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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die kombinierte biologische
Behandlung von Abwasser, das eine oder mehrere spezifische Komponenten enthält, in einem
Vorbehandlungsreaktor, und von Abwasser, das nicht-spezifischen
CSB enthält,
in einem Hauptreaktor. Die spezifische Komponenten kann insbesondere
eine organische Substanz oder Ammoniak sein.
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Ein
Verfahren zur Behandlung von Ammoniak enthaltendem Abwasser durch
nitrifizierende Bakterien, wobei Ammoniak vorwiegend zu Nitrit oxidiert wird,
ist in EP-A-826639
offenbart. Gemäß diesem bekannten
Verfahren wird das Abwasser in einem kontinuierlichen Rührtankreaktor
(CSTR) ohne Schlammretention unter Einstellung der hydraulischen
Retentionszeit bei etwa 1 1/2 Tagen behandelt. Unter solchen Bedingungen
haben die Bakterien, welche Ammoniak zu Nitrit umwandeln, einschließlich beispielsweise
der Gattung Nitrosomonas, eine ausreichende Wachstumsgeschwindigkeit,
um den Schlammverlust aus dem Reaktor zu kompensieren, während die
Bakterien, welche Nitrit zu Nitrat umwandeln, einschließlich beispielsweise
der Gattung Nitrobacter, keine ausreichende Wachstumsgeschwindigkeit
haben, um in dem Reaktor zurückgehalten
zu werden. Als ein Ergebnis wird die Umwandlung von Nitrit zu Nitrat
unterdrückt,
was die Vorteile eines verringerten Sauerstoffverbrauchs und eines verringerten
Elektronendonor (COD)-Bedarfs bei einem Stromabwärts-Denitrifizierungsverfahren
aufweist. Dieses Verfahren wird ebenfalls als Single Reactor for
High activity Ammonia Removal Over Nitrite (SHARON)-Verfahren bezeichnet.
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Ein
Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß die erforderliche
hydraulische Retentionszeit von 1–2 Tagen die Verwendung großer Reaktoren
erforderlich macht, die nur zu einem niedrigen Niveau beladen werden.
Dies ist insbesondere nachteilhaft bei der Behandlung von relativ
verdünntem
Abwasser.
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Ein
anderer Versuch ist die Verwendung ausgewählter Mikroorganismen (EP-A-562466). Bei diesem
Verfahren werden spezifische Mischungen von Mikroorganismen (wie
Pseudomonas, Acinetobacter, Moraxella, Corynebacterium, Micrococcus,
Flauobacterium und Bacillus) in separaten Reaktoren gezüchtet (sogenannte
Propagatoren) und kontinuierlich oder diskontinuierlich von diesen
Reaktoren in die Abwasserbehandlungsanlage dosiert. Nachteile eines
solchen Verfahrens sind die arbeitsaufwendige (und daher kostspielige)
Kultivierung der ausgewählten
Mikroorganismen und die relativ ineffektive Verwendung der Bioreaktoren.
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EP-A-503546
beschreibt ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine hohe
Konzentration an Stickstoff (d.h. Ausschußwasser) enthaltendes Abwasser
in einem Tank gelagert wird, in welchem nachfolgend Nitrifizierung/Denitrifizierung
stattfindet. Die erzeugte Biomasse wird kontinuierlich oder periodisch
zu der Abwasserbehandlungsanlage überführt. Die Rückschläge sind vergleichbar mit den Rückschlägen des
oben angeführten
SHARON-Verfahrens, d.h. geringe Schlammkonzentration, relativ großes Reaktorvolumen
und schlechte Absetzungseigenschaften.
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WO
98/00370 beschreibt ein Nitrifizierungsverfahren für die Behandlung
von Ammoniak, bei dem ein konzentriertes Ammoniak enthaltender Seitenstrom,
beispielsweise Ausschußwasser
des Hauptstroms, in einer herkömmlichen
hochbeladenen Einheit zur Erzeugung von Nitrifiziermitteln behandelt
wird. Die Nitrifiziermittel werden dem Hauptstrom zugeführt, um
die Nitrifizierung in dem Hauptstrom zu verstärken. Wie in dem Verfahren
der
EP 826639 sind die
Nitrifiziermittel empfindlich gegenüber bevorzugter Abstreifung
durch höhere
Organismen in dem Hauptstrom.
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Es
wurde nun ein Verfahren gefunden, welches diesen Nachteil überwindet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird überschüssiger Schlamm
von einer Belebtschlammanlage in einem Vorbehandlungsreaktor verwendet,
in welchem höhere
Anteile der spezifischen Komponente(n) als in einer Belebtschlammanlage
behandelt werden. Der reaktivierte Schlamm wird dem Belebtschlammverfahren
rückgeführt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die hydraulische Retentionszeit in dem Vorbehandlungsreaktor
kürzer
sein als die Schlammretentionszeit und das Schlammalter wird reguliert.
Im Falle von Nitrifizierung ist das Schlammalter vorzugsweise kürzer als
die Verdoppelungszeit der Nitrat produzierenden Bakterien. Die erwünschten
Retentionszeiten werden hervorgerufen durch Ablagerung und Abtrennung
eines Teils des Schlamms aus dem Vorbehandlungsreaktor, entweder
zusammen mit dem behandelten Abwasser oder getrennt davon, und Rückführen eines
Teils des Schlamms zu dem Vorbehandlungsreaktor.
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Vorzugsweise
wird der Vorbehandlungsreaktor diskontinuierlich betrieben und ein
Teil des von dem Vorbehandlungsreaktor abgetrennten Schlamms wird
in die Belebtschlammanlage eingespeist zur Behandlung von organischem
Abfall, enthaltend nicht-spezifischen CSB und geringere Konzentrationen
der spezifischen Komponente(n). Nicht-spezifischer CSB ist so zu
verstehen, daß er
regulären
Abfall umfaßt,
beispielsweise städtischen Abfall,
ausschließlich
oder vorwiegend bestehend aus nichtaromatischem, bioabbaubarem organischem
Material, wie Alkoholen, Fettsäuren,
Fetten, Koh lenhydraten, proteinhaltigem Material und dergleichen.
Die erfindungsgemäße Konfiguration
wird bezeichnet als Bio Augmentation Batch Enhanced Konfiguration
und der Vorbehandlungsreaktor wird als BABE-Reaktor or Bioaugmentationsreaktor
bezeichnet.
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Ein
wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß eine
limitierte Menge an Überschußschlamm
aus dem Haupt(Belebtschlamm)-Verfahren in dem BABE-Reaktor verwendet
wird, wodurch das Wachstum spezifischer Mikroorganismen und deren
Einbringung in den zugesetzten Flocken bildenden Schlamm aus dem Hauptverfahren
ermöglicht
wird. Auf diese Weise wird der Schlamm reaktiviert und zusammen
mit dem Überfluß aus dem
BABE-Reaktor der Belebtschlammanlage rückgeführt. Somit wird die Entfernungskapazität der Belebtschlammanlage
für die
spezifische Komponente(n) erhöht.
Vorzugsweise werden 0,01 bis 0,25 Teile, insbesondere 0,05 bis 0,2
Gewichtsteile pro Teil des Schlamms aus dem Belebtschlammreaktor,
welcher dem Belebtschlammreaktor rückgeführt wird, dem Bioaugmentationsreaktor
zugegeben. Ohne die erfindungsgemäße Schlammregulierung würden die
spezifischen Mikroorganismen nicht in ausreichender Weise den Selektionsdruck
durch die nichtspezifischen Mikroorganismen in dem Hauptverfahren überstehen.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß die
Schlammverweilzeit in dem Vorbehandlungs(Bioaugmentations)-Reaktor unabhängig von
der hydraulischen Verweilzeit reguliert werden kann durch Abtrennen
von Schlamm aus dem Reaktorabfluß in kontinuierlicher oder
vorzugsweise diskontinuierlicher Weise, und Zurückhalten eines Teils des Schlamms
in dem Reaktor. Als ein Ergebnis davon kann die hydraulische Verweilzeit
wesentlich kürzer
sein als die Schlammverweilzeit, und somit können die Reaktorausmaße verringert
und die Produktivität
des Reaktors erhöht
werden.
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Der
Teil des Schlamms, welcher zurückgehalten
wird, beträgt
vorzugsweise zwischen 10 und 90 Gew.-% des gesamten Schlammgehaltes
des Reaktors, insbesondere zwischen 20 und 80 Gew.-%. Die Schlammverweilzeit
in dem Vorbehandlungsreaktor beträgt gewöhnlicherweise zwischen 1 und
5 Tage und die hydraulische Verweilzeit beträgt im allgemeinen weniger als
2 Tage, insbesondere 2 Stunden bis 12 Stunden, in Abhängigkeit
der Art der spezifischen Komponente und des Mikroorganismus, welcher
die spezifische Komponente umwandelt. Die Schlammkornzentration
in dem Vorbehandlungsreaktor beträgt im allgemeinen zwischen
1 und 30 g/l.
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Die
zu behandelnde spezifische Komponente kann irgendeine organische
oder anorganische Komponente sein, welche besondere Organismen erfordert,
um abgebaut zu werden oder welche xenobiotische oder inhibitorische
Chemikalien sind, welche in einer normalen Belebtschlammanlage nicht ausreichend
abgebaut werden. Beispiele sind organische Substanzen, wie phenolische
Verbindungen, organische Stickstoffverbindungen, wie aromatische Amine,
insbesondere Phenylendiamine, Organohalogenverbindungen und anorganische
Substanzen, wie Thiocyanat und insbesondere Ammoniak. Der Abbau
von Thiocyanat kann stattfinden durch Bakterien der Gattung Thiobacillus,
während
Phenol durch Pseudomonas-Bakterien entfernt werden kann. Ammoniak
wird abgebaut durch nitrifizierende Bakterien, einschließlich der
Gattung Nitrosomonas. Die Spaltung von o-Phenylendiamin in einem
herkömmlichen nitrifizierenden
Schlammsystem durch noch nicht identifizierte, jedoch allgemein
erhältliche
Spezies wurde bestätigt.
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Die
Bakterien, welche fähig
sind speziell diese Komponenten umzuwandeln, sind üblicherweise in
normalem Abwasserbehandlungsschlamm vorhanden und wachsen und werden
ausreichend aktiv in dem Vorbehandlungsreaktor als ein Ergebnis
der höheren
relativen Konzentration der spezifischen Komponente. Zu diesem Zweck
ist es wichtig, daß der
Anteil an nicht-spezifischem CSB in dem Vorbehandlungs(Bioaugmentations)-Reaktor
geringer ist als in dem Hauptreaktor, während der Anteil der spezifischen
Komponente(n) höher
ist als in dem Hauptreaktor. Insbesondere ist der Anteil an nicht-spezifischem CSB
in dem Vorbehandlungsreaktor weniger als das 10-fache, vorzugsweise
weniger als das 5-fache (w/w) der Konzentration der spezifischen
Komponente. Alternativ sollte das Verhältnis der spezifischen Komponente
zu nicht-spezifischem CSB in dem Vorbehandlungsreaktor mindestens
5-fach höher
sein als das gleiche Verhältnis
in dem Hauptreaktor. Als ein Ergebnis hiervon ist die Menge an spezifischer
Biomasse erhöht
und eine große
Fraktion der spezifischen Komponente wird entfernt vor der Endbehandlung
in dem herkömmlichen
System. Das erfindungsgemäße Verfahren
wird weiterhin nachstehend mit Bezug auf Ammoniak als die spezifische Komponente
erläutert,
jedoch kann das Verfahren geeigneterweise in ähnlicher Weise mit anderen
spezifischen Komponenten durchgeführt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird Ausschußwasser
(Wasser, das aus der Schlammentwässerung
stammt) oder irgendein anderes Abwasser mit mindestens 150 mg/l, insbesondere
mindestens 200 mg/l Ammoniak und keiner oder einer begrenzten Menge
an CSB, zusammen mit einem limitierten Strom an Rückführschlamm
aus dem Hauptverfahren satzweise in einen diskontinuierlich betriebenen
Vorbehandlungsreaktor eingespeist. Die Schlammverweilzeit der nitrifizierenden
Bakterien beträgt
1–2 Tage.
Nach Einspeisung und Umsetzung (belüftet, anoxisch oder kombiniert
aerob/anoxisch) über
einen gegebenen Zeitraum, läßt man die
Schlammmischung innerhalb des Reaktors absetzen. Nach dem Absetzen
wird ein dem Einspeisevo lumen entsprechendes Volumen abgezogen für die bestehende
biologische Behandlung. Auf diese Weise wird der Überschußschlamm zusammen
mit dem Abflug abgezogen.
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Dieser
Betriebsmodus besitzt die folgenden Vorteile:
- – Durch
Anwendung der Absetzungsphase ist die Schlammverweilzeit nicht mehr
länger
gekoppelt mit der hydraulischen Verweilzeit;
- – die
Verwendung des Rückführschlamms
stellt die Einbringung des nitrifizierenden Schlamms in die Flocken
sicher, wodurch die Nitrifizierungskapazität des Belebtschlammreaktors
verstärkt
und das bevorzugte "Abstreifen" durch höhere Organismen
von Nitrifiziermitteln verhindert wird;
- – eine
Fraktion des zugesetzten Rückführschlamms
wird teilweise digeriert, somit wird eine "kostenfreie" Kohlenstoffquelle für die Denitrifikation angewandt.
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Beim
erfindungsgemßen
Verfahren kann der Vorbehandlungsreaktor nur im belüfteten (Nitrifikation)-Modus
betrieben werden. Vorteilhafterweise wird er jedoch periodisch in
einem anoxischen Modus, durch Unterbrechung der Sauerstoffzufuhr,
betrieben. Als ein Ergebnis hiervon wird Nitrit und/oder Nitrat,
das sich in dem Reaktor angesammelt hat, endogen denitrifiziert,
um molekularen Stickstoff zu erzeugen. Ein Elektronendonor, wie
ein Alkohol oder eine andere organische Substanz, kann während der
anoxischen Phase zugesetzt werden. Es ist ebenso möglich, während der
anoxischen Zeiträume,
die Zugabe von Ammoniak-haltigem Wasser fortzusetzen, wodurch die
Oxidation von Ammoniak unter Verwendung von Nitrit und/oder Nitrat
als Sauerstoffquelle gemäß der Reaktion
resultiert: NH4 + +
NO2 – → N2 + 2H2O. Dieses Verfahren wird ebenso als das "Anammox"-Verfahren bezeichnet
(siehe WO 98/07664).
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Das
Ammoniak-haltige Abwasser, enthaltend wenig oder keinen CSB, kann
von einer autonomen Quelle abstammen, wie industriellen oder landwirtschaftlichen
(beispielsweise Schweinezüchtung) Abfallströmen. Es
kann ebenso Ausschußwasser
einer Schlammentwässerungsanlage
sein, welche stromabwärts
des Belebtschlammreaktors verwendet wird. Das Ausschußwasser
kann als solches oder zusammen mit einem Teil des Schlammes eingeführt werden.
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Die
Temperatur in dem Vorbehandlungsreaktor liegt vorzugsweise im Bereich
von 20–45°C. Weiter
vorzugsweise liegt sie zwischen 30 und 40°C in dem Fall, daß eine optimale
Nitrifizierung das Ziel des Verfahrens ist. Die Reaktortemperatur
kann reguliert werden durch das Verhältnis von Zufluß zu Rückführschlamm,
welcher dem Vorbehandlungsreaktor eingespeist wird. Durch Halten
einer erhöhten Temperatur
in dem Vorbe handlungsreaktor, während die
Temperatur in dem Belebtschlammreaktor auf der üblichen Höhe von 8–20°C liegt, wird ein effektiver Gesamtabbau
des CSB und Entfernung spezifischer Komponente (Ammoniak) erzielt.
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1 zeigt
die typische Konfiguration des Verfahrens. Hierin wird ein Vorbehandlungsreaktor 1 mit
Wasser, enthaltend Ammoniak oder enthaltend eine andere spezifische
Komponente, über
Leitung 2 beschickt und kontinuierlich oder periodisch
durch Luftzufuhr 3 belüftet.
Ein optionaler Puffertank 7 kann verwendet werden, um eine
kontinuierliche Einspeisung von Zufluß, welcher dem Vorbehandlungs(BABE)-Reaktor,
der ansatzweise betrieben wird, zuzuführen ist, zu bewerkstelligen.
Ein optionaler Absetzbehälter 4,
der mit dem Reaktor integriert werden kann oder auch nicht, kann
verwendet werden, um einen Teil des Schlamms dem Vorbehandlungsreaktor rückzuführen. Der
Abflug und ein Teil des Schlamms aus dem Vorbehandlungsreaktor werden über 5 beziehungsweise 6 oder
in einem einzigen Strom (nicht gezeigt) der Belebtschlammanlage 8 zugeführt. Abwasser,
enthaltend CSB, das ebenso die spezifische Komponente enthalten
kann, wird über
Leitung 9 eingespeist. Der Ablauf aus dem Belebtschlammreaktor 8 wird über Leitung 10 abgezogen
und in dem Absetzbehälter 11 geklärt. Behandeltes
Abwasser wird über
Leitung 12 abgeführt,
und der Schlamm wird über 13 zu
der Belebtschlammanlage 8 rückgeführt und, wahlweise, teilweise
zu dem Vorbehandlungsreaktor 1 über 14.
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Bezüglich des
(CSB) Abwasser-Input (Qi) über 9 kann
der Strom des Schlamms, welcher über 13 rückgeführt wird,
zwischen dem 0,2 und 2-fachen des Qi betragen. Der Input an Zufluß, enthaltend
Ammoniak (oder enthaltend eine andere spezifische Komponente) über 2 kann
zwischen dem 0,01- und 0,2-fachen des Qi betragen, während der
Strom des Schlamms, der über 14 dem
Vorbehandlungsreaktor rückgeführt wird,
zwischen dem 0,1- und 2-fachen des Stroms in 2 betragen kann.
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Beispiel
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Es
wurde eine Piloteinheit gemäß 1 verwendet,
bestehend aus einem Chargenreaktor (BABE-Reaktor) 1 mit
einem Volumen von 25 l und einem kontinuierlichen Reaktor 8 (Hauptverfahren)
mit einem Volumen von 250 l. Das Hauptverfahren wurde durchgeführt in einem
Reaktor vom Karussell-Typ mit einem MLSS (mixed liquor suspended
solids)-Anteil von 3 g (Trockensubstanz) pro Liter, zur Behandlung von
städtischen
Abwasser bei einer Strömung
von 2,2 m3/Tag. Die CSB-Zulauikonzentration
betrug im Durchschnitt 500 ml/l, während die Nkj-Konzentration 45
mg/l betrug. Die Tem peratur variierte zwischen 13 und 17°C. Das Schlammalter
wurde bei 2,5 Tagen gehalten. Unter diesen Bedingungen ist die Nitrifizierung
nicht möglich.
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Der
Chargenreaktor wurde zweimal täglich mit
einer Charge von 17 l synthetischem Abwasser, enthaltend 1000 mg
NH4-Stickstoff pro Liter, zusammen mit 1,7
l Rückführschlamm
aus dem Hauptverfahren gespeist. Nach Inokulation mit nitrifizierendem Schlamm
aus einer üblichen
Belebtschlammanlage begann der BABE-Reaktor rasch, das zugesetzte Ammoniak
zu nitrifizieren mit einer Effizienz von ungefähr 90%. Das vorwiegende Nitrifikationsprodukt war
Nitrit. Die reguläre
Zugabe von nitrifizierender Biomasse aus dem BABE-Reaktor zu dem
Hauptverfahren ermöglichte
es dem Hauptverfahren, eine vollständige Nitrtfizierung innerhalb
von 10 Tagen zu erreichen. Die Nitrifikation war komplett zum Nitrat.
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Das
Unterbrechen des Ablaufs des überschüssigen Schlamms
aus dem BABE-Reaktor zu dem Hauptverfahren verringerte rasch die
Nitrifikation in dem Hauptverfahren, während die Nitriffkation in
dem BABE-Reaktor konstant blieb. 2 zeigt
die gemessenen Ammoniakentfernungs-Effizienzen für beide Einheiten mit und ohne
Kopplung.