kammern gebildet sind, wobei das Leit­ rohr (63) als Zylinderwand ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rohrreaktor (66-65/67) mit einem Wärme­ tauscher (17) in dem Schlaufen-Rohrreaktor (63-62/64) an­ geordnet ist, wobei der Wärmetauscher von den Zylinderwän­ den der Leitrohre (63) und (66) beabstandet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rohrreaktor (66-65/67) mit einem Wärme­ tauscher (17) in dem Schlaufen-Rohrreaktor (63-62/69/70) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher von den Zylinder­ wänden der Leitrohre (63) und (66) beabstandet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Reaktorraum (1) mit einer Zy­ linderwand (11) und (12) ausgebildet ist, wobei die Reak­ torwände durch eine Luftkammer (4) miteinander verbunden sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das im ersten Reaktorraum (1) behandelte Abwasser über 6 bis 12 Zweistoff-Schlitzinjektoren (3) in den Reaktorraum (2) im Abstrom (33) übergeführt wird, wo­ bei die Zylinderwand (9) für den Abstrombetrieb als Leit­ rohr ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkammer (4) durch die Zylinderwände (9, 11 und 12) gebildet ist, wobei die Kammer unten mit einem Lochbo­ den (5) abgeschlossen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Rohrreaktor (16) mit Kaska­ denelement (14) eine Doppel-Rohrleitung (15/29) geführt ist, wobei ein Verteilerkopf (13) vor dem Bereich der Bio­ gaseinpressung mit Ringrohr (22) und Begasungselement (26) endet.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (17) im äußeren Ringraum des Schlaufen-Reaktors (18/19) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher das Leitrohr (18) durch einen grö­ ßeren Durchmesser beabstandet umgibt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch den Rohrreaktor (66) mit Kaskadenele­ ment (65/67) eine Doppel-Rohrleitung (15/29) geführt ist, wobei ein Verteilerkopf (13) vor dem Bereich der Biogas­ einpressung in das Ringrohr (22) mit den Begasungselemen­ ten (26) endet.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppel-Rohrkonstruktion (15/29) mit angeordnetem Kaskadenelement (14) oder (67) als Wärme­ tauscher ausgebildet ist, wobei der Wärmetauscher nach dem Gleichstromprinzip arbeitet.