EP2454204A2 - Vorrichtung und verfahren zur bioelektrochemischen denitrifikation von fluiden - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bioelektrochemischen denitrifikation von fluiden

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EP2454204A2
EP2454204A2 EP10754900A EP10754900A EP2454204A2 EP 2454204 A2 EP2454204 A2 EP 2454204A2 EP 10754900 A EP10754900 A EP 10754900A EP 10754900 A EP10754900 A EP 10754900A EP 2454204 A2 EP2454204 A2 EP 2454204A2
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EP
European Patent Office
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denitrification
takes place
cathode
transport
anode
Prior art date
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Withdrawn
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EP10754900A
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Inventor
Rüdiger HAAS
Florian Pfeiffer
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Original Assignee
Individual
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for purifying fluids using bioelectrochemical methods.
  • the special feature of the device and method is the continuous removal of nitrates
  • the removal of nitrate from sewage and drinking water is playing an increasingly important role.
  • the invention is suitable for the removal of nitrate from all fluids, be it wastewater, drinking water, residual water or organic and inorganic solutions of all kinds.
  • Organisms are strong, on the other hand the taste of the cultured animals
  • the aim of wastewater treatment is the removal of nitrates and
  • Nitrogen compounds with the aid of microbial nitrification Nitrogen compounds with the aid of microbial nitrification and
  • Nitrification is the bacterial oxidation of ammonia (NH 3 ) to nitrate (NO 3 ' ).
  • the nitrification consists of two coupled sub-processes: In the first part, ammonia is oxidized to nitrite, which is oxidized to nitrate in the second sub-process.
  • the nitrifying bacteria cause a chemolithoautotrophic metabolism.
  • Denitrification is understood to mean the conversion of nitrogen bound in nitrate (N (V) to molecular nitrogen (N 2 ) by bacteria called denitrifiers.)
  • the denitrifiers are mostly heterotrophic bacteria and some autotrophic bacteria.
  • activated sludge The process is also referred to as "activated sludge.”
  • the wastewater is brought about by the metabolic activity of optionally anaerobic or carbon-heterotrophic microorganisms, the so-called activated sludge.
  • bioelectrochemical denitrification is suitable primarily for treatment plants in combination with aerobic processes using sessile
  • Sessile biofilms include, but are not limited to: trickling filter, submerged packed bed, suspended or fluidized bed, sand filter, disc immersion body,
  • an artificial carbon source may also assist the present invention.
  • Anode cell by means of a biofilm that forms on the anode.
  • Tension between a nobler and a base leader is used.
  • Carbon conversion takes place on bioelectrochemical route, the oxidation of NHX to NOX takes place in an external aerobic reactor.
  • the purified and nitrate-enriched water is then used in the cathode compartment of the fuel cell as an electron acceptor.
  • RO reverse osmosis
  • IE ion exchanger
  • ED electro-dialysis
  • a disadvantage of existing processes for denitrification in the activated sludge process is the higher energy requirement and the increased accumulation of excess sludge, as well as the additional expense of measurement and control technology.
  • JP2002086189A discloses a method for removing nitrogen from wastewater. There is disclosed a bioelectrochemical pretreatment unit. There are added denitrifying microorganisms controlled and so-called.
  • EP0573226B1 discloses an immobilized biocatalyst electrode and a water treatment method using the electrode. This process involves the electrolysis of water and requires the application of voltage to allow the electrolysis of the water to produce hydrogen. The process is energy-intensive and not suitable for practical use.
  • Hardly degradable carbon compounds can be oxidized
  • the system consists of three parts: anodic half-element, oxidizing reactor (2) and cathodic half-element (3). Anode and cathode are connected via an electrical conductor, a control unit can
  • anodic half element (Anodic HE) (1)
  • dirty water flows.
  • An anode on which a biofilm forms is immersed in the medium.
  • the anode part can be arranged before, in or after the first sedimentation tank (primary clarification).
  • a pre-cleaning of the wastewater or a reduction of the primary sludge takes place. If the anode is arranged in the primary sludge, its operation reduces the primary sludge. If the anode is introduced into the wastewater stream, then it comes to a carbon degradation. Due to the carbon degradation, the subsequent oxic / oxidative / aerobic reactor can be made smaller.
  • oxidizing reactor (2) In the part of the plant called oxidizing reactor (2), the oxidation of the carbon compounds to CO 2 and the oxidation of the nitrogen compounds to nitrate NO 3 take place. Important is the fact that in the aerobic stage (2)
  • Nitrogen compounds are converted to nitrate. In the aerobic stage, therefore, the nitrification takes place. Preferably takes place in the oxidizing reactor
  • FIG. 1 and FIG. 2 depict a disk submersible system.
  • Cathodic HE In the cathodic half-element (Cathodic HE) (3) is a cathode which is covered with a biofilm.
  • the cathode may be placed in front of, in or after the second sedimentation tank "secondary clarification.” Electrons are supplied through a conduit (4) from the anode 1.
  • a biofilm of organisms capable of forming the nitrate forms on the cathode convert into atmospheric nitrogen.
  • an arrangement in the aerobic reactor (2) may also be advantageous.
  • the guide of the conductor (4) can be centered by the axis of a
  • an electrode material are substances that are electrically conductive, biologically neutral (non-toxic) and stable to the conditions in the wastewater such.
  • an electrically conductive plastic can also be used as the electrode material.
  • electrically conductive PP, PE, PA or PVDF comes into question.
  • the contaminated fluid stream preferably consisting of water or wastewater, is then passed through these stages, the fluid stream preferably containing carbon and nitrogen and nitrogen compounds.
  • the fluid stream preferably containing carbon and nitrogen and nitrogen compounds.
  • Particularly preferred is the use of domestic, municipal or industrial wastewater.
  • the invention is to be used in particular under unfavorable nutrient conditions in the fluid, that is to say, for example, for ratios which deviate from the C: N: P ratio of 100: 5: 1.
  • the inventive innovation relates inter alia. to the following features:
  • Wastewater treatment process consisting of:
  • Both half-element are spatially separated from each other and are not connected by a membrane to one, wherein the electron transport takes place via a conductor, the proton transport takes place via the flow of the medium or via an additional salt bridge (5)
  • Various bacteria which can pick up or release electrons directly from an anode or cathode and make them usable for metabolic processes.
  • the nitrate is oxidized directly to atmospheric nitrogen.
  • facultative anaerobic bacteria such as Paracoccus denitrificans, Pseudomonas props, Micrococcus denitrificans, Alealigenus, Pseudomonas, C. aceticum, A.
  • woodii, methanobactrium, Enterobacter cloacal and sulfuric acid reductases woodii, methanobactrium, Enterobacter cloacal and sulfuric acid reductases.
  • the proposed method can be used as a combination of microbial
  • Fuel cell and disc immersion body are formed.
  • the primary treatment corresponds to the anode chamber, here is a reduction of the
  • the transport of the electrons via an electrical conductor (4) is easily controlled by a voltmeter or potentiostat. There is no need to apply voltage from the outside, even a small current can be generated.
  • the control of the device or of the method takes place on the basis of the parameters oxygen content, nitrate, nitrite, ammonium, carbon dioxide and discharged stream.
  • the values are determined by measuring the potential between anode (1) and cathode (3) and a reference electrode. To increase the performance, however, a voltage can also be applied from the outside.
  • Half elements is a reflux of protons excluded. This is shown in FIG. 1.
  • anode (1) on which a biofilm, formed by bacteria which use the electrode as an electron acceptor.
  • the oxidation of carbonaceous compounds produces CO 2 and H + .
  • Salt bridge / electrolyte bridge (3) are arranged, which is arranged between anodic (1) and cathodic half-element (2). This will be necessary especially for sessile biofilms.
  • the ion-conducting compound (5) can be replaced by a gas, solid or a
  • the half-cells may be formed by a U-shaped
  • connection point can also be equipped with glass beads.
  • Figure 1 and Figure 2 uses disc diving body, since it is a proven method.
  • the method can be retrofitted into existing systems of different types and is intended on the one hand for retrofitting on the other hand for new construction. This can be done especially when retrofitting the system with disc bodies
  • bioelectrochemical denitrification according to the invention results in multiple
  • Aerobic reactor consisting of a disc dipping unit (2) with three chambers, wherein the first two chambers nitrify the aerobic and the third chamber whose wall is coated with electrically conductive plastic serves as a cathodic half-element (3) of the denitrification

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Abstract

Ein bisher in der Abwassertechnik nicht zufriedenstellend gelöstes Problem ist die Denitrifikation für Verfahren mit sessilen Biofilmen. Als Elektronendonor für die Oxidation des Nitrats wird Abwasser rezirkuliert oder künstlicher Kohlestoff zugesetzt; beides ist aufwändig und teuer. Das hier vorgeschlagenen Verfahren umgeht diese Nachteile und arbeitet mit Organismen die der Lage sind Elektronen direkt von einer Kathode aufzunehmen. Das Verfahren schont die Umwelt in mehrfacher Hinsicht: Es wird deutlich weniger Strom verbraucht, der Schlammanfall wird vermindert und der Prozess ist gut steuerbar. Wichtiger Vorteil für die Umwelt ist, das energiesparende Systeme mit sessilen Biofilmen einfach und kostengünstig nachgerüstet werden können.

Description

Beschreibung Vorrichtung und Verfahren zur bioelektrochemischen Denitrifikation von Fluiden
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von Fluiden unter dem Einsatz bioelektrochemischer Methoden. Die besondere Leistung von Vorrichtung und Verfahren ist die kontinuierliche Entfernung von Nitraten aus
Fluiden.
Die Entfernung von Nitrat aus Abwasser und Trinkwasser spielt eine zunehmend wichtige Rolle. Die Erfindung eignet sich zur Entfernung von Nitrat aus allen Fluiden, sei es Abwasser, Trinkwasser, Restwasser oder organische und anorganische Lösungen aller Art.
Die Reinigung und Entfernung von Nitraten spielt eine bedeutende Rolle bei
Abwässern, aber auch bei Trinkwasser. Nitrate in Wasser und Abwasser stellen für Mensch und Tier eine große Gesundheitsgefahr dar. Durch den rücksichtslosen Eintrag von Düngern steigt die Belastung mit Nitraten weltweit an. Die Einleitung von behandelten und unbehandelten Abwässern in Gewässer ist eine weitere große Quelle von Nitraten. Auch in Aquakulturen stellt Ammoniak (NH3 oder NH4 +) ein großes Problem dar, da es zum einen schädlich für kultivierten Tiere und
Organismen ist, zum anderen der Geschmack der kultivierten Tiere stark
beeinträchtigt wird.
Ziel der Abwasserreinigung ist die Entfernung von Nitraten und
Stickstoffverbindungen unter Zuhilfenahme der mikrobiellen Nitrifikation und
Denitrifikation gelöst.
Als Nitrifikation bezeichnet man die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH3) zu Nitrat (NO3 '). Die Nitrifikation besteht aus zwei gekoppelten Teilprozessen: Im ersten Teil wird Ammoniak zu Nitrit oxidiert, das im zweiten Teilprozess zu Nitrat oxidiert wird. Die nitrifizierenden Bakterien (Nitrifikanten) führen einen chemolithoautotrophen Stoffwechsel. Unter Denitrifikation versteht man die Umwandlung des im Nitrat (N(V) gebundenen Stickstoffs zu molekularen Stickstoff (N2) durch Bakterien, die als Denitrifizierer bezeichnet werden. Bei den Denitrifizierern handelt es sich meist um heterotrophe Bakterien und einige autotrophe Bakterien.
Der Abbau des Stickstoffs erfolgt also in der Regel in zwei Schritten: 1. aerobe Nitrifikation ( NH4 => NO3) und 2. anaerobe Denitrifikation (NO3 zu N2).
Technisch gelöst ist Entfernung von Nitrat für Anlagen mit Belebtschlamm. Das Verfahren wird auch als„activated Sludge" bezeichnet. Hier wird das Abwasser durch die Stoffwechselaktivität von fakultativ anaeroben oder kohlenstoff hetereotrophe Mikroorganismen, dem sog. Belebtschlamm, bewerkstelligt.
Nachteile für Belebungsanlagen die mit Nitrifikation/Denitrifikation arbeiten sind: Ein hoher Stromverbrauch für die Gebläse und die nötige Rezirkulation, mehr
Überschussschlamm sowie längere hydraulische Aufenthaltszeit. Die letztere führt meist zu höheren Baukosten. Oft ist eine nachgeschaltete Denitrifikation nicht möglich, denn es fehlt im nachgeschalteten Becken an organischen Stoffen, die bereits in den vorhergehenden Becken veratmet wurden. Gerade bei mehrstufigen Anlagen fehlt in der dritten Stufe die Elektronenquelle zur Denitrifikation. Dies wird im Stand der Technik durch Teilstromlösungen und Rückläufe aus der ersten in die zweite Stufe gelöst.
Für Verfahren mit sessilen Biofilmen wie Tropfkörper oder Rotationstauchkörper ist die Nitrifikation technisch zufriedenstellend gelöst. Für den zweiten Schritt, die Denitrifikation, wurde aber noch kein Verfahren gefunden, das sich im großen
Maßstab durchsetzen konnte. Dies ist bedauerlich, da gerade diese Verfahren sehr günstig im Energieverbrauch sind und sich durch einen geringen Anfall an
Überschussschlamm auszeichnen, zwei Aspekte die in den letzten Jahren immer wichtiger geworden sind. Darüber hinaus zeichnen sich beide Verfahren durch eine ausgesprochen einfache und robuste Steuerung aus, ein Vorteil der gerade für dezentrale Anlagen, und auch in der Industrie, sehr wichtig ist. Wobei heute sowohl im Bereich des häuslichen und des industriellen Abwassers zentrale Anlagen als auch dezentrale Anlagen Verwendung finden.
Es stellt sich also die Aufgabe eine Vorrichtung oder ein Verfahren zu finden, dass bei allen Verfahren, insbesondere bei allen Verfahren mit sessilen Biofilmen seinen Einsatz finden kann und zu einer effektiven und kostengünstigen Denitrifikation führt. Es bietet sich der Einsatz bioelektrochemischer Verfahren an.
Das Verfahren der bioelektrochemischen Denitrifikation eignet sich in erster Linie für Behandlungsanlagen in Kombination mit aeroben Verfahren, die mit sessilen
Biofilmen arbeiten. Ein Einsatz im Belebtschlammverfahren ist aber ebenso denkbar. Verfahren mit sessilen Biofilmen umfassen unter anderem: Tropfkörper, getauchtes Festbett, Schwebe- oder Wirbelbett, Sandfilter, Scheibentauchkörper,
Rotationstauchkörper, Pflanzenkläranlagen, Bodenkörperfilter, Filterschachtsysteme, Filterschachtsystem nach Lauterbach/Kiesling und Biosandfilter.
Bestehende Verfahren zur Denitrifikation von Anlagen mit aufgewachsenem Biofilm benötigen Hilfsstoffe wie Acetat als künstliche Kohlenstoffquelle oder arbeiten ähnlich wie bei Belebungsanlagen mit Rezirkulation; allerdings sind diese Verfahren energieaufwändig und haben nicht den erwünschten Wirkungsgrad. Die erreichte Prozessstabilität ist bei weitem nicht so gut wie beim Belebtschlammverfahren.
Der Einsatz einer künstlichen Kohlenstoffquelle kann auch die vorgestellte Erfindung unterstützen. Im Stand der Technik bekannt ist auch die Anaerobe Ammoniak -Oxidation
(Anammox). In diesem Fall wird das Ammoniak direkt zu Stickstoff durch die
Bakterien Brocadia anammoxidans und Kuenenia stuttgartiensis umgewandelt.
Anlagen mit diesem Verfahren werden erst allmählich umgesetzt. Diese Verfahren stehen vor allem vor mikrobiologischen und baulichen Hürden.
Bekannt ist auch noch das SDN®-Verfahren der Firma Südchemie, bei dem es sich im wesentlichen auch um ein Verfahren zur Rückführung von Schlamm und nitratbelasteten Abwasser handelt.
Folgende Verfahren zur Abwasserreinigung auf bioelektrochemischen Weg sind bekannt:
- mikrobielle Brennstoffzellen bei denen der Kohlenstoffabbau in der
Anodenzelle mittels eines Biofilms geschieht, der sich auf der Anode bildet.
- Bekannt sind Verfahren zur Nitratentfernung mit Kathoden bei denen entweder eine Stromzufuhr von außen benötigt wird oder die elektrochemische
Spannung zwischen einem Edleren und einem unedlen Leiter genutzt wird.
- Bekannt ist weiterhin ein Verfahren, dass eine Kombination aus den oben
beschriebenen Verfahren darstellt. In der Anodenkammer findet die
Kohlenstoffumsetzung auf bioelektrochemischen Weg statt, die Oxidation des NHX zu NOX erfolgt in einem externen aeroben Reaktor. Das gereinigte und mit Nitrat angereicherte Wasser wird dann in der Kathodenkammer der Brennstoffzelle als Elektronenakzeptor genutzt.
- Bekannt sind auch einige sog. abiotische Methoden zur Entfernung von Stickstoff. Grundsätzlich sind konventionelle Abwasserbehandlungsanlagen nicht in der Lage Nitrationen aus Abwasser und Wasser zu entfernen, das gilt insbesondere für Koagulation, Filtration und Desinfektion. Weitere
konventionelle Methoden können das Nitrat aus dem Abwasser nicht eliminieren, sondern lediglich abtrennen. Hierzu die Umkehrosmose (RO), lonentauscher (IE) und die Elektro-Dialyse (ED) oder die
Kohlenstoffadsorption mit pH-Wertanpassung.
Die Nachteil des Standes der Technik bei den bekannten Verfahren sind vielfältig:
Der Kohlenstoffabbau in mikrobiellen Brennstoffzellen ist temperaturabhängig, die Reinigungsleistung ist für schwer abbaubare Stoffe nicht zufriedenstellend, die bisher verwendeten Membranen sind teuer und haben eine geringe Lebensdauer.
Nachteilig an bestehenden Verfahren zur Denitrifikation im Belebtschlammverfahren ist der höhere Energiebedarf und der erhöhte Anfall an Überschussschlamm sowie der ein Mehraufwand an Mess- und Regeltechnik .
Nachteilig an bestehenden Verfahren mit sessilen Biofilmen ist der unzureichende Wirkungsgrad, erhöhte Energiebedarf für die Rezirkulation und die unbefriedigende Betriebsstabilität. Diese Nachteile versucht man durch Zugabe einer externen Kohlenstoffquelle auszugleichen, was allerdings mit weiteren Kosten verbunden ist. Bisher konnte sich noch kein Verfahren in der Praxis durchsetzten.
In JP2002086189A ist ein Verfahren zur Beseitigung von Stickstoffen aus Abwässern offenbart. Dort ist eine bioelektrochemische Vorbehandlungseinheit offenbart. Es werden denitrifizierende Mikroorganismen gesteuert zugegeben und sog.
Meditatoren, die die Elektronenfreisetzung an die denitrifizierenden Mikroorganismen steuern. Dieses Verfahren ist nicht praxistauglich, denn zum einen entstehen zusätzlich Kosten durch die Zugabe der Mediatoren, zum anderen ist die sog.
„Shuttle-Theorie" beim Elektronentransport nicht ausreichend belegt. Zur Anwendung in einem aeroben Reaktor ist das Verfahren ungeeignet und dies ist auch nicht offenbart. In EP0573226B1 wird eine Elektrode mit immobilisierten Biokatalysatoren und ein Verfahren zur Wasserbehandlung unter Verwendung der Elektrode offenbart. Dieses Verfahrens setzt die Elektrolyse von Wasser und setzt das Anlegen einer Spannung voraus, um die Elektrolyse des Wassers um die Erzeugung von Wasserstoffes zu ermöglichen. Das Verfahren ist energieintensiv und nicht für den Praxiseinsatz geeignet.
Die Erfindung vereint die Betriebsstabilität von Verfahren mit sessilen Biofilmen mit den Vorteilen bioelektrochemischer Systeme:
- Hauptvorteil des Verfahrens ist, dass es erweiterte Einsatzmöglichkeiten für energieeffiziente Verfahren wie Scheibentauchkörper oder Tropfkörper schafft
- bei der Denitrifikation wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt
- auch schwer abbaubare Kohlestoffverbindungen können oxidiert werden
- keine oder nur geringe Zufuhr von Energie nötig
- es werden keine Hilfsstoffe als Kohlenstoffquelle benötigt
- es werden keine Membranen für mikrobielle Brennstoffzellen benötigt.
- das Verfahren kann für neue Anlagen verwendet werden kann eignet sich aber auch gut zur Nachrüstung bestehender Anlagen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und Verfahren werden beschrieben wie folgt:
Das System besteht aus drei Anlagenteilen: Anodisches Halbelement, oxidierender Reaktor (2) und kathodisches Halbelement (3). Anode und Kathode sind über einen elektrischen Leiter verbunden, ein Steuer- oder Regeleinheit kann
zwischengeschaltet sein. Auf Figur 1 wird verwiesen. In den als anodisches Halbelement (Anodisches HE) (1) bezeichneten Teil der Anlage strömt verschmutztes Wasser zu. Eine Anode, auf der sich ein Biofilm bildet, ist in das Medium eingetaucht. Der Anodenteil kann vor, im oder nach dem ersten Sedimentationsbecken (Vorklärung) angeordnet sein. Durch mikrobielle Prozesse im Biofilm findet, je nach Anordnung der Elektrode, eine Vorreinigung des Abwassers oder eine Minderung des Primärschlammes statt. Ist die Anode im Primärschlamm angeordnet, so wird durch ihren Betrieb der Primärschlamm reduziert. Wird die Anode in den Abwasserstrom eingebracht, so kommt es zu einem Kohlenstoffabbau. Aufgrund des Kohlenstoffabbaus kann der nachfolgende oxische/oxidative/aerobe Reaktor kleiner dimensioniert werden.
In dem als oxidierenden Reaktor (2) bezeichneten Teil der Anlage findet die Oxidation der Kohlestoffverbindungen zu CO2 und die Oxidation der Stickstoffverbindungen zu Nitrat NO3 statt. Wichtig ist die Tatsache, dass in der aeroben Stufe (2)
Stickstoffverbindungen zu Nitrat umgewandelt werden. In der aeroben Stufe findet also die Nitrifikation statt. Vorzugsweise findet im oxidierenden Reaktor ein
Verfahren mit sessilen Biofilmen Anwendung, diese umfassen unter anderem:
Tropfkörper, getauchtes Festbett, Schwebe- oder Wirbelbett, Sandfilter,
Scheibentauchörper, Rotationstauchkörper, Pflanzenkläranlagen, Bodenkörperfilter, Filterschachtsysteme, Filterschachtsystem nach Lauterbach/Kiesling und
Biosandfilter. In Figur 1 und Figur 2 ist ein Scheibentauchkörpersystem abgebildet.
Im kathodischen Halbelement (Kathodisches HE) (3) befindet sich eine Kathode die mit einem Biofilm bewachsen ist. Die Kathode kann vor, im oder nach dem zweiten Sedimentationsbecken„ Nachklärung" angeordnet werden. Elektronen werden durch eine Leitung (4) aus der Anode (1) zugeführt. Auf der Kathode bildet sich ein Biofilm von Organismen, die in der Lage sind das Nitrat in Luftstickstoff umzuwandeln. In manchen Fällen kann zudem eine Anordnung im aeroben Reaktor (2) von Vorteil sein.
Die Führung des Leiters (4) kann zentriert durch die Achse eines
Scheibentauchköpersystems erfolgen.
Als Elektrodenmaterial eignen sich Stoffe die elektrisch leitend sind, biologisch neutral (nicht toxisch) und stabil gegenüber den Bedingungen im Abwasser wie z. B. Graphit oder Edelstahl. Erfindungsgemäß kann jedoch auch ein elektrisch leitfähiger Kunststoff als Elektrodenmaterial Anwendung finden. Hier kommt insbesondere elektrisch leitfähiges PP, PE, PA oder PVDF in Frage.
Über diese Stufen wird dann der verunreinigte Fluidstrom, vorzugsweise bestehend aus Wasser oder Abwasser geleitet, wobei der Fluidstrom vorzugsweise Kohlenstoff und Stickstoff und Stickstoffverbindungen enthält. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von häuslichen, kommunalen oder industriellen Abwässern.
Die Erfindung ist insbesondere bei ungünstigen Nährstoffverhältnissen im Fluid einzusetzen, also beispielsweise von Verhältnissen die vom C:N:P - Verhältnis von 100:5:1 abweichen.
Die erfinderische Neuerung bezieht sich u.a. auf folgende Merkmale:
- die Kombination aus einem bioelektrochemischen System mit bekannten
Verfahren zur Abwassereinigung, bestehend aus:
- einem Halbelement mit Anode (1) zur bioelektrochemischen Umwandlung von Kohlenstoffverbindungen
- einem oxidativen Reaktor (2) zur weitergehenden Oxidation von Kohlenstoff Stickstoffverbindungen, vorzugsweise mit einem aufgewachsenen Biofilm, das Verfahren ist aber auch möglich für andere Systeme
- und einem weiteren Halbelement mit Kathode zur bioelektrochemischen
Denitrifikation (3), wobei
- beide Halbelement räumlich voneinander getrennt sind und nicht durch eine Membran mit einer verbunden sind, wobei der Elektronentransport über einen Leiter erfolgt, der Protonentransport erfolgt über den Fluss des Mediums oder über eine zusätzliche Salzbrücke (5)
- Systeme zur Steuerung des Verfahrens die auf Messung folgender Parameter beruhen: Sauerstoffgehalt, Nitrat, Nitrit, Ammonium oder CO2 in einem der drei Reaktortele. Es kann vorteilhaft solche Systeme zu nützen. In der
Zeichnung Figur 1 sind mögliche Messstellen (6) dafür angegeben.
Es sind verschiedene Bakterien bekannt die Elektronen direkt von einer Anode oder Kathode aufnehmen können oder abgeben und für Stoffwechselprozesse nutzbar machen. Von besonderem Interesse für ist die Abwassereinigung ist, das Nitrat direkt zu Luftstickstoff oxidiert wird. Es handelt sich dabei weder um die„Nitratatmung" fakultativ anaerober Bakterien wie z.B. Paracoccus denitrificans, Pseudomonas stützen, Micrococcus denitrificans, Alealigenus, Pseudomonas, C. aceticum, A.
woodii, Methanobactrium, Enterobacter cloacal und Schwefelsäurereduktasen.
Eine Untersuchung mit künstlichem Abwasser zur simultanen C und N Entfernung sowie Stromerzeugung mit einer Mikrowellen Brennstoffzelle wurde von Virdis et al. (2007) durchgeführt. Acetat wurde fast vollständig abgebaut, Nitrat zu 80-90 %.
Logan 2008 Beschreibt ähnliche Verfahren zur Abwasserbehandlung, die Entfernungsraten sind jedoch geringer, und nur zufriedenstellend für leicht abbaubare Stoffe.
Weitere Verfahren zur bioelektrochemischen Denitrifikation finden sich bei Ghafari et al. 2007. Gegenstand dieser Arbeiten ist ausschließlich die Denitrifikation, Aussagen zur Kohlenstoffentfernung werden hier nicht gemacht, für alle Arbeiten wurde künstliches (Ab)Wasser verwendet. Bei diese Verfahren muss eine Spannung angelegt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren kann als eine Kombination aus mikrobieller
Brennstoffzelle und Scheibentauchkörper ausgebildet werden. Die Vorklärung entspricht der Anodenkammer, hier findet eine Verringerung des
Primärschlammvolumens statt. Im Scheibentauchkörper findet die aerobe
Kohlenstoffentfernung und Nitrifikation statt. Die Nachklärung entspricht der
Kathodenzelle, hier findet die Denitrifikation statt.
Der Transport der Elektronen erfolgt über einen elektrischen Leiter (4). Der Prozess lässt sich einfach über einen Spannungsmesser oder Potentiostat steuern. Es muss keine Spannung von außen angelegt werden, es kann dabei sogar ein geringer Strom erzeugt werden.
Die Steuerung der Vorrichtung bzw. des Verfahrens erfolgt aufgrund der Parameter Sauerstoffgehalt, Nitrat, Nitrit, Ammonium, Kohlendioxid und abgefassten Strom. Die Werte werden durch die Messung des Potential zwischen Anode (1) und Kathode (3) und einer Referenzelektrode ermittelt. Zur Leistungssteigerung kann aber auch eine Spannung von außen angelegt werden.
Der Transport der Protonen erfolgt über den Fluss des Wassers, es ist keine empfindliche oder teure Membran nötig. Durch die räumliche Trennung der
Halbelemente ist ein Rückfluss von Protonen ausgeschlossen. Gezeigt wird dies in Figur 1.
- In der Vorklärung befindet sich eine Anode (1) auf der sich ein Biofilm, gebildet von Bakterien welche die Elektrode als Elektronenakzeptor benützen. Durch die Oxidation kohlenstoffhaltiger Verbindungen entsteht CO2 und H+.
- Im Rotationstauchkörper im oder ein einem beliebigen aeroben Reaktor (2) findet die weitere Oxidation der Kohlenstoffverbindungen statt sowie die Oxidation von NHx zu NOχ .
- Die Denitrifikation findet im Nachklärbecken an der Kathode (3) statt. Die
Umsetzung findet auch hier in einem Bioflim statt der sich auf der Kathode bildet. Aus NOx wird N2.
Bei diskontinuierlichem Betrieb stellt sich die zusätzlich Aufgabe, dass durch das Fluid kein Protonenfluss erfolgen kann, da der Konzentrationsgradient der Protonen unterbrochen ist. Hier muss der Protonen/Ionenfluss durch eine zusätzliche
Salzbrücke/Elektrolytbrücke (3) vermittelt werden, die zwischen anodischen (1) und kathodischen Halbelement (2) angeordnet wird. Dies wird vor allem bei Verfahren mit sessilen Biofilmen notwendig werden. Die ionenleitende Verbindung (5) kann durch ein Gas, Festkörper oder eine
Flüssigkeit erfolgen. Beispielsweise können die Halbzellen durch eine u-förmige
Leitung verbunden werden und an der Verbindungsstelle wird ein Sandfang
angeordnet werden, der einen Rückfluss bzw. ein hydraulischer Kurzschluss
verhindert. Die Verbindungsstelle kann auch mit Glasperlen bestückt werden.
Das Ausführungsbeispiel Figur 1 und Figur 2 nutzt Scheibentauchkörper, da es sich um ein bewährtes Verfahren handelt. Das Verfahren lässt sich aber nachträglich in bestehende Anlagen unterschiedlichen Typs einbauen und ist gedacht einerseits zur Nachrüstung anderseits zum Neubau. Dies kann insbesondere bei Nachrüstung beim System mit Scheibentaukörpern erfolgen
Die erfindungsgemäße bioelektrochemische Denitrifikation führt in mehrfacher
Hinsicht zu einer deutlichen Entlastung der Umwelt. In der Tabelle unten sind
verschiedene Verfahren miteinander verglichen.
Scheibentauchkörper Nitrifikation/ Scheibentauchkörpe mit bio-elektrolytische Denitrifikation mit mit Rezirkulation
Denitrifikation Belebtschlamm
Reinigungsleitung 0
Energiekosten + +
Überschussschlamm + +
Baukosten/ + +
Raumbedarf
Regelbar + +
Prozessstabilität + +
Nachträglicher Einbau + 0
Wichtigster Faktoren für die Entlastung der Umwelt ist der deutlich geringere Energiebedarf und die geringere Produktion an Überschussschlamm.
- Werden aktuell energiesparende Tropfkörper oder Scheibentauchkörper mit einer Denitrifikation nachgerüstet ist es meist erforderlich ein zweite Stufe im energieaufwändigen Belebtschlammverfahren zu bauen.
- Für kleinere Anlagen kommt neben der Energieersparnis noch ein weitere Faktor hinzu: Es wird eine hohe Prozessstabilität erwartet bei einfacher Regelbarkeit. Dies lässt auch den wirtschaftlichen Ausbau von kleinere Anlagen mit Denitrifikation zu und führt somit zu einer Verminderung des Nitrateintrages ins Grund- und Oberflächenwasser.
Beispiel 1
Vorrichtung mit folgender Anordnung:
- kathodisches Halbelement zum Kohlenstoffabbau als Vorklärbecken mit Kathodenelektrode (1)
- Aerober Reaktor zur Nitrifiktion bestehend aus seiner Tauchkörperanlage (2)
- Nachklärstufe bestehend aus einem Lamellenseparator der mit elektrisch leitfähigem Kunststoff beschichtet ist und das kathodische Halbelement bilde (3)
- Potentiostat zur Steuerung von Anode, Kathode und einer Referenzelektrode (7)
- Salzbrücke zwischen den Halbelementen (5) Beispiel 2
Vorrichtung mit folgender Anordnung:
kathodisches Halbelement zum Kohlenstoffabbau als Vorklärbecken mit Kathodenelektrode (1 )
Aerober Reaktor bestehend aus einer Scheibentauchkörperanlage (2) mit drei Kammern, wobei die ersten zwei Kammern der aerob nitrifizieren und die dritte Kammer, deren Wandung mit elektrisch leitfähigem Kunststoff beschichtet ist als kathodisches Halbelement (3) der Denitrifikation dient
Nachklärstufe
Salzbrücke zwischen den Halbelementen (5)

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Denitrifikation von Fluiden bzw. bioelektrochemisches System mit folgender Anordnung:
- einem Halbelement mit einer Anode zur bioelektrochemischen Umwandlung (1 ) von Kohlenstoffverbindungen
- aerober Reaktor zur Nitrifikation (2)
- einem weiteren Halbelement mit Kathode zur bioelektrochemischen Denitrifikation (3)
2. Der aerobe Reaktor (2) nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass dort ein Verfahren zur Fluidreinigung mit sessilen Biofilmen zur Anwendung findet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass beide Halbelemente räumlich voneinander getrennt sind und nicht durch eine Membran miteinander verbunden sind und kontinuierlich oder im Batch- Verfahren mit einem Fluid durchströmt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass der Elektronentransport über einen Leiter (4) erfolgt und der Protonentransport über den Fluss des Mediums.
5. Vorrichtung nach 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Protonentransport oder lonentransport über eine separate Salzbrücke (5) zwischen den Halbelementen erfolgt.
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 - 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerung der Vorrichtung auf der Messung mittels Anode (1 ), Kathode (2) und Referenzelektrode eines oder mehrerer der folgenden Parameter beruht: Sauerstoffgehalt, Nitrat, Nitrit, Ammonium oder Kohlendioxid.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Messung an den in Figur 1 mit 6 gekennzeichneten Messpunkten erfolgt.
8. Verfahren zur bioelektrochemischen Denitrifikation eines Fluids mit folgenden Schritten: a) die Vorklärung findet in der Anodenzelle (Halbelement) (1 ) statt, b) im aeroben Reaktor (2) findet eine aerobe Kohlenstoffentfernung und die Nitrifikation statt, c) die Denitrifikation und/oder Nachklärung findet in der Kathodenzelle (Halbelement) (3) statt
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Denitrifikation und/oder Nachklärung in der Kathodenzelle (3) durch eine herkömmliche Denitrifikation mittels Rezirkulation unterstützt wird.
10.Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Kathodenzelle (3) im oder in einem Teil des aeroben Reaktors (2) angeordnet ist
1 1.Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Elektrode der Kathodenzelle (3) in oder an der Wandung des aeroben Reaktors (2) angebracht ist.
12. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Kathodenzelle (3) vor, in oder nach der Nachklärstufe angeordnet ist.
13. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Kathodenzelle (3) vor, in oder nach einem Lamellenseparator angeordnet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass der aerobe Reaktor (2) oder die Nachklärstufe (3) ganz oder teilweise aus elektrisch leitfähigem Material besteht.
15. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass der aerobe Reaktor (2) oder die Nachklärstufe (3) ganz oder teilweise aus elektrisch leitfähigem Kunststoff besteht.
16. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass der Transport der Elektronen über einen elektrischen Leiter (4) stattfindet und der Transport der Protonen ohne Membran durch ein Fluid, wobei die Halbelemente (1 und 3) so angeordnet sind, dass eine Rückfluss von Protonen ausgeschlossen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass der Transport der Elektronen über einen elektrischen Leiter (4) stattfindet und der Transport der Protonen über eine weitere Salzbrücke (5) von einem Halbelement zu anderen Halbelement erfolgt.
18. Ein Verfahren oder eine Vorrichtung nach den vorgenannten Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass zusätzlich oder alternativ eine Belebtschlammbecken zu Einsatz kommt.
19. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Elektrode der Anodenzelle in oder an der Wandung eines anaeroben Reaktors angebracht ist.
20. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Anodenzelle vor, in oder nach der Nachklärstufe angeordnet ist.
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