DE69910849T2

DE69910849T2 - Verfahren zur Entfernung von Ammonium aus Abwasser

Info

Publication number: DE69910849T2
Application number: DE1999610849
Authority: DE
Inventors: Per Johansson; Karl-Heinz Rosenwinkel; Carl Franz Seyfried
Original assignee: AW Creative Technologies Ltd; Purac AB
Current assignee: LäCKEBY WATER AKTIEBOLAG, LäCKEBY, SE
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: EP0931768A1; GB9801526D0; EP0931768B1; DK0931768T3; ATE248775T1; DE69910849D1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser, das durch die aerobe Desammonifizierung in einem Bewegtbett-Biofilmreaktor durchgeführt wird.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Abwasserbehandlung gibt es häufig das Erfordernis, Verfahrensströme zu behandeln, die sehr hohe Konzentrationen an Ammoniak enthalten. Beispielsweise wird beim Schlammaufschluss eine Flüssigkeit erzeugt, die typisch 500 bis 1 000 mg/1 Ammoniak enthalten kann. Gewöhnlich wird die Flüssigkeit in den normalen Verfahrenstrom der Behandlungsanlage zurückgeführt. Wenn jedoch die Flüssigkeit 10 bis 20% Ammoniakbeschickung an die Anlagen umfasst, können die hohen Ammoniakkonzentrationen verursachen, dass die End-Ausflussqualität der gesamten Anlage beeinträchtigt wird.
Um diese hohen Ammoniakkonzentrationen zu behandeln, sind eine Anzahl von Verfahren auf der Grundlage von biologischen und physikalischen Prozessen vorgeschlagen worden. Diese leiden jedoch alle an dem Nachteil, große Mengen von Chemikalien und/oder eine hohe Stromzufuhr zu erfordern.
Derzeitige biologische Verfahren verwenden die Verfahren der Nitrifizierung und Denitrifizierung. Die Nitrifizierung wird zuerst durchgeführt, wodurch Ammoniak zuerst zu Nitrit oxidiert wird und dann weiter zu Nitrat oxidiert wird. Dieses Verfahren verbraucht Alkalinität, und es ist, damit die Flüssigkeiten vollständig nitrifiziert werden, erforderlich, Alkalinität zuzusetzen, mit einem resultierenden Verbrauch an teuren Chemikalien. Zusätzlich erfordert die biologische Oxidation die Zufuhr von Sauerstoff, normalerweise durch Luft, die in das Verfahren eingeblasen wird, was Energie verbraucht. Die zweite Stufe der Behandlung erfordert die Denitrifizierung des Nitrats unter anaeroben Bedingungen unter Verwendung von Bakterien, die den Sauerstoff in Nitrat verwenden können, um Kohlenstoff zu oxidieren. Dies gewinnt etwas Alkalinität und Sauerstoff zurück, erfordert aber die Anwesenheit einer geeigneten Kohlenstoffquelle, welche häufig in den fraglichen Flüssigkeiten beschränkt ist.
Da Nitrifizierung und Denitrifizierung verschiedene Betriebsbedingungen erfordern, ist es notwendig, diese Reaktionen in getrennten Reaktoren durchzuführen.
Ein alternatives Verfahren verwendet eine Desammonifizierung; wodurch der Ammoniak in Nitrit und dann direkt unter Verwendung eines Wasserstoff-Stoffwechselwegs in Stickstoff überführt wird. Dies kann als aerobe Denitrifizierung angesehen werden. Dies spart Energie (der Stickstoff wird nicht zu Nitrat oxidiert) und Alkalinität ein (da weniger Alkalinität erforderlich ist, und verwendete Alkalinität durch die Umwandlung des Nitrits zu Stickstoff zurückgewonnen wird). Diese verschiedenen Prozesse sind nachstehend zusammengefasst.

1) Nitritierung: NH₄ ⁺ + 1,5 O₂ → NO₂- + 2H⁺ + H₂O
2) Nitratierung: NO₂ ^– + 0,5 O₂ → NO₃ ^–
3) Denitratierung: 2NO₃ ^– + 10H⁺ + 10e^– → 2HO^– + 4H₂O + N₂
4) Denitritierung: 2NO₂ ^– + 6H⁺ + 6e^– → 2HO^– + 2H₂O + N₂

Die Nitrifizierung/Denitrifizierung ist eine Kombination der Schritte 1, 2 und 3, d. h.: 2NH₄ ⁺ + 4O₂ ^– + 10e^– + 6H⁺ → 2OH^– + 6H₂O + N₂
Jedoch verwendet die aerobe Desammonifizierung den Denitritierungsschritt 4 in Kombination mit Schritt 1, was die folgende Gesamt-Reaktionsformel ergibt: 2NH₄ ⁺ + 3O₂ ^– + 6e^– + 2H⁺ → 2OH^– + 4H₂O + N₂
Beim Vergleich dieser zwei Methoden ist klar ersichtlich, dass die aerobe Desammonifizierung ein wirksameres Verfahren zur Überführung von Ammoniumionen in Stickstoff ist.
Das Verfahren der Desammonifizierung erfordert die Verwendung von Mikroorganismen, die eine aerobe Denitrifizierung durchführen können. Beispiele für diese Organismen schließen Nitrosomonas europea, Nitrosomonas eutropha und Thiosphera pantopha ein. Das Verfahren erfordert weiter eine begrenzte Zufuhr an Sauerstoff.
Jedoch haben frühere Versuche, dieses Verfahren zu verwenden, aufgrund der unregelmäßigen Beladung mit aeroben Denitrifizierungsorganismen in dem System und des Wachstums von Mikroorganismen, die eine aerobe Nitrifizierung oder an- aerobe Denitrifizierung durchführen, nur eine begrenzte Umwandlung von Ammoniak erzielt.
Hem et al., Water Kes. 28(6): 1425–1453 (1994) offenbaren die Nitrifizierung in einem Bewegtbett-Biofilmreaktor unter begrenzten Sauerstoff-Bedingungen zwischen 1 und 15 g O₂ m^–3.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Wahrnehmung, dass ein Bewegtbett-Biofilmreaktor (BBBR) als System verwendet werden kann, um eine Desammonifizierung zu fördern. In diesem System kann eine Population von spezialisierten Bakterien mit der Fähigkeit, Ammoniumionen zu oxidieren, entwickelt und auf dem in dem Reaktor verwendeten Medium gehalten werden. Zusätzlich kann die Biofilmdicke gesteuert werden, und dies verhindert die Entwicklung von anaeroben oder anoxischen Bedingungen, die in dicken Biofilmen typisch sind. Deshalb wird das Wachstum von Mikroorganismen, welche das Desammonifizierungsverfahren zerstören können, minimiert.
Zusätzlich ist ein hohe Oberfläche pro Kubikmeter Reaktor verfügbar, was bedeutet, dass die Gesamtgröße des Reaktors minimiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt ein wirksames System zur Entfernung von Ammoniak aus Abwässern ohne das Erfordernis für eine Nitrifizierung und anschließende Kohlenstoffangetriebene Denitrifizierung bereit.
Beschreibung der Erfindung
Die Vorrichtung dieser Erfindung ist im Wesentlichen bei der Abwasserbehandlung üblich. In einem Bewegtbett-Biofilmreaktor wächst die Biomasse auf kleinen Trägerelementen, die sich zusammen mit dem Wasser in dem Reaktor bewegen. Die Bewegung wird durch Belüftung oder Mischen verursacht. Der Reaktor stellt eine hohe spezifische Biofilm-Oberfläche, einen unbedeutenden Strömungsdruck-Verlust durch dieses System und kein Erfordernis für eine Rückwaschung oder ein Recycling der Biomasse bereit. Bevorzugt umfasst der BBBR eine Tank, welcher zusätzlich zu einem Einlass und einem Auslass für das behandelte Schmutzwasser einen Einlass für Sauerstoff (oder Luft, die Sauerstoff enthält) enthält, der unter Druck einzuführen ist. Innerhalb des Reaktors ist ein schwimmfähiges Medium vorhanden, das Oberflächen bereitstellt, auf denen Mikroorganismen wachsen können; Bewegen der Elemente steuert die Biomasse, was eine gute Sauerstoff-Penetration ermöglicht. Das Medium umfasst vorzugsweise diskrete Stücke aus beispielsweise Kunststoff-Material, die vorzugsweise eine Innen-Oberfläche einschließen, so dass die Feststoffe nicht durch Abrieb zwischen den Stücken entfernt werden. Ein besonders geeignetes Material dieses Typs ist als „Kaldnes"-Medium bekannt und ist in Einzelheit in der EP-A- 0575314 beschrieben. Jedes Trägerelement dieses Mediums ist ein Kunststoff-Zylinder mit kreuzgeformten Teilelementen auf seiner Innenseite und länglichen Rippen auf der Außenseite. Die Kunststoff-Zylinder weisen beispielsweise einen Durchmesser von 9 mm und eine Länge von 7 mm auf. Sie können aus Polyethylen hoher Dichte sein und weisen ein spezifisches Gewicht zwischen 0,92 und 0,96 kg/m³ auf. Da die Trägerelement leichter sind als Wasser, wird für das Mischen gesorgt, indem Luft in den Reaktor geblasen wird.
Die effektive (d. h. innere) Oberfläche des Elements beträgt beispielsweise 500 m²/m³ in der Schüttung. Die Gesamt-Oberfläche eines Kaldnes-Elements ist viel höher, aber wegen des Abriebs zwischen den Trägerelementen, wenn sie gemischt werden, ist das Bakterienwachstum auf den Außen-Oberflächen geringer und wird deshalb nicht berücksichtigt. Der maximale Prozentsatz an Trägerelementen bezüglich eines leeren Reaktorvolumens beträgt 70%, was einer effektiven Oberfläche von 350 m2/m3 Reaktor für dieses Beispiel entspricht. In dem Fall, in dem der Reaktor zu 50% gefüllt ist, ergibt dies eine effektive Biofilmfläche von 250 m2/m3 für dieses Beispiel.
Der Fachmann ist in der Lage, eine geeignete Beschickung des BBBR gemäß den gewünschten Schlammeigenschaften festzulegen. Abhängig von den Umständen kann die Beschickung geändert werden. Beispielsweise wurde gefunden, dass ein System dieser Erfindung zufriedenstellend mit einer Ammoniakbeschickung zwischen 1–10 g N pro m²/Tag, vorzugsweise 4–5 g N pro m2/Tag, arbeiten kann. Der durchschnittliche pH beträgt etwa 8, mit einer durchschnittlichen Konzentration an gelöstem Sauerstoff von 0,2–5 mg/1, bevorzugt 0,5–1,5 mg/1, und einer durchschnittlichen Temperatur zwischen 25–35°C.
Die Desammonifizierung kann in einem Reaktor oder in mehreren in Reihe durchgeführt werden, in welchem Fall eine Rückführung von behandeltem Ausfluss erforderlich sein kann, um die Konzentration des Ammoniakzustroms zu steuern.
Ein Beispiel für die Erfindung wird nachstehend beschrieben.
Eine aerobe Desammonifizierungs-Anlage im Labormaßstab schließt eine Reihe von BBBRs und einen Sedimentationstank ein, der gegebenenfalls für eine sekundäre oder Zwischen-Klärung verwendet werden kann. Jeder Reaktor umfasst einen zylindrischen Perspex-Behälter mit einer Doppelummantelung, um die Temperatur bei 25°C zu halten. Der Durchmesser jedes Reaktors beträgt 0,28 m, die Höhe beträgt 0,8 m und das maximale Flüssigkeitsvolumen beträgt 0,04 m³. Alle Reaktoren können vollständig dicht verschlossen werden. Der Zufluss tritt in das untere Viertel ein, und der Ausfluss tritt bei einer Höhe von 0,65 m aus. Die Gasverteilung geschieht über eine ringförmige Membranbelüftungs-Einrichtung, die am Boden des Reaktors eingebaut ist; es ist möglich, zwischen der Einspeisung entweder von Luft oder irgendeiner gegebenen Sauerstoff/Helium-Mischung in den Reaktor zu wählen.
Die BBBRs werden teilweise mit Kaldnes gefüllt. Dieses Medium weist eine Dichte auf, die nahe bei, aber unterhalb der Dichte von Wasser liegt. Die Abmessungen der zylindrischen Stücke dieses Mediums sind: Durchmesser 9,9 mm, Höhe 8,1 mm, Wanddicke 0,66 mm. Der Füllungsanteil beläuft sich auf 20%. Um die zusätzliche Oberfläche abzuschätzen, die für die jeweiligen Verfahren verfügbar sind, werden nur die Innenseiten der Zylinder für die Berechnung herangezogen. Die aktive Wachstums-Oberfläche beträgt 500 m2/m3 des Materials. Da der Füllungsanteil 20% ist, ist die aktive Oberfläche deshalb 100 m2/m3. Die Zirkulation des Mediums innerhalb der Reaktoren wird durch Belüftung oder durch mechanische Mischer erzeugt, falls eine Belüftung unzureichend ist, um für die Zirkulation zu sorgen. Die durchschnittliche Temperatur im Reaktor beträgt 27,5°C.
Die Ergebnisse zeigen, dass stabile Stickstoffverluste unter den folgenden Bedingungen erzielt werden können: ein pH-Wert von 7,5 bis 8,0, eine Sauerstoff-Konzentration von 0,7 bis 1,0 mg/1 und eine hohe Oberflächen-Beschickung von 7 –15 g N pro m²/Tag. Ein Gesamt-Stickstoffverlust von 68% wird beobachtet.

Claims

Verfahren zur Entfernung von Ammoniak aus Abwasser, das den Schritt umfaßt des Durchführens des Abwassers durch einen Bewegtbett-Biofilmreaktor unter eingeschränkten Sauerstoffbedingungen und in Anwesenheit von Ammoniumionen-oxidierenden Organismen, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser in dem Reaktor eine Konzentration gelösten Sauerstoffs von 0,2 bis zu weniger als 1 mg/ml umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Abwasser vor seiner Zufuhr zu dem Bewegtbett-Biofilmreaktor einer Nitritierung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Nitritierung in einem Bewegtbett-Biofilmreaktor stattfindet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der oder jeder Reaktor diskrete Teile aus Kunststoffmaterial umfaßt, von denen jedes eine innere Oberfläche hat.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Organismen ausgewählt sind aus Nitrosomonas europea, Nitrosomonas eutropha und Thiosphera pantopha.