DE69200086T2

DE69200086T2 - Verfahren zum Entfernen von organischem Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor.

Info

Publication number: DE69200086T2
Application number: DE69200086T
Authority: DE
Inventors: Franck Rogalla
Original assignee: OTV Omnium de Traitements et de Valorisation SA
Current assignee: OTV Omnium de Traitements et de Valorisation SA
Priority date: 1991-08-02
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: DK0526328T3; EP0526328A1; IE67324B1; ATE103576T1; NO923047L; ES2052408T3; CA2070250A1; FI923459A0; NO923047D0; IE922514A1; FI923459L; DE69200086D1; FR2679897B1; JPH05208198A; FR2679897A1; FI923459A7; EP0526328B1; JP3399984B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Behandlung von Wasser, mit dem Ziel der Reinigung auf biologischem Wege, insbesondere von belastetem Wasser und von Abwässern oder von allem Wasser, das Phosphor in verschiedenen Formen sowie Ammoniakstickstoff enthält. Sie betrifft ganz besonders ein Verfahren zum Entfernen von Kohlenstoff, von Stickstoff und von Phosphorspuren durch biologische Dephosphatierung mit Biofiltern.
Es ist bekannt, daß Abwässer mittels des biologischen Verfahrens, welches Aktivschlammverfahren genannt wird, gereinigt werden können, wobei eine Biomasse in Gegenwart von Sauerstoff sowie eines kohlenstoffhaltigen Nährstoffs in Suspension gehalten wird. Die in der Biomasse vorhandenen Bakterien bauen die Verunreinigungen ab und werden in einem Klärwerk vom gereinigten Wasser getrennt. Man kann auch autotrophe Bakterien im System halten, die die Umwandlung von Ammoniakstickstoff in Nitratstickstoff ermöglichen, wenn man Schlämme anwendet, die mindestens sechs Tage lang im System gezüchtet wurden. Wenn man eine nicht belüftete (anoxische) Kontaktperiode in das System einführt, können die heterotrophen Bakterien dazu gezwungen werden, Nitrate in Gegenwart von kohlenstoffhaltigen Nährstoffen abzubauen. Werden darüber hinaus die Bakterien einem systematischen Wechsel zwischen anaerobischen und aerobischen Bedingungen ausgesetzt, so kann eine Überakkumulation phosphorhaltiger Komponenten in den Bakterien verursacht werden.
Ein solches Verfahren, gemäß der oben in Erinnerung gebrachten Prinzipien, ist seit 1974 unter dem Namen "BARDENPHO"-Verfahren bekannt.
Alle derzeit verfügbaren Konfigurationen zur vollständigen Entfernung von Stickstoff und Phosphor auf biologischem Wege sind Varianten des oben erwähnten klassischen Aktivschlammverfahrens. Eine Mehrzahl verschiedener möglicher Anordnungen der anaerobischen, anoxischen und aerobischen Zonen hat im Laufe der letzten 20 Jahre zur Entwicklung mehrerer Verfahren geführt, unter anderem die, die unter den Namen Phostrip, A/O, Phoredox, UCT, Biodenipho usw. bekannt sind.
Diesen Anordnungen gemeinsam ist ein anaerobisches Becken am Anfang des hydraulischen Flusses, um die Biomasse einer Abwechslung zwischen den aerobisch-/anaerobischen Bedingungen auszusetzen. Um die Nitrate in der anaerobischen Zone zu reduzieren, werden mehrere innere Rezirkulationskreisläufe der Schlämme zwischen den anoxischen und anaerobischen Zonen angewandt, um eine gute Leistung bei der biologischen Dephosphatierung zu erreichen.
Bei diesen Verfahren wird die Effektivität der Dephosphatierung durch mehrere Faktoren eingeschränkt, darunter insbesondere: die Zeit während der die Biomasse den anaerobischen Bedingungen ausgesetzt ist, und die meistens auf 0.5 bis 2 Stunden begrenzt sein muß; ferner die Massebeladungen, die wegen der Altersauflagen, welche die Schlämme aufgrund der Nitrifizierung unterworfen sind, gering bleiben. Dies schränkt die Anwendung der besagten Verfahren für die Behandlung von Abwässern ein, deren gesamtes DCO Verhältnis (chemischer Sauerstoffbedarf)/P (Phosphor) hoch ist, insbesondere wenn es über 20 liegt. Es ist schwierig, bei diesen Verfahren sehr geringe Phosphorrestwerte zu erzielen, weil es unmöglich ist, die Beladung des kohlenstoffhaltigen Nährstoffes für die heterotrophen Bakterien zu erhöhen, und weil das nachfolgende Klärwerk stark phosphorhaltige Suspensionsstoffe wieder freigibt. Demnach ist es erforderlich, der Abwasserbehandlung ein zusätzliches physikalisch- chemisches Verfahren hinzuzufügen, um einen sehr geringen Phosphorrestgehalt zu erzielen.
In neuerer Zeit wurden andere Abwasserreinigungsverfahren vorgeschlagen, bei denen nicht mehr Aktivschlammsysteme mit frei zirkulierenden Bakterien eingesetzt werden, sondern "Biofilter" genannte Reaktoren zum Einsatz kommen, in denen die Bakterien auf einer Unterlage fixiert sind. Als Beispiele für diese Techniken können die in den veröffentlichten französischen Patenten Nr. 2 604 990 und Nr. 2 632 947 beschriebenen Verfahren zitiert werden. Diese Verfahren ermöglichen ausgezeichnete Ergebnisse bei der Entfernung von Kohlenstoff und Stickstoff, aber wegen der Fixierung der Bakterien ermöglichen sie keine zufriedenstellende biologische Dephosphatierung.
Es wurde nun herausgefunden, daß dieses Problem der hochgradigen Phosphorentfernung im Rahmen des Betriebes der Biofilterverfahren gelöst werden kann, gemäß einer Technik, die es ermöglicht, einen optimalen Gehalt kohlenstoffhaltiger Substrate in einer anaerobischen Zelle sowie die Abwesenheit von Elektronenakzeptoren (O&sub2; und NO&sub3;) während der nicht belüfteten Phase zu erzielen und die Verluste suspendierter Stoffe (Bakterien) zu minimieren.
Gemäß der Haupteigenschaft des Erfindungsverfahrens werden zur Entfernung der kohlenstoff- und phosphorhaltigen Nährstoffe durch Zirkulation des zu behandelnden Abwassers durch Biofilter mit eingetauchten Filterbetten, anaerobische und aerobische Phasen dazu gebracht, sich untereinander zyklisch abzuwechseln, wobei der zu behandelnde Wasserfluß immer in den anaerobischen Filter eingespeist wird.
Will man darüber hinaus den Stickstoff entfernen, so werden nitrifizierende Bakterien auf den eingetauchten Filterbetten angesiedelt.
Dieses Verfahren hat viele Vorteile, die im Laufe der nachfolgenden Beschreibung deutlich werden. Insbesondere läßt der Fixierungszustand der Biomasse die Verweilzeit der Bakterien im Reaktor unabhängig von der hydraulischen Verweildauer während der zyklischen Phasen des Verfahrens werden. Dies sichert die optimale Nutzung der Lager- und Wiederausscheidungskapazität für Phosphor der dephosphatierenden Kolonie. Außerdem weist das kohlenstoffhaltige Substrat auf der sich im anaerobischen Zustand befindlichen Biomasse stets ein optimales Verhältnis auf, dank des Wasservolumens, daß auf den anaerobischen Zellen dekantiert wird. Darüber hinaus ermöglicht die simultane Filtrierung in den in Reihe angeordneten Biofiltern das Erzielen guter Werte für Stoffe in Suspension am behandelten Wasserauslauf und die Reduzierung des Verlustes an phosphorreicher Biomasse im Abwasser. Andererseits kann man gemäß einer Verfahrensverbesserung die Wäsche der Filterzellen am Ende der Belüftungszyklen mit einfach stickstoffbeladenem (mit Nitraten angereichertem) Wasser durchführen; hierdurch wird das Wiederausscheiden des Phosphors durch die Wäscheschlämme bei einer nachträglichen Dekantierung vermieden. Zuletzt sei darauf hingewiesen, daß im Falle von zu behandelnden Abwässern mit sehr geringem DCO/P Verhältnis, das Verfahren mittels einer physikalisch-chemischen Dephosphatierung dadurch vervollständigt werden kann, daß die Dephosphatierungsreagentien einfach am Eingang der anaerobischen Phase injiziert werden, wo das Abwasser eine hohe P Konzentration aus dem PO&sub4; nach dem Wiederausscheiden aufweist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung des Erfindungsverfahrens wird der Wechsel zwischen der anaerobischen und der aerobischen Phase durch eine Haltephase getrennt, d. h. eine Einspeisungsunterbrechung des zu behandelnden Abwassers.
In der Praxis werden für eine anaerobisch arbeitende Zelle vorteilhaft mindestens zwei aerobisch arbeitende Zellen eingesetzt. Die durchschnittlichen Behandlungsdauern im oben erwähnten Zyklus entsprechen allgemein 1 bis 8 Stunden für die anaerobische Phase, 0,5 bis 1 Stunde für die Haltephase und 4 bis 24 Stunden für die aerobische Phase.
Gemäß einer Ausführung des Erfindungsverfahrens, bei der beispielsweise drei bis fünf belüftete Zellen eingesetzt werden, fließen die Wasserströme und die sauerstoffhaltigen Gasströme gemeinsam nach oben, wobei das sauerstoffhaltige Gas etwa in der Mitte einer jeden Zelle eingespeist wird.
Einer Verfahrensvariante zufolge kann man das noch unbehandelte Wasser oberhalb des Systems und gemäß dem oben erwähnten Zyklus durch einen Schlammbettreaktor schicken, der sich im Zustand der Anoxie befindet. Das noch unbehandelte Wasser wird in aufsteigender Richtung in den Reaktor gespeist.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann der zu behandelnde Wasserfluß in eine oberhalb des Behandlungssystems angebrachte Zelle, die sich im Zustand der Anoxie befindet, entsprechend dem Verfahrenszyklus eingespeist werden. In diesem Falle hat man beispielsweise: 1 anoxische Zelle, 1 anaerobische Zelle und 1 bis 4 aerobische Zellen oder mehr. Die anoxische Zelle kann auch unterhalb der Gesamtgruppe der anaerobischen und belüfteten Zellen durch Hinzufügen einer äußeren kohlenstoffhaltigen Quelle angebracht werden.
Die Erfindung wird noch besser durch die detailliertere Beschreibung von Ausführungsarten, wie die vorher erwähnten, erläutert, mit Hinweisen auf die Figuren des einzigen beigefügten Abbildungsblatts, wobei die Abbildungen folgendes schematisch darstellen:
- Figur 1 ein Filtermodul für eine Gesamtgruppe filtrierender Zellen einer Wasserreinigungsanlage, das eine anaerobische Zelle für drei anoxisch/aerobische Zellen enthält;
- Figur 2 ein anderes Filtermodul derselben Art wie das aus der Figur 1, wobei jedoch am Anfang des Verfahrens ein Schlammbettreaktor im Zustand der Anoxie angebracht ist;
- Figur 3 eine Biofiltergruppe für Wasserreinigungsanlagen, bei der oberhalb der Gruppe anaerobischer/aerobischer Zellen eine anoxische Zelle zum Zwecke der Denitrifizierung eingefügt wurde, die nicht zum oben erwähnten Abwechslungszyklus gehört.
Auf dem beigefügten Abbildungsblatt wurden oben rechts die Erläuterungssymbole für jede Filterzelle dargestellt: anaerobisch, anoxisch, aerobisch und Haltephase.
Für jeden der drei Ausführungsbeispiele findet man außerdem, in Übereinstimmung mit jeder Figur, für jeden Schritt einen kompletten Behandlungsabwechslungszyklus gemäß der Erfindung, nämlich: 1 bis 8, 1' bis 8'; 1" bis 8", mit Angabe der in Stunden (h) ausgedrückten Durchschnittszeit.
In der in Figur 1 dargestellten Konfiguration wurde am Anfang des Behandlungsmoduls eine anaerobische Zelle 10 angeordnet, gefolgt durch gleichzeitig anoxische/aerobische Zellen 11, 12, 13 in Reihe (deren Zahl kann bis zu 5 betragen). Vor den Zellen kann eine Dekantierzelle 9 angebracht werden. Jede Filterzelle hat ein schwimmendes oder nicht schwimmendes eingetauchtes Filterbett, das beispielsweise über ein leichteres Material für Wasser verfügt, mit einer Korngröße 2 bis 6 mm. Das Belüftungsgitter in den Zellen 11, 12, 13 ist auf der Höhe 14 innerhalb des Filterbetts untergebracht, damit eine anoxische Zone 15 innerhalb einer jeden Zelle im aerobischen Zustand entsteht. Das zu behandelnde Wasser, Pfeil 16, wird steigend in die anaerobische Zelle 10 gespeist; danach wird, wie in Figur 1 gezeigt, ein gemeinsamer steigender Luft- und Wasserfluß während der aerobischen Phase eingeleitet. Ein Teil 17 der behandelten Abwasserflußmenge 18 wird rezirkuliert und mit dem Fluß vermischt, der aus der anaerobischen Zelle 10 austritt. Gemäß der durch die gestrichelten Linien und die drei Pfeile angezeigten Variante, kann ein Teil 19 des dekantierten Wasserflusses direkt in die anoxische Zone 15 der belüfteten Zellen 11, 12, 13 eingeleitet werden, um die Denitrifizierung zu begünstigen.
Gemäß der in Figur 2 dargestellten Konfiguration wurde am Anfang des Behandlungsmoduls der Erfindung ein aufsteigender Schlammbettreaktor 20 im Zustand der Anoxie angeordnet, um den Denitrifizierungsvorgang außerhalb der Filterzellen ablaufen zu lassen. Die Oxydierung in der organischen Phase sowie die biologische Nitrifizierung und Dephosphatierung werden durch die Biomasse bewirkt, die wie im Falle der Figur 1 auf dem Substratmedium der Filterzellen angeordnet ist. Das Schlammbett im Reaktor 20 wird durch das gesamte oder durch einen Teil des unbehandelten Wassers 21 gespeist, das in die Reinigungsanlage eintritt.
Der andere Anteil wird direkt gemäß 21 a (Fig. 2) einer anaerobischen Zelle zugeführt. Gemäß einer Variante kann ein Anteil 21a des unbehandelten Wassers über die anaerobische Zelle 10 geleitet werden. Der Reaktor 20 empfängt auch den Rezirkulationsdurchsatz 22 des Abwassers 23 von den aerobischen Zellen. Somit spielt der Reaktor 20 gleichzeitig die Rolle des Primärdekantierers und des Denitrifizierungsreaktors. Der Wasserkreislauf wird dann in den Behandlungszellen 10 bis 13 in derselben Art wie für Figur 1 ausgeführt.
Gemäß der in Figur 3 dargestellten Konfigurationsvariante besteht die wichtigste Besonderheit in der Einführung einer anoxischen Zelle 24 am Anfang der erfindungsgemäßen Behandlung mit abwechselnden Zyklen. Diese Zelle 24 dient dem Denitrifizierungsverfahren. Sie empfängt den in die Reinigungsanlage einfließenden Wasserdurchsatz 25 sowie den Rezirkulationssdurchsatz 27 aus den aerobischen Zellen 11, 12, 13, teilweise oder vollständig. Das Abwasser 28, das aus der anoxischen Zelle 28 fließt, wird in seiner Gesamtheit in die anaerobische Zelle 10 und dann in die aerobischen Zellen 11, 12, 13 geleitet. Gemäß einer Verfahrensvariante kann Zelle 10 auch einen Teil 29 des dekantierten Wasserdurchsatzes aufnehmen. Eine Dekantierzelle 9 kann vor der Gesamtgruppe der Zellen angeordnet werden.
Als numerisches, nicht einschränkendes Beispiel für die Anwendung des Verfahrens mit abwechselnden Zyklen gemäß der Erfindung, stützt man sich auf eine Konfiguration der Art:
eine anaerobische Zelle, gefolgt von drei aerobischen Zellen wie zum Beispiel die Zellen 10, dann 11, 12, 13 der beigefügten Figuren 2 und 3. Jede Zelle hatte einen Querschnitt von 4 Metern und eine Höhe von 4 Metern, wobei das eingetauchte Filterbett in jeder Zelle eine Höhe von 3 Metern einnahm. Die angenommenen Zykluseigenschaften waren: 4 Stunden für die anaerobische Phase, 0,5 Stunden für die Haltephase (Unterbrechung der Einspeisung des zu reinigenden Wassers) und 12 Stunden für die aerobische Phase. Die Durchschnittseigenschaften des ungereinigten Wassers waren:
gesamtes DCO : 400 mg/l
N (aus NH&sub4;) : 50 mg/l
P (aus PO&sub4;³&supmin;) : 10 mg/l
Die Durchflußgeschwindigkeit des zu behandelnden Wassers durch jeden aerobischen Reaktor betrug ca. 0,95 m/h und war selbstverständlich dreimal höher in dem anaerobischen Reaktor. Der zu behandelnde Wasserduchsatz betrug ca. 15 m³/h.
Bei der Anwendung des Verfahrens fielen folgende Volumenbelastungen an:
- in Gesamt-DCO : 5 kg DCO/m³ belüftet/Tag
- in N (aus NH&sub4;) : 1 kg N (NH&sub4;)/m³ belüftet/Tag
- in N (aus NO&sub3;) : 1,5 kg N (NO&sub3;)/m³ belüftet/Tag
die Qualität des behandelten Wassers am Auslauf war sehr gut und hatte die folgenden Eigenschaften:
gesamte DCO : 50 mg/l
N (aus NH&sub4;) : weniger als 1 mg/l
Phosphor gesamt : weniger als 1 mg/l

Claims

1. Verfahren zur Entfernung von Kohlenstoff und Phosphor aus Abwässern auf biologischem Weg, von der Art, die darin besteht, das Wasser durch Biofilter mit eingetauchten Filterbetten zirkulieren zu lassen, die anaerobisch und dann aerobisch oder vice versa funktionieren, dadurch gekennzeichnet, daß man in einem System, welches aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Zellen oder Biofiltern besteht, anaerobe und aerobe Phasen sich zyklisch abwechseln läßt, wobei das zu behandelnde Wasser immer in den anaeroben Filter eintritt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, um zusätzlich die Entfernung von Stickstoff zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß nitrifizierende Bakterien auf den eingetauchten Filterbetten angebracht werden.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Phase des Behandlungszyklus durch eine Haltephase getrennt wird, welche einer Einspeisungsunterbrechung des zu behandelnden Wassers entspricht.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für eine anaerob arbeitende Zelle mindestens zwei aerob arbeitende Zellen eingesetzt werden, wobei die durchschnittlichen Behandlungsdauern im oben erwähnten Zyklus den folgenden Werten entsprechen: 1 bis 8 Stunden für die anaerobische Phase, 0,5 bis 1 Stunde für die Haltephase und 4 bis 24 Stunden für die aerobische Phase.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für jede anaerobische Zelle drei bis fünf belüftete Zellen einsetzt.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den belüfteten Zellen die Wasser- und die sauerstoffhaltigen Gasströme gemeinsam nach oben fließen, wobei das sauerstoffhaltige Gas bzw. die Luft etwa in die Mitte einer jeden Zelle eingeführt und das Abwasser im unteren Bereich rezirkuliert wird.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man oberhalb des Systems und gemäß des oben erwähnten Zyklus das noch unbehandelte Wasser steigend durch einen Schlammbettreaktor schickt, der sich im Zustand der Anoxie befindet und durch das noch unbehandelte Wasser und durch rezirkuliertes, gereinigtes Wasser gespeist wird.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor Ausführung des oben erwähnten Zyklus in einer anaerobischen Zelle und in einer bis fünf aerobischen Zellen, man den zu behandelnden Wasserfluß durch eine oberhalb des Systems angebrachte anoxische Zelle leitet, welche durch das zu behandelnde Wasser und durch rezirkuliertes, gereinigtes Wasser gespeist wird.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Durchführung des oben erwähnten Verfahrens in einer anaerobischen Zelle und in einer bis fünf aerobischen Zellen das Abwasser durch eine anschließende anoxische Zelle leitet.