DE69005780T2

DE69005780T2 - Verfahren und Anlage zur Behandlung von Mist, fermentierte Jauche und Kjeldahl-Stickstoff enthaltendem Abwasser.

Info

Publication number: DE69005780T2
Application number: DE90202728T
Authority: DE
Inventors: Abraham Klapwijk; Iman Willem Koster
Original assignee: Ecotechniek BV
Current assignee: Ecotechniek BV
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2010-10-13
Also published as: YU46972B; CS501790A3; IL96034A; EP0423889A1; DK0423889T3; HUT61254A; US5296147A; HRP920380A2; NO904490D0; RO109323B1; JPH03146197A; FI905115A0; ZA908299B; CA2027787A1; HU906478D0; YU195890A; ES2049914T3; KR910007840A; IL96034A0; NL8902573A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich aufein Verfahren zur Verarbeitung von Dung, fermentierter Gülle oder Abwasser mit einer relativ hohen Kjeldahl-N-Konzentration, wobei die fermentierte Gülle in einem ersten Schritt einer Nitrifizierung und nachfolgend einer Denitrifizierung unterworfen wird, einen belüfteten Reaktor der aktiven, an nitrifizierenden Bakterien, die in der Nitrifizierungsstufe verwendet werden, reichen, Schlamm und säureneutralisierende Chemikalien, die gegebenenfalls zu dem genannten belüfteten Reaktor hinzugegeben werden und einen kontinuierlich beschickten Aufwärtsflußschlammbettreaktor (USB), der eine sehr kompakte Biomasse enthält, die befähigt ist Nitrat in Stickstoffgas umzuwandeln und dem ein organisches Substrat hinzugefügt wird, das in der Denitrifizierungsstufe verwendet wird.
Ein Verfahren dieser Art ist u. a. bekannt aus dem Agrarisch Dagblad vom 14. März 1988. Mit diesem Verfahren wird die flüssige Fraktion fermentierten, halbflüssigen Dungs behandelt. Die biologisch abbaubaren, organischen Substanzen, nitrifizierbarer Stickstoff und Phosphor, die in der flüssigen Fraktion von anaerobem oder fermentiertem, halbflüssigem Dung vorliegen, können weitgehend entfernt werden. Das Verfahren besteht im wesentlichen in der Kopplung einer Nitrifizierungsstufe in einem Nitrifizierungsreaktor, in dem Ammoniak durch Bakterien in oxidierten Stickstoff umgewandelt wird, mit einer Denitrifizierungsstufe in einem Denitrifizierungsreaktor, in welchem oxidierter Stickstoff durch Bakterien in Stickstoffgas umgewandelt wird, wobei das in der Flüssigkeit vorliegende Phosphat als chemischer Niederschlag im Reaktor zur gleichen Zeit aufkonzentriert wird. Die Oxidation des Ammoniaks ergibt eine Verminderung des pH-Werts, der bei diesem Verfahren durch Messung im Kalk und/oder im Ausfluß vom Denitrifizierungsreaktor (Kreislaufführung) zum Nitrifizierungsreaktor bestimmt werden kann. Während der Nitrifizierungsstufe wird bei diesem Verfahren auch eine gewisse Entfernung von Stickstoff und Phosphat erfolgen, da die Bakterien biologisch abbaubare Substanzen, die die Fermentierung unter Bildung von CO&sub2; und H&sub2;O durchlaufen haben, abbauen. Der so freigesetzte Stickstoff und das so freigesetzte Phosphat können in die neuen Zellen des aktiven Schlamms eingebaut werden. Bei diesem Verfahren wird der Nitrifizierungsreaktor (der entweder ein Chargenzugabereaktor oder ein Chargenreaktor sein kann) ansatzweise betrieben. Er wird anschließend belüftet, bis das gesamte Ammoniak nitrifiziert worden ist, wonach die Belüftung vorrübergehend gestoppt wird, um das Absetzen des Schlamms zu ermöglichen. Die nitrifizierte, flüssige Gülle wird anschließend zur Behandlung in der Denitrifizierungsstufe abgelassen, während der aktive Schlamm in dem Nitrifizierungsreaktor für den folgenden Zyklus verbleibt.
In der Denitrifizierungsstufe wird der Ausfluß vom Nitrifizierungsreaktor aufwärts durch einen USB (Auwärtsflußschlammbett)- Reaktor gepumpt. In diesem Reaktor liegt eine sehr kompakte Biomasse vor, die zur Umwandlung von Nitrat in Stickstoffgas befähigt ist. Damit diese Stufe erfolgen kann, muß ein organisches Substrat - zum Beispiel Methanol - dem Reaktor zugegeben werden. Während der Denitrifizierungsstufe wird Säure verbraucht, was einen Anstieg des pH-Werts in dem Bakterienbett zur Folge hat. Als Folge dieses Anstiegs bildet sich ein unlöslicher Niederschlag aus Phosphat und den in der Flüssigkeit vorliegenden Calcium-Ionen. Die Dung-Verarbeitung, bestehend aus Dung- Fermentierung und Abtrennung des fermentierten Dungs, mit den nachfolgenden Verfahren der Behandlung der flüssigen Fraktion des fermentierten halbflüssigen Dungs, das vorstehend beschrieben wurde, wird in der Figur 1 gezeigt.
Eine Vielzahl von Arbeiten über die Verarbeitung von Dung sind bisher entwickelt worden, zum Beispiel Promest in Helmond und Memon in Deventer. In diesen Arbeiten wird halbflüssiger Dung verdampft, um ein trockenes Produkt zu ergeben, wober sehr viel Energie verbraucht wird, da halbflüssiger Dung zu mehr als 90 % aus Wasser besteht. Darüberhinaus ist diese Verdampfung eine komplexe Technologie, die in der Tat noch für die Anwendung auf Dung entwickelt werden muß. Die Kosten für die Verarbeitung dieses Typs zur Bildung von trockenem, granularem oder pulverförmigem Dung ist demgemäß sehr hoch.
Ein Verfahren, das sich vom oben genannten unterscheidet, ist die Behandlung von halbflüssigem Dung in üblichen Ausflußbehandlungs-Einrichtungen. Vor kurzem wurde dieses Verfahren auch zur Behandlung von Kälbergülle verwendet. Die übliche Dung- Behandlung besitzt die offensichtlichen Nachteile, daß das Verfahren eine große Menge an Schlamm erzeugt (Überschuß an Bakterien) und daß das Verfahren nicht Phosphat entfernen kann. Dies bedeutet, daß Extravorkehrungen für die Schlammbehandlung und die Entphosphatierung getroffen werden müssen. Eine übliche Dung-Behandlung erfordert auch einen ziemlich großen Platzbedarf.
Dieses Verfahren, wie im Agrarish Dagblad vom 17. März 1988 berichtet, hat den Vorteil, daß es relativ billig ist und in einer kompakten Vorrichtung durchgeführt werden kann. Eine Vielzahl von Problemen ergeben sich auch hierbei bei der Behandlung von fermentiertem Dung.
Eine kompakte Dung-Behandlungsvorrichtung für Dung und fermentierte Gülle oder Kjeldahl-N enthaltendes Abwasser kann nur hergestellt und betrieben werden, wenn:
a) Die Dosierung der fermentierten, flüssigen Fraktion an die Nitrifizierungskapazität des Nitrifizierungsreaktors angepaßt ist. Der Nitrifizierungsreaktor muß nicht überbeschickt, aber auch nicht unterbeschickt arbeiten.
b) Die Dosierung des Methanols (oder anderer Kohlenstoff- Quellen) zum Denitrifizierungsreaktor aufdie Stickstoff- Beschickung im Denitrifizierungsreaktor angepaßt ist. Im Falle einer zu geringen Zugabe, wird nicht alles Nitrat entfernt; im Falle einer Überdosierung liegt jedoch Methanol (oder eine andere Kohlenstoffquelle) in dem abzulassenden Ausfluß vor.
c) Die Ausfluß-Kreislaufführung vom Denitrifizierungsreaktor zum Nitrifizierungsreaktor derartig gesteuert wird, daß es optimal ist. Zu wenig Kreislaufrückführung führt zu einer Nitrat-Konzentration, die eine inhibierende Wirkung auf die Bakterien ausübt; zu viel Kreislaufrückführung hat zur Folge, daß der Reaktor hauptsächlich mit Flüssigkeit gefüllt wird, die schon behandelt worden ist.
Die genannten Punkte können durch Verwendung separater Geräte erreicht werden, wobei es notwendig ist, einige der verschiedenen Tätigkeiten per Hand auszuführen. Darüber hinaus können die Ergebnisse der verschiedenen Messungen nicht in eine Steuerungsmaßnahme ohne Eingreifen einer Bedienungskraft integriert und übertragen werden. Weiterhin kann der Ausfluß vom Nitrifizierungsreaktor noch organische Substanzen enthalten, die nicht weiter im Nitrifizierungsreaktor abgebaut werden können. Organisches Material, welches in den Denitrifizierungsreaktor eingeführt wird, kann in anorganisches Material in diesem Reaktor, unter Freisetzung von Ammoniak-Stickstoff, umgewandelt werden, der anschließend (sofern es nicht über den Kreislaufrückführungs-Strom zugegeben wird) mit dem Ausfluß abgelassen werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Probleme zu beseitigen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich aufein Verfahren vom in der Einleitung angegebenen Typ, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Beschickung des Nitrifizierungsreaktors kontrolliert wird, um eine optimale Nitrifizierung und Denitrifizierung zu erhalten, wobei dies aufder Basis folgender Daten erfolgt:
- der eintretenden Stickstoffbeladung (durch Kontrolle der fermentierten Gülle; - der eintretenden Sauerstoffbeladung (durch Kontrolle der Belüftung;
- der Information des WAZU- Atmungsmeßgeräts oder der Information aus einer Sauerstoffbestimmung im Nitrifizierungsreaktor
- der Konzentration des oxidierten Stickstoffs in dem Nitrifizierungsreaktor, wobei die genannte Konzentration in der Schlamm/Flüssigkeits-Mischung im Reaktor durch Einstellen der Geschwindigkeit des Zuflusses (fermentierte Gülle) und durch Einstellen des Rückführungsflusses zwischen o und 4 g N/1 gehalten wird und daß die Beschickung des Denitrifizierungsreaktors kontrolliert wird, um eine optimale Denitrifizierung zu erreichen, wobei dieses Optimum erreicht wird durch:
- die Beibehaltung der Konzentration des oxidierten Stickstoffs im Zufluß für den Denitrifizierungsreaktor zwischen 0 und 4 g N/1;
- die Beibehaltung der eintretenden oxidierten Stickstoffbeladung unter oder gleich der Nitratentfernungskapazität, so daß die Nitratkonzentration im Ausfluß unterhalb der erlaubten Nitrat-Ausflußkonzentration liegt und deren Kontrolle durch Messung der Gaserzeugung im Denitrifizierungsreaktor und/oder der Nitratkonzentration im Ausfluß; und
- die Hinzugabe einer Menge eines organischen Substrats, die aus der eintretenden oxidierten Stickstoffbeladung oder der Gaserzeugung in dem Denitrifizierungsreaktor berechnet wird; wobei die Temperatur sowohl im Nitrifizierungs als auch im Denitrifizierungsreaktor unterhalb 40ºC gehalten wird und der pH-Wert im Nitrifizierungsreaktor im Bereich zwischen 6 und 8,5 gehalten wird.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Möglichkeit ein Instrument zu verwenden, ein Atmungsmeßgerät (WAZU Atmungsmeßgerät), mit dem die Zeit, nach der die Behandlungsverfahren abgeschlossen sind, festgestellt wird und mit dem sowohl die Kjeldahl-N-Konzentration in der flüssigen Fraktion der zu behandelnden fermentierten Gülle als auch die Nitrat-Konzentration des Ausflusses vom Nitrifizierungsreaktor (= Beschickung für den Denitrifizierungsreaktor) berechnet werden kann. Die Fließschemen und Kontrollleitungen in bezug auf das Atmungsmeßgerät sind schematisch in Figur 2 aufgeführt. Das Atmungsmeßgerät kann das gesamte Verfahren automatisch auf der Basis der gesammelten und durch das Gerät gemessenen Daten steuern.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung einer Trennstufe, d. h. einer physikalisch-chemischen Ausflockungsstufe und eines Flockenseparators oder einer Membran-Technologie, bevor oder nach der Denitrifizierungsstufe. Der Zweck der genannten Trennung vor dem Denitrifizierungsreaktor ist es, suspendierte und kolloidal gelöste, organische Substanzen abzufangen, die sonst im Denitrifizierungsreaktor mineralisieren würden, wodurch Ammoniak-Stickstoff gebildet werden würde. Eine physikalischchemische Ausflockungsstufe plus Flockenseparator ist in der Abbildung 3 schematisch gezeigt. Die zurückbleibende organische Substanz kann vom Ausfluß mit Hilfe von Flockungshilfsmitteln und durch ein Verfahren zur Abtrennung des Flockungsmittels vom Ausfluß entfernt werden. Durch Aufstrom-Einstellung der Denitrifizierungsstufe, können die organischen Substanzen entfernt werden, bevor sie in anorganische Substanzen umgewandelt werden und Ammoniak-Stickstoff gebildet wird. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist es, daß der Carbonat-Gehalt im Ausfluß vom Nitrifizierungsreaktor gering ist (niedriger als im Ausfluß vom Denitrifizierungsreaktor, zu dem organisches Substrat gegeben wird). Dies ist vorteilhaft, sofern ein Flockungshilfsmittel verwendet wird, welches einen Niederschlag mit Carbonat bildet, wie z. B. Eisenchlorid. Bei der Verwendung eines Flockungshilfsmittels, welches Kationen enthält, die mit Phosphat ausfällen, findet eine zusätzliche Phosphat-Behandlung statt.
Darüber hinaus wurden die optimalen Bedingungen für die vorliegenden Behandlungsmethoden sowohl im Nitrifizierungsreaktor als auch im Denitrifizierungsreaktor untersucht. Die Biomasse sowohl im Nitrifizierungsreaktor als auch Denitrifizierungsreaktor, erzeugt Wärme. Aufgrund der hohen Konzentration an Biomasse und der hohen Umwandlungsgeschwindigkeiten, die in beiden Reaktoren auftreten, besteht ein Netto-Überschuß an Wärme in beiden Reaktoren, sofern keine Maßnahmen ergriffen werden. Es ist aus Beobachtungen bekannt, die vom Anmelder in Laboruntersuchungen gemacht wurden, daß für eine nitrifizierende Bakterien-Population die optimale Temperatur dieser Bakterien-Population zwischen 31 und 35 ºC liegt und daß die maximale Temperatur, die toleriert werden kann, 40 ºC beträgt. Auf der Grundlage der allgemeinen wissenschaftlichen Kenntnisse kann erwartet werden, daß sich die gleichen Temperaturgrenzen auf die denitrifizierende Bakterien-Population anwenden lassen. Thermophile, denitrifizierende Bakterien sind bekannt. Sie arbeiten bei Temperaturen oberhalb von ungefähr 50 ºC. Aus vielen Gründen ist es jedoch nicht wünschenswert thermophile Organismen im Denitrifizierungsreaktor zu verwenden: Der abzulassense Ausfluß wird viel zu warm sein und der Rückführungsfluß zum Nitrifizierungsreaktor wird nicht warm genug sein. Sowohl der Nitrifizierungsreaktor als auch der Denitrifizierungsreaktor können nur betrieben werden, wenn die Wärme von den betreffenden Reaktorinhalten entfernt werden kann.
Bei dem vorliegenden Verfahren müssen die Bedingungen im Denitrifizierungsreaktor so eingehalten werden, daß das Phosphat ausfällen kann. Die Wirksamkeit der Phosphat-Entfernung hängt vom pH-Wert und dem HCO3&supmin;/CO&sub3;²&supmin;-Verhältnis im Denitrifizierungsreaktor ab.
Der erwünschte pH-Wert kann durch Verwendung einer organischen C-Quelle für den Denitrifizierungsreaktor erhalten werden, die einen spezifischen chemischen Sauerstoffverbrauch (COC)/ gesamten organischen Kohlenstoff (TOC)-Verhältnis in dem vorliegendem Verfahren aufweist. Tatsächlich wird Alkalinität (Alkali, Bicarbonat und Carbonat) im Denitrifizierungsreaktor unter dem Einfluß der Denitrifizierungsreaktion erzeugt. Der Erzeugung der Alkalinität hängt von dem COC/TOC-Verhältnis der organischen C- Quelle in der Denitrifizierungsreaktion ab. Üblicherweise wird Methanol als organische C-Quelle verwendet. Methanol hat ein hohes COC/TOC-Verhältnis und ergibt eine höhere Alkalinitäts- Bildung als zum Beispiel Glucose, welche ein sehr viel niedrigeres COC/TOC-Verhältnis besitzt. Experimente ergaben, daß das COC/TOC-Verhältnis 3,75 oder niedriger sein muß.
Wie erwähnt fällt der pH-Wert im Nitrifizierungsreaktor bei der Oxidation von Ammoniak. Um der Versäuerung im Reaktor entgegen zu treten, kann Alkali hinzudosiert werden oder der Ausfluß kann vom Denitrifizierungsreaktor zum Nitrifizierungsreaktor zurückgeführt werden. Es wurde experimentell gefunden, daß die Konzentration an oxidiertem Stickstoff im Schlamm/Flüssigkeits-Gemisch des Nitrifizierungsreaktors von 0 und 4 g N/1 beträgt und vorzugsweise im Bereich von 0 bis 1,5 g N/1 liegt. Weiterhin wurde gefunden, daß die Konzentration an oxidiertem Stickstoff im Zufluß für den Denitrifizierungsreaktor von 0 und 4 g N/1 und vorzugsweise von 1,0 bis 1,4 g N/1 beträgt. Um dies zu erreichen, kann der Ausfluß vom Denitrifizierungsreaktor im Kreislaufzurückgeführt werden. Diese Rückführung im Kreislaufergibt eine Verdünnung der Konzentration des oxidierten Stickstoffs an der Zugabestelle im Reaktor. Darüber hinaus ist die Rückführung im Kreislaufbeabsichtigt, um eine höhere Fließgeschwindigkeit im Denitrifizierungsreaktor zu erhalten, welche den Kontakt zwischen der Biomasse und dem Substrat im Reaktor verbessert. Die Rückführung im Kreislaufkann direkt vom Ausflußstrom zum Zuflußstrom des Denitrifizierungsreaktors stattfinden. Es ist jedoch auch (und tatsächlich besser für das Gesamtverfahren) für die Kreislaufrückführung des Ausflusses vom verwendeten Denitrifizierungsreaktor möglich, diese Kreislaufrückführung vollständig oder teilweise über den Nitrifizierungsreaktor stattfinden zu lassen (siehe z. B. Figur 5). Das Ziel ist es demgemäß, sowohl eine Verringerung des Chemikalienverbrauchs für die pH- Wert-Kontrolle im Nitrifizierungsreaktor als auch eine Verdünnung der Reaktorbestandteile des Nitrifizierungsreaktors zu erreichen, so daß der Gehalt an oxidiertem Stickstoff immer weniger als 4 g N/1 beträgt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung, die zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet ist, umfassend:
- einen Nitrifizierungsreaktor, der versehen ist mit einer Belüftung, einer Beschickung für eine zu behandelnde Flüssigkeit, einer Beschickung von säureneutralisierenden Chemikalien, mit an nitrifizierenden Bakterien angereichertem, aktivem Schlamm, einem Schlammabfluß, einem Abfluß für den Ausfluß;
- eine Leitung, durch die der Ausfluß vom Nitrifizierungsreaktor zum Denitrifizierungsreaktor geführt werden kann;
- einen Denitrifizierungsreaktor, der versehen ist mit einer Beschickung des Ausflusses vom Nitrifizierungsreaktor, einer Beschickung einer Kohlenstoffquelle, einer Aufwärtsflußschlammbett (USB)-Säule, einer sehr kompakten Biomasse, die Nitrat in Stickstoffgas überführen kann, einem Abfluß für den phosphatreichen Schlamm, einen Abfluß für den Ausfluß, einer Stickstoffgas-Ableitung;
- eine Leitung, durch die der Ausfluß vom Denitrifizierungsreaktor abgelassen werden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (in der Figur 2 schematisch dargestellt) mit einem oder mehreren WAZU-Atmungsmeßgeräten (18) versehen ist, die die Belüftung (10), die Zufuhr an zu behandelnder Flüssigkeit (7), den Schlammabfluß (11) des Nitrifizierungsreaktors (9) und die Zugabe der Kohlenstoffguelle (14) kontrollieren.
In der am meisten vereinfachten Form besteht die Vorrichtung < schematisch in Figur 2 gezeigt) aus der Kombination eines Chargenreaktors (dem der gesamte Zufluß (7) gleichzeitig pro Zyklus hinzugegeben wird) oder eines Chargenzugabereaktors dem der Zufluß allmählich oder stufenweise pro Zyklus hinzugegeben wird) als Nitrifizierungsreaktor (9) und eines kontinuierlichen Aufwärtsfluß-Schlammbettreaktor (USB) als Denitrifizierungsreaktor (13). Die zwei Reaktoren arbeiten in Reihenschaltung, ohne Umgehungsleitung (bypass) des Nitrifizierungsreaktors (9), aber wahlweise mit Rückvermischung vom Denitrifizierungsreaktor (13) zum Nitrifizierungsreaktor (9).
Die Verwendung des WAZU-Atmungsmeßgeräts (18) (niederländische Patentanmeldung 86 00396, angemeldet am 6. Februar 1985; EP-A- 257 057) einer Meß- und Kontrolleinheit, mit der der Verlauf der Atmungsgeschwindigkeit der Biomasse im Reaktor (9) verfolgt wird, ist charakteristisch für die Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Der Nitrifizierungsreaktor (9) der Vorrichtung ist mit einer Belüftung (10), einer Beschickung für eine zu behandelnde Flüssigkeit (7), einem Schlammabfluß (11) und wahlweise einer Ausfluß-Beschickung vom Denitrifizierungsreaktor (33) versehen, die alle durch das WAZU-Atmungsmeßgerät (niederländische Patentanmeldung 86 00396, angemeldet am 6. Februar 1986) gesteuert werden. Dieses Atmungsmeßgerät kontrolliert auch die Messung der Kohlenstoffquelle (14) für den Denitrifizierungsreaktor (13). Dieser Denitrifizierungsreaktor ist zusätzlich mit einem Stickstoffgas-Ablaß (17) und einer Ausfluß-Kreislaufführung oder einem Ausflußablaß (16) versehen.
Eine andere Ausführungsform der worrichtung gemäß der Erfindung (schematisch in Figur 4 gezeigt) ist ebenfalls mit einer Leitung (32) versehen, durch die der Ausfluß vom Denitrifizierungsreaktor (13) teilweis zum Zufluß (12) für den Denitrifizierungsreaktor (13) rückgeführt werden kann und zusätzlich ist diese Vorrichtung mit einer Einspeisevorrichtung für eine oder mehrere säureneutralisierende Chemikalien (8) zum Nitrifizierungsreaktor (9) versehen.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung eine Kombination der zwei vorstehenden Vorrichtungen (Figuren 4 und 5) umfassen, zum Beispiel eine wie in Figur 6 gezeigte Vorrichtung, wobei diese Vorrichtung mit einer Leitung versehen ist, durch die der Ausfluß (32, 33) vom Denitrifizierungsreaktor (13) zum Nitrifizierungsreaktor (9) und zum Zufluß (12) für den Denitrifizierungsreaktor (13) teilweise rückgeführt werden kann (33, beziehungsweise 32).
Die drei zuletzt genannten Vorrichtungen - in den Figuren 4, 5 und 6 gezeigt - können eine weitere Zugabevorrichtung (siehe Figur 7) in Form einer Einspeisung von Chemikalien für die Phosphat-Fällung (20) enthalten.
Darüber hinaus können alle diese (in den Figuren 4, 5, 6 und 7 gezeigten) Vorrichtungen mit einer oder mehreren Ausflockungs-Vorrichtungen (19) versehen sein. Die Ausflockungs-Vorrichtung als solche ist schematisch in der Figur 3 gezeigt.
Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung, die bereits beschrieben worden sind, können mit den Ausflockungs-Vorrichtungen an verschiedenen Stellen (Figuren 8, 9 und 10) versehen werden. In der Vorrichung gemäß der Figur 8 ist die Ausflockungs-Vorrichtung (19) derartig angeordnet, daß der Ausfluß (16) vom Denitrifizierungsreaktor (13) stromaufwärts der Kreislaufführung (34, 35) oder des Abflusses (16) durch die Ausflockungs-Vorrichtung (19 und Figur 3) fließt.
In der Vorrichtung gemäß Figur 9 ist die Ausflockungs-Vorrichtung (19) derartig angeordnet, daß nur der Ausfluß (16) vom Denitrifizierungsreaktor (13), der abgelassen werden soll, durch die Ausflockungs-Vorrichtung (19) fließt.
In der Vorrichtung gemäß Figur 10, die bevorzugt wird, ist die Ausflockungs-Vorrichtung (19) derartig angeordnet, daß der Ausfluß (12), der vom Nitrifizierungsreaktor (9) herstammt, durch die Ausflockungs-Vorrichtung (19) fließt, bevor er in den Denitrifizierungsreaktor (13) fließt.
Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung, in denen der Nitrifizierungsreaktor mit der Zugabe des Ausflusses (16, 33, 34) vom Denitrifizierungsreaktor (13) versehen ist, können mit einer Einsprühvorrichtung (25 und Figur 10) versehen werden, durch die der Ausfluß (16, 33, 34) vom Denitrifizierungsreaktor (13) in den Nitrifizierungsreaktor (9) eingesprüht werden kann, um Schaumbildung zu vermeiden.
Weiterhin können alle Vorrichtungen gemäß der Erfindung mit einem oder mehreren Puffertanks (23 und Figur 10) versehen werden. Die angegebenen Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung und sollen nicht als Beschränkung angesehen werden.
Eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nicht den Bereich der Erfindung einschränkt, wird anhand des nachstehenden Beispiels erläutert.

Beispiel

Fermentierte Gülle (z. B. die flüssige Fraktion, die durch Zentrifugieren von anaerob fermentierter, schwimmender Schweinegülle erhalten wird) wird in der in Figur 11 gezeigten Vorrichtung behandelt, die aus einem Nitrifizierungsreaktor (9), der ein verwendbares Volumen von 50 m³ aufweist, einem Separator (19), der aus einer röhrenförmigen Ausflockungsvorrichtung (pipe flocculator) (27) und einer Zentrifuge (28) besteht und zwei Denitrifizierungsreaktoren, die parallel zueinander angeordnet sind, die ein verwendbares Schlammbett-Volumen von 10 m³ haben, besteht.
Der Nitrifizierungsreaktor dieses Beispiels ist ein Chargenzugabereaktor mit einer stufenweise Zugabe (0,2 m³ Gülle pro Stufe) der fermentierten Gülle. Insgesamt wurden 2 m³ Gülle in zehn Stufen zugegeben.
In dem gesamten Zyklus des Nitrifizierungsreaktors werden 8 m³ des Ausflusses vom Denitrifizierungsreaktor, proportional über die Zeit verteilt, zugeführt. Nachdem eine Gesamtmenge von 2 m³ fermentierter Gülle in den Nitrifizierungsreaktor eingeführt und der gesamte Ammoniak-Stickstoff nitrifiziert worden war, wurde die Belüftung beendet und man ließ den aktiven Schlamm während 60 Minuten sedimentieren. Nach der Sedimentationsperiode wurden 10 m³ der überstehenden Flüssigkeit als Ausfluß des Nitrifizierungsreaktors abgelassen. Anschließend wird ein neuer Zyklus begonnen, worin wieder 2 m³ der fermentierten Gülle und 8 m³ des Ausflusses vom Denitrifizierungsreaktor hinzugegeben werden.
Ein WAZU-Atmungsmeßgerät (Warenzeichen RA 1000; vertrieben von Manotherm) wird an den Nitrifizierungsreaktor angeschlossen, um die vorliegende Atmungsgeschwindigkeit zu messen. Weiterhin wird die Sauerstoffkonzentration im Nitrifizierungsreaktor mit einem Sauerstoff-Sensor gemessen.
Nach der Zugabe von 0,2 m³ fermentierter Gülle steigt die vorliegende Atmungsgeschwindigkeit an und die Sauerstoffkonzentration im Nitrifizierungsreaktor nimmt ab. Sobald das mit der fermentierten Gülle zugegebene Ammoniak-Stickstoff nitrifiziert ist, sinkt die vorliegende Atmungsgeschwindigkeit auf den Grundwert und die Sauerstoffkonzentration im Nitrifizierungsreaktor nimmt zu. Nach dem Abfallen der Atmungsgeschwindigkeit unterhalb des eingestellten Wertes und/oder dem Überschreiten des eingestellten Wertes der Sauerstoffkonzentration, wird eine weitere Menge von 0,2 m³ fermentierter Gülle dem Nitrifizierungsreaktor hinzugegeben. Figur 12 gibt die Sauerstoffkonzentration im Nitrifizierungsreaktor in Abhängigkeit von der Zeit an. Die mittlere Dosis an fermentierterGülle im vorliegenden Nitrifizierungsreaktor betrug bei dem Versuch ungefähr 10 m³ pro Tag.
Der pH-Wert wird ebenfalls im Nitrifizierungsreaktor gemessen. Sobald der pH-Wert unterhalb 6,5 liegt, wird Kalkmilch zugegeben.
Die Temperatur wird ebenfalls gemessen und sie wird bei einem Wert unterhalb 33 ºC mittels eines Wärmeaustauschers gehalten.
Aus dem Sauerstoffverbrauch des Substrats während eines Zyklus (die summierte tatsächliche Atmungsgeschwindigkeit minus der sunmtierten Basis-Atmungsgeschwindigkeit) kann errechnet werden, daß die Konzentration an nitrifizierbarem Stickstoff in der fermentierten Gülle 6000 mg/ N/1 ist. Der Ausfluß vom Nitrifizierungsreaktor hat eine Nitrat-N-Konzentration von 1100 mg N/1 und eine Phosphat-P-Konzentration von 25 mg P/1. Die Stickstoff-N- Konzentration ist niedriger als aufder Grundlage der Verdünnung der Reaktorinhalte mit dem Ausfluß des Denitrifizierungsreaktors erwartet werden konnte. Dies ist die Folge einer geringen Denitrifizierung im Denitrifizierungsreaktor während der Sedimentationsperiode und dem Einbau des Stickstoffs in die Biomasse.
Der Ausfluß vom Nitrifizierungsreaktor wird durch eine rohrförmige Ausflockungsvorrichtung gepumpt. Am Anfang dieser Flockungsvorrichtung wird eine 41 gew.-%ige (Gewicht/Gewicht) FeCl&sub3; (Ferrichlorid, Eisen-III-chlorid)-Lösung in einer Menge von 2,5 1 pro m³ Ausfluß des Nitrifizierungsreaktors zudosiert. In der Mitte der rohrförmigen Flockungsvorrichtung wird Kalkmilch und/oder Natronlauge zugegeben bis der pH-Wert 5,8 erreicht hat. Am Ende der rohrförmigen Flockungsvorrichtung wird ein Polyelektrolyt zudosiert (76 mg pro m³ Ausfluß des Nitrifizierungsreaktors). Die Flüssigkeit wird anschließend durch eine Zentrifuge geführt, die in einen Schlammstrom und einen Füssigkeitsstrom auftrennt. Die Nitrat-N- und die Phosphat-P- Konzentration im Ausfluß der Zentrifuge beträgt entsprechend 1100 mg N/1 und < 0,5 mg P/1.
Der Ausfluß der Zentrifuge wird anschließend durch die zwei Denitrifizierungsreaktoren, die parallel geschaltet sind, geführt. Methanol wird bezogen aufdie Nitrat-Konzentration im Zuflußstrom hinzugegeben. Der Denitrifizierungsprozeß wird mittels der Gaserzeugung (1850 1/h) überwacht. Der pH-Wert der Denitrifizierungsreaktoren beträgt 9,0 bis 9,3. Die Temperatur wird unterhalb 35 ºC mittels eines Wäremeaustauschers gehalten. Der Ausfluß von den Denitrifizierungsreaktoren wird zu 80 % im Kreislaufgeführt und zu 20 % abgelassen. Die Analyse ergibt eine Nitratkonzentration < 10 mg N/1 und eine Phosphat-P-Konzentration von < 0,5 mg P/1.
Die Tabelle A zeigt die Qualität der fermentierten Gülle vor und nach der Behandlung in der vorliegenden Vorrichtung auf. Tabelle A vor nach Ausbeute
Die Tabelle B zeigt die Qualität des erhaltenen Ausflusses auf. Tabelle B Nitrat Ammonium Phosphat Chlorid Pestizide * bedeutet: nicht nachweisbar

Erklärung der Zahlen in den Figuren

1. Vorratsbehälter für den halbflüssigen Dung
2. Fermentierungsvorrichtung
3. Biogas
4. Vorrichtung für die Energieerzeugung
5. Vorrichtung für die mechanische Abtrennung
6. Kuchen
7. Filtrat = flüssige, zu behandelnde Fraktion
8. Behälter zum Abmessen der säureneutralisierenden Chemikalien
9. Nitrifizierungsreaktor
10. Luftzufuhr
11. Schlammabfluß
12. Ausfluß vom Nitrifizierungsreaktor
13. Denitrifizierungsreaktor
14. Behälter zum Abmessen der C-Quelle
15. phosphatreicher Schlamm
16. Ausfluß vom Denitrifiz ierungsreaktor
17. Stickstoffgas
18. WAZU-Atmungsmeßgerät
19. Abtrennvorrichtung
20. Chemikalienbehälter für die Phosphatausfällung
21. Schlamm, aufgeflocktes Material
22. Aus der Ausflockungsvorrichtung stammender Ausfluß, der stromabwärts vom Denitrifizierungsreaktor angeordnet ist
23. Puffertank
24. Vorratsbehälter des abgelassenen Schlamms
25. Sprühvorrichtung
26. Zuflußpumpe
27. Statischer Mischer und/oder Ausflockungstank
28. Zentrifuge
29. Schlammpumpe
30. Eisenchlorid-Vorratsbehälter
31. Dosierpumpe
32. Aus dem Denitrifizierungsreaktor stammender Ausfluß, der zum Denitrifizierungsreaktor zurückgeführt wird.
33. Aus dem Denitrifizierungsreaktor stammender Ausfluß, der zum Nitrifizierungsreaktor zurückgeführt wird.
34. Aus der Trennstufe stammender Ausfluß, der stromabwärts vom Denitrifizierungsreaktor angeordnet ist und der zum Nitrifizierungsreaktor fließt.
35. Aus der Trennstufe stammender Ausfluß, der stromabwärts vom Denitrifizierungsreaktor angeordnet ist und der zum Denitrifiz ierungsreaktor zurückgeführt wird.
36. Aus der Trennstufe stammender Ausfluß, der stromaufwärts zum Denitrifizierungsreaktor angeordnet ist.
37. Ausfluß vom Puffertank (23)

Claims

1. Verfahren zur Verarbeitung von Dung, worin in einer ersten Stufe fermentierte Gülle einer Nitrifizierung in einem belüfteten Reaktor unterworfen wird, der aktiven, an nitrifizierenden Bakterien reichen, Schlamm enthält und gegebenenfalls unter Verwendung von säureneutralisierenden Chemikalien, die zu dem genannten belüfteten Reaktor hinzugegeben werden und welches eine zweite Stufe zur Durchführung der Denitrifizierung in einem kontinuierlich beschickten Aufwärtsflußschlammbettreaktor (USB) umfaßt, der eine sehr kompakte Biomasse zur Umwandlung von Nitrat in Stickstoffgas enthält und wobei man ein organisches Substrat zu dem genannten Reaktor (USB) hinzufügt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Beschickung des Nitrifizierungsreaktors kontrolliert wird, um eine optimale Nitrifizierung und Denitrifizierung der Beschickung zu erreichen und wobei dies aufder Basis folgender Daten erfolgt:

- der eintretenden Stickstoffbeladung durch Kontrolle der fermentierten Gülle;

- der eintretenden Sauerstoffbeladung durch Kontrolle

der Belüftung; - der Information des WAZU- Atmungsmeßgeräts oder der Information aus einer Sauerstoffbestimmung im Nitrifizierungsreaktor;

- der Konzentration des oxidierten Stickstoffs in dem Nitrifizierungsreaktor, wobei die genannte Konzentration in der Schlamm/Flüssigkeits-Mischung im Reaktor durch Einstellen der Geschwindigkeit des Zuflusses (fermentierte Gülle) und durch Einstellen des Rückführungsflusses zwischen 0 und 4 g N/1 gehalten wird und

b) die Beschickung des Denitrifizierungsreaktors kontrolliert wird, um eine optimale Denitrifizierung zu erreichen, wobei dieses Optimum erreicht wird durch:

- Beibehaltung der Konzentration des oxidierten Stickstoffs im Zufluß für den Denitrifizierungsreaktor zwischen 0 und 4 g N/1;

- Beibehaltung der eintretenden oxidierten Stickstoffbeladung unter oder gleich der Nitratentfernungskapazität, so daß die Nitratkonzentration im Ausfluß unterhalb der erlaubten Konzentration liegt;

- wahlweise Überwachung der Nitratentfernung durch Messung der Gaserzeugung im Denitrifizierungsreaktor und/oder der Nitratkonzentration im Ausfluß.

- Hinzugabe einer Menge eines organischen Substrats, vorzugsweise aufder Basis der eintretenden oxidierten Stickstoffbeladung und gegebenenfalls auf der Basis der Gaserzeugung in dem Denitrifizierungsreaktor und/oder der Nitratkonzentration des Ausflusses;

c) die Temperatur sowohl im Nitrifizierungs- als auch im Denitrifizierungsreaktor unterhalb 40ºC gehalten wird

d) der pH-Wert im Nitrifizierungsreaktor im zwischen 6 und 8,5 eingeschränkten Bereich gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausfluß aus dem Nitrifizierungsreaktor (zuerst) durch eine physikalisch-chemische Ausflockungsvorrichtung geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit des Denitrifizierungsreaktors zum Nitrifizierungsreaktor zurückgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flockungsmittel Kationen enthält, die mit Phosphat einen Niederschlag bilden können.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Flockungsmittel Eisenchlorid ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zurückgeführte Flüssigkeit durch eine Sprühvorrichtung geführt wird bevor die Flüssigkeit den Nitrifizierungsreaktor erreicht.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Ausflusses nach der Denitrifizierung ebenfalls zum Ausfluß aus dem Nitrifizierungsreaktor zurückgeführt wird, bevor dieses in den Denitrifizierungsreaktor fließt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nitrifizierungsreaktor ein Chargenreaktor oder ein Chargenzugabereaktor ist, der über eine kontinuierliche oder chargenweise Zugabe des Ausflusses verfügt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Chemikalien für die Phosphatausfällung zum Denitrifizierungsreaktor zugegeben werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Ca&spplus;&spplus;, Fe&spplus;&spplus;&spplus;, Mg&spplus;&spplus; und/oder Al&spplus;&spplus;&spplus; verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Methanol als organisches Substrat zum Denitrifizierungsreaktor hinzugegeben wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Glykol als organisches Substrat zum Denitrifizierungsreaktor hinzugegeben wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere säureneutralisierende Chemikalien zum Nitrifizierungsreaktor hinzugegeben werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Kalk hinzugegeben wird.

15. Verfahren nach einemd er vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert im Nitrifizierungsreaktor bei 7-8 gehalten wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur sowohl im Nitrifizierungsreaktor als auch im Denitrifizierungsreaktor bei 31-35 ºC gehalten wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des oxidierten Stickstoffs im Zufluß des Denitrifizierungsreaktors bei 1,0 bis 1,4 g N/1 gehalten wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des oxidierten Stickstoffs im Nitrifizierungsreaktor bei 0 bis 1,5 g N/1 gehalten wird.

19. Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist, und die umfaßt:

- einen Nitrifizierungsreaktor (9), der versehen ist mit einer Belüftung (10), einer Beschickung für eine zu behandelnde Flüssigkeit (7), einer Beschickung von säureneutralisierenden Chemikalien (8), mit an nitrifizierenden Bakterien angereichertem, aktivem Schlamm (9), einem Schlammabfluß (11), einem Abfluß für den Ausfluß (12);

- eine Leitung, durch die der Ausfluß (12) vom Nitrifizierungsreaktor (9) zum Denitrifizierungsreaktor (13) geführt werden kann;

- einen Denitrifizierungsreaktor (13), der versehen ist mit der Beschickung des Ausflusses (12) vom Nitrifizierungsreaktor (9), einer Beschickung einer Kohlenstoffquelle (14), einer Aufwärtsflußschlammbett (USB)-Säule (13), einer sehr kompakten Biomasse (13), die Nitrat in Stickstoffgas überführen kann, einem Abfluß (15) für den phosphatreichen Schlamm, einen Abfluß für den Ausfluß (16), einer Stickstoffgasableitung (17);

- eine Leitung, durch die der Ausfluß (16) vom Denitrifizierungsreaktor (13) abgelassen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (in der Figur 2 schematisch dargestellt) mit einem oder mehreren WAZU- Atmungsmeßgeräten (18) versehen ist, die die Belüftung (10), die Zufuhr an zu behandelnder Flüssigkeit (7), den Schlammabfluß (ll) des Nitrifizierungsreaktors (9) und die Zugabe der Kohlenstoffquelle (14) kontrollieren.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Leitung (32) versehen ist, durch die der Ausfluß vom Denitrifizierungsreaktor (13) teilweise zum Zufluß für den Denitrifizierungsreaktor (13) zurückgeführt werden kann.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Leitung (33) versehen ist, durch die der Ausfluß vom Denitrifizierungsreaktor (13) teilweise zum Nitrifizierungsreaktor (9) zurückgeführt werden kann.

22. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Leitung versehen ist, durch die der Ausfluß (32, 33) vom Denitrifizierungsreaktor (13) teilweise zum Nitrifizierungsreaktor (9) und zum Ausfluß für den Denitrifizierungsreaktor (13) zurückgeführt werden kann.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19-22, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Chemikalieneinspeisung für die Phosphatausfällung (20) versehen ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19-22, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine oder mehrere Ausflockungsvorrichtungen (19) aufweist (schematisch in der Figur 3 abgebildet).

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausflockungsvorrichtung (19) derartig angeordnet ist (schematisch in Figur 8 abgebildet), daß der Ausfluß (16) vom Denitrifizierungsreaktor (13) vor der Zurückführung (34,35) oder dem Ausfluß (16) durch die Ausflockungsvorrichtung (19) fließt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausflockungsvorrichtung (19) derartig angeordnet ist, daß nur der Ausfluß (16) aus dem Denitrifizierungsreaktor (13), der abgelassen werden soll, durch die Ausflockungsvorrichtung (19) fließt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausflockungsvorrichtung (13) derartig angeordnet ist, daß der vom Nitrifizierungsreaktor (9) stammende Ausfluß (12) durch die Ausflockungsvorrichtung (19) fließt, bevor es in den Denitrifizierungsreaktor (13) fließt.

28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Einsprühvorrichtung (25) versehen ist, durch die der Ausfluß (16,

33, 34) vom Denitrifizierungsreaktor (13) in den Nitrifizierungsreaktor (9) eingesprüht werden kann.

29. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Puffertanks (23) versehen ist.