WO2018206092A1 - Verfahren zur phosphorrückgewinnung aus phosphorhaltigen abwässern und dazugehöriger kläranlage - Google Patents

Verfahren zur phosphorrückgewinnung aus phosphorhaltigen abwässern und dazugehöriger kläranlage Download PDF

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microorganisms
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Susanne Günther
Susann MÜLLER
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Helmholtz-Zentrum Für Umweltforschung Gmbh - Ufz
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Definitions

  • the invention relates to a process for the chemical-free recovery of phosphorus (phosphates) from phosphorus-containing wastewaters, sludges and sewage treatment plants for carrying out the process.
  • a leaching with lowering of the pH to less than 4 is used for both sludges and ashes.
  • the complex compounds of phosphorus are dissolved with metals and the phosphorus is available for recovery.
  • chemicals are needed (phosphoric acid, acetic acid, sulfuric acid or hydrochloric acid) or the pH reduction is biologically initiated with the addition of elemental sulfur (sulfuric acid: P-Bac).
  • sulfuric acid P-Bac
  • the pH of the solution is raised (over 8). This can be done either by adding chemicals (caustic soda) or by degassing C0 2 . Precipitation uses Ca compounds, Al compounds and Mg compounds. In the P-Bac method, an undefined bacterial mixed culture is used to accumulate the dissolved phosphorus. Most of the processes mentioned generate residues contaminated with heavy metals (eg acidic or alkaline solutions), which can only be recycled to a limited extent. In anaerobic redissolution-based processes, the heavy metals remain bound in the mud.
  • heavy metals eg acidic or alkaline solutions
  • MAP Contains 13-27% mainly citric acid-soluble P 2 0 5 and always falls below the DMÜV limits. Fertilization with MAP recyclates, which correspond in their plant availability to mineral fertilizer, would lead to a depletion of heavy metals in the soil with the harvest.
  • Biologically treated ashes (eg P-Bac): contain 21-37% P 2 0 5 , which are mostly poorly water-soluble. With the harvest it comes with regular fertilization to a depletion on heavy metals. In the plant trial, the fertilising effect was also strongly dependent on the pH of the soil and insufficient on alkaline soil.
  • An environment-friendly and resource-saving recovery process should keep it in the neutral range in contrast to established methods, in particular enabling pH throughout the process (redissolution and accumulation of phosphorus) (6.5-7.5). If possible, the product should be technically easy to separate from the starting materials to minimize heavy metal and pathogen contamination. It should also create the possibility to use an ecologically harmless pure culture or a defined mixed culture.
  • the method comprises the method steps for this purpose:
  • phosphate per day In a sewage treatment plant, about 2 g of phosphate per day are received per associated population equivalent.
  • This phosphor is biologically stored in the microorganisms according to the present method (step a)) and removed with the sludge (step b)).
  • the phosphorus is released from the microorganisms and is then available for recovery (step c)).
  • the microorganisms absorb the phosphorus under air supply, without air supply, it is released again.
  • P-rich sludge which is no longer needed in the activation stage (excess sludge)
  • a separate tank return tank
  • This process step is usually completed after a maximum of 48 hours, with a separation of solid and liquid phase occurs after about 30 min.
  • step c) be performed over a period of time in the range of 30 minutes to 48 hours.
  • the stored phosphorus is excreted again by the microorganisms and accumulates in the aqueous phase.
  • An increase in the redissolution can be achieved, for example, by mixing the tank briefly twice (usually ⁇ 4 min).
  • the liquid is then transferred to another tank (refixing tank) (step d)).
  • microorganisms are added, especially as pure culture, for Example residual yeast from the brewing process, which store the phosphorus with air supply within a short time (about 2 hours). These yeasts are harvested at the end of the process and can be used as fertilizer.
  • sludge which has been obtained by aerobic biological phosphorus elimination reacts with phosphorus.
  • the solution obtained after separation of solids is then added a polyphosphate-storing pure culture.
  • An uptake of the phosphorus into the microbial pure culture now takes place again under aerobic conditions.
  • the harvest of the pure culture occurs when a maximum of intracellular phosphate storage is reached.
  • the process can be used wherever it is necessary to reduce phosphorus levels directly in a solution. This applies firstly to municipal sewage treatment plants (for example, in primary sedimentation, turbid water), but also to industrial wastewater (for example from potato processing, the dairy industry and breweries).
  • the process can also be used for reducing the phosphorus content in sludges (for example, return sludge or excess sludge on sewage treatment plants) or else the product of the P-bac process.
  • sludges for example, return sludge or excess sludge on sewage treatment plants
  • product of the P-bac process The prerequisite for the successful treatment of the sludge is that phosphorus was first determined by biological phosphorus elimination. From this sludge, the phosphorus can be transferred under anaerobic conditions in the liquid phase and stored in a pure culture or a mixture of pure cultures.
  • sewage sludge is understood as meaning all sludges produced on a sewage treatment plant, that is, for example, also primary sludge and excess sludge.
  • step e) are therefore preferably used as microorganisms pure cultures or mixtures of pure cultures that are not phytopathogenic and able to bind phosphates for storage intracellularly as polyphosphate.
  • the process comprises the additional process step following step e):
  • the anaerobic reaction is carried out at pH values of 6.5-7.5. These conditions have proven to be optimal especially for the cultivation of microorganisms.
  • the pH value can be adjusted, for example, by adding C0 2 .
  • Another aspect of the invention is to provide a sewage treatment plant which is suitable for carrying out the above-described method for the chemical-free recovery of phosphorus from phosphorus-containing wastewaters.
  • the treatment plant contains the following components:
  • (Ii) means for separating a sewage sludge containing the microorganisms and transferring it into a recycling tank of the sewage treatment plant;
  • the treatment plant according to the invention therefore already differs in that a return tank and a Refix iststank are present, which can be operated under the specified conditions with sewage sludge or liquid phase.
  • the necessary means of separation include, for example, filters and sieves, as they are already conventionally used in sewage treatment plants.
  • the transfer of liquid phases can take place with the help of suitable pumps and piping systems. Solid phases can be moved, for example, by conveyor belts. The concrete interpretation of this means is of course to adapt to the particular application.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the recovery of phosphorus in one embodiment
  • Fig. 3 shows the time course of the refixation of the phosphorus present in the solution by yeasts in one embodiment
  • Fig. 4 pollutant and pathogen concentrations in 3 samples consisting of P-enriched yeasts.
  • Fig. 5 Growth and ingredients for maize fertilized with yeast fertilizer and mineral fertilizer in 3 different concentration levels.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of the recovery of phosphorus in one embodiment.
  • Phosphorus (P) is without air supply (air) in the aqueous phase and only with air supply (air +) in the microorganisms or yeasts.
  • air air supply
  • the phosphor is stored in the form of polyphosphate granules (bright spots).
  • the treatment plant shown in the embodiment therefore comprises an activation tank, in which, for example, the wastewater to be processed a brewery to be initiated. A phosphorus-enriched excess sludge is separated and transferred to a so-called return tank.
  • the ecological safety of the fertilizer obtained in this way is shown in the table of FIG. 4.
  • the table summarizes pollutant and pathogen concentrations in 3 samples (P1 to P3) consisting of P-enriched yeasts, where n.n. for undetectable stands.
  • yeasts enriched with phosphorus The fertilization effect of yeasts enriched with phosphorus is illustrated in FIG. 5. Growth is shown on the left side and ingredients for maize are shown graphically on the right side with the yeast fertilizer (yeast P) obtained and with mineral fertilizer (Super-P) for comparison purposes. were fertilized in 3 different concentration levels (Gef .: vessel, TM: dry matter).
  • yeast P yeast fertilizer
  • Super-P mineral fertilizer

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus phosphorhaltigen Abwässern und eine dazugehörige Kläranlagezur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren umfasst dazu die Verfahrensschritte: a) Binden des im Abwasser gelösten Phosphors durch Mikroorganismen in einem Belebungsbecken der Kläranlage unter aeroben Bedingungen; b)Abtrennen eines die Mikroorganismen enthaltenden Klärschlamms und Überführen desselben in einen Rücklösetank der Kläranlage; c) Lösen des sich im Klärschlamm befindlichen Phosphors unter anaeroben Bedingungen; d) Abtrennen der phosphorhaltigen Lösung vom Klärschlamm und Überführen derselben in einen Refixierungstank der Kläranlage; und e)Binden des sich in Lösung befindlichen Phosphors durch zugesetzte Mikroorganismen.

Description

Verfahren zur Phosphorrückgewinnung aus phosphorhaltigen Abwässern und dazugehörige Kläranlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemikalienfreien Rückgewinnung von Phosphor (Phosphaten) aus phosphorhaltigen Abwässern, Schlämmen und Kläranalgen zur Durchführung des Verfahrens.
Technologischer Hintergrund
Mehrere Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt, um Phosphor (Phosphate) aus verschiedenen Quellen zurück zu gewinnen. Dabei können in der Kläranlage sowohl der Schlamm, das Zentrat (Trübwasser, z.B. WO 201 1/143775 A1J als auch die Asche nach Verbrennung des Klärschlammes genutzt werden. Die verwendeten Methoden zur Freisetzung des Phosphors aus der Biomasse/Asche sind die anaerobe Rücklösung (WO 2014/003554 A1 ) oder die Laugung.
Eine Laugung unter Absenkung des pH-Wertes auf unter 4 wird sowohl bei Schlämmen als auch bei Aschen eingesetzt. Bei niedrigen pH-Werten werden die Komplexverbindungen des Phosphors mit Metallen gelöst und der Phosphor steht für die Rückgewinnung zur Verfügung. Für die Absenkung des pH-Wertes werden entweder Chemikalien benötigt (Phosphorsäure, Essigsäure, Schwefelsäure oder Salzsäure) oder die pH-Absenkung wird unter Zugabe elementaren Schwefels biologisch initiiert (Schwefelsäure: P-Bac). Bei Kläranlagen mit biologischer Phosphorelimination wird der Phosphor reversibel in der Biomasse des Schlammes gespeichert und unter anaeroben Bedingungen und neutralem pH-Wert in die umgebende Lösung freigesetzt.
Wenn der Phosphor gelöst vorliegt, gibt es mehrere Möglichkeiten ihn zu binden. Eine Möglichkeit ist die Ausfällung. Dafür wird der pH der Lösung angehoben (über 8). Das kann entweder durch Zugabe von Chemikalien (Natronlauge) oder durch Ausgasung von C02 erfolgen. Zur Fällung werden Ca-Verbindungen, AI-Verbindungen und Mg-Verbindungen genutzt. Im P-Bac-Verfahren wird eine Undefinierte bakterielle Mischkultur zur Akkumulation des gelösten Phosphors eingesetzt. Bei den meisten der genannten Verfahren entstehen mit Schwermetallen belastete Reststoffe (z.B. saure bzw. alkalische Lösungen), die nur bedingt im Kreislauf wiederverwendet werden können. Bei den auf anaerobe Rücklösung basierenden Verfahren verbleiben die Schwermetalle im Schlamm gebunden. Thermische bzw. metallurgische Verfahren, bei denen der Schlamm verbrannt und Phosphor- Metall-Komplexe durch Einwirkung von hohen Druck und Temperaturen in andere Formen (Ca-P-Komplexe, K-P-Komplexe) umgewandelt werden, erzeugen hingegen schwermetallhaltige Schlacken bzw. Gase.
Aktuelle Untersuchungen mit mehreren Rezyklaten aus unterschiedlichen Verfahren zeigten, dass die gewünschte Düngewirkung im Vergleich zu einem vollaufgeschlossenen Mineraldünger häufig unzureichend ist. Darüber hinaus ist der Gehalt an kritischen Stoffen wie Schwermetallen bedenklich. Bezogen auf das jeweilige Rückgewinnungsverfahren ist in der Literatur (Bayerisches Landesamt für Umwelt, Rückholbarkeit von Phosphor aus kommunalen Klärschlämmen, Abschlussbericht, 2015) folgendes für die verschiedenen Produkte beschrieben:
- Unbehandelte Aschen: Enthalten 14-29% überwiegend zitronensäurelösliches P205 und überschreiten nur manchmal die toleranten Grenzwerte der Düngemittelverordnung (DÜMV). Bei regelmäßiger Düngung würde es vermehrt zu einer Anreicherung von vor allem Zink und Kupfer kommen. Bei Pflanzen, die nicht Phosphor-mobilisierend wirken (z.B. Mais), ist die Düngewirkung nur unbefriedigend, da Anteile des Phosphors durch Metalle gebunden vorliegen.
- MAP: Enthält 13-27% hauptsächlich zitronensäurelösliches P205 und unterschreitet stets die DMÜV Grenzen. Bei Düngung mit MAP-Rezyklaten, die in ihrer Pflanzenverfügbarkeit dem mineralischen Dünger entsprechen, würde es mit der Ernte zu einer Abreicherung an Schwermetallen im Boden kommen.
- Rezyklate aus thermisch-metallurgischem Prozess: Enthalten 13% schlecht wasser- und zitronensäurelösliches P2O5, kaum Schwermetalle (außer höhere Konzentrationen an Chrom und Kupfer) und sind im Pflanzenversuch nur mit der ungedüngten Kontrolle vergleichbar. - Behandelte Aschen: Enthalten 21-37% P205, wobei bis zu 35% davon wasserlöslich sind. Bei Nickel gibt es Überschreitungen der Grenzwerte. Im Pflanzversuch war die Düngewirkung stark von dem pH-Wert des Bodens abhängig. Regelmäßige Düngung würde bei thermischen Produkten zu einer Anreicherung aller Schwermetalle im Boden (bis auf Quecksilber und Cadmium) führen.
- Biologisch aufbereitete Aschen (z.B. P-Bac): Enthalten 21-37% P205, die zumeist schlecht wasserlöslich sind. Mit der Ernte kommt es bei regelmäßiger Düngung zu einer Abreicherung an Schwermetallen. Im Pflanzversuch war die Düngewirkung ebenfalls stark von dem pH- Wert des Bodens abhängig und auf alkalischem Boden ungenügend.
Zusammengefasst würde es bei Verwendung von Aschen zumeist zu einer Schwermetallanreicherung kommen (Ni<Pb<Cr«Cu<Zn). Andere Rezyklate aus thermischen bzw. thermisch-metallurgischem Prozessen würden Pb<Cr, Ni<Zn«Cu und konventionelle Dünger vor allem Cd<Cr anreichern. Lediglich bei Verwendung von MAP- und durch biologische Säurelaugung und Phosphatakkumulation aufbereiteten Aschen kommt es zur Abreicherung an Schwermetallen im Boden. Anders verhält es sich mit dem potentiellen Austrag an Pflanzen-, Tier- und Humanpathogenen Keimen sowie Arzneimittelrückständen. Diese spielen bei den Produkten der thermischen Rückgewinnung bzw. Rückgewinnung aus Aschen keine Rolle. Allerdings kann bei MAP-Rezyklaten mit Schlamm als Ausgangsbasis und der biologischen Rückgewinnung über eine Mischkultur unbekannter Zusammensetzung (biologisch aufbereitete Aschen, P-Bac) ein Austrag nach derzeitigem Kenntnisstand nicht ausgeschlossen werden.
Es besteht damit ein anhaltendes Bedürfnis nach Lösungen, die es ermöglichen Phosphor aus dem Schlamm bzw. den Prozesswässern der Kläranlage zu entfernen, um Grenzwerte einhalten zu können und nach Möglichkeit den Klärschlamm an Phosphor auf unter 20 g pro kg Trockenmasse abzureichern. Eine solche Abreicherung wäre notwendig, damit der Klärschlamm nach Inkrafttreten der novellierten Klärschlammverordnung nicht ausschließlich durch Monoverbrennung entsorgt werden muss. Diese Regelung betrifft in 12 Jahren alle Anlagen mit mehr als 100.000 angeschlossenen Einwohnerwerten (EW) und in 15 Jahren alle Anlagen mit mehr als 50.000 EW. Ein Umwelt und Ressourcen schonendes Rückgewinnungsverfahren sollte es im Gegensatz zu etablierten Verfahren insbesondere ermöglichenden pH im gesamten Verfahren (Rücklösung und Akkumulation von Phosphor) im neutralen Bereich halten (6.5-7.5). Nach Möglichkeit sollte sich das Produkt technisch einfach von den Ausgangsstoffen trennen lassen, um Schwermetall- und Pathogenbelastung so gering wie möglich zu halten. Es sollte ferner die Möglichkeit schaffen eine ökologisch unbedenkliche Reinkultur bzw. eine definierte Mischkultur zu verwenden. Zusammenfassung der Erfindung
Ein oder mehrere der geschilderten Probleme des Standes der Technik werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur (chemikalienfreien) Rückgewinnung von Phosphor aus phosphorhaltigen Abwässern in einer Kläranlage gelöst oder zumindest gemindert. Das Verfahren umfasst dazu die Verfahrensschritte:
a) Binden des im Abwasser gelösten Phosphors durch Mikroorganismen in einem Belebungsbecken der Kläranlage unter aeroben Bedingungen;
b) Abtrennen eines die Mikroorganismen enthaltenden Klärschlamms und Überführen desselben in einen Rücklösetank der Kläranlage;
c) Lösen des sich im Klärschlamm befindlichen Phosphors unter anaeroben Bedingungen;
d) Abtrennen der phosphorhaltigen Lösung vom Klärschlamm und Überführen derselben in einen Refixierungstank der Kläranlage; und
e) Binden des sich in Lösung befindlichen Phosphors durch zugesetzte Mikroorganismen.
In einer Kläranlage kommen pro angeschlossenen Einwohnerwert ca. 2 g Phosphat pro Tag an. Dieser Phosphor wird gemäß dem vorliegenden Verfahren biologisch in den Mikroorganismen gespeichert (Schritt a)) und mit dem Schlamm entfernt (Schritt b)).
Unter anaeroben Bedingungen wird der Phosphor von den Mikroorganismen wieder freigesetzt und steht dann der Rückgewinnung zur Verfügung (Schritt c)). Mit anderen Worten, im Belebungsbecken der Kläranlage nehmen die Mikroorganismen unter Luftzufuhr den Phosphor auf, ohne Luftzufuhr wird er wieder abgegeben. P-reicher Schlamm, der nicht mehr in der Belebungsstufe benötigt wird (Überschussschlamm), wird in einen separaten Tank (Rücklösetank) überführt. In diesem lagert er bis eine Trennung von fester und flüssiger Phase eintritt und die flüssige Phase wieder Phosphor enthält. Dieser Verfahrensschritt ist in der Regel nach maximal 48 Stunden abgeschlossen, wobei bereits nach ca. 30 min eine Trennung von fester und flüssiger Phase eintritt. Demnach ist bevorzugt, dass der Schritt c) über eine Zeitdauer im Bereich von 30 min bis 48 Stunden erfolgt. Innerhalb kurzer Zeit wird demnach der eingelagerte Phosphor von den Mikroorganismen wieder ausgeschieden und reichert sich in der wässrigen Phase an. Eine Erhöhung der Rücklösung kann beispielsweise durch zweimaliges kurzes (in der Regel < 4 min) durchmischen des Tanks erreicht werden.
Die Flüssigkeit wird danach in einen weiteren Tank (Refixierungstank) überführt (Schritt d)). In diesen Tank werden Mikroorganismen zugegeben, insbesondere als Reinkultur, zum Beispiel Resthefen aus dem Brauprozess, die den Phosphor unter Luftzufuhr innerhalb kurzer Zeit (etwa von 2 Stunden) speichern. Diese Hefen werden am Ende des Verfahrens geerntet und können als Dünger eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß erfolgt demnach unter anaeroben Bedingungen aus Schlämmen, die durch aerobe biologische Phosphorelimination gewonnen wurden, eine Rücklösung des Phosphors. Der nach Trennung von Feststoffen erhaltenen Lösung wird dann eine polyphosphatspeichernde Reinkultur zugesetzt. Eine Aufnahme des Phosphors in die mikrobielle Reinkultur findet nun wieder unter aeroben Bedingungen statt. Die Ernte der Reinkultur erfolgt, wenn ein Maximum an intrazellulärer Phosphatspeicherung erreicht ist. Angewendet werden kann das Verfahren überall dort, wo es notwendig ist, Phosphorgehalte direkt in einer Lösung zu reduzieren. Das trifft zum einen auf kommunale Kläranlagen zu (z.B. in Vorklärung, Trübwasser), aber auch auf industrielles Abwasser (z.B. aus der Kartoffelverarbeitung, Milchindustrie und Brauereien). Verwendet werden kann das Verfahren aber auch zur Reduktion des Phosphorgehaltes in Schlämmen (z.B. Rücklauf-, bzw. Überschussschlamm auf Kläranlagen) oder auch das Produkt des P-bac Verfahrens. Voraussetzung für die erfolgreiche Behandlung des Schlammes ist, dass Phosphor zunächst durch biologische Phosphorelimination festgelegt wurde. Aus diesem Schlämmen kann der Phosphor unter anaeroben Bedingungen in die flüssige Phase überführt und in einer Reinkultur oder einer Mischung aus Reinkulturen gespeichert werden.
Unter Klärschlamm werden vorliegend alle auf einer Kläranlage anfallenden Schlämme verstanden, also beispielsweise auch Primärschlamm und Überschussschlamm.
Als Reinkulturen eignen sich neben Hefen (z.B. Saccharomyces cerevisiae) auch Grünalgen (z.B. Chlorella oder Chlamydomonas) und eine Vielzahl anderer Bakterien (z.B. Pseudomonas sp., Micrococcus, Acinetobacter). Im Schritt e) werden als Mikroorganismen also vorzugsweise Reinkulturen oder Mischungen von Reinkulturen eingesetzt, die nicht pflanzenpathogen wirken und fähig sind Phosphate zur Speicherung intrazellulär als Polyphosphat zu binden.
Nach einer bevorzugten Variante umfasst das Verfahren den auf Schritt e) folgenden zusätzlichen Verfahrensschritt:
f) Abtrennen der sedimentierten Mikroorganismen und Rückführen der Lösung in das Belebungsbecken. Das von Phosphor abgereicherte Wasser wird demnach wieder dem Belebungsbecken zugeführt.
Ferner ist bevorzugt, wenn im Verfahrensschritt a) die anaerobe Umsetzung bei pH-Werten von 6,5 - 7,5 durchgeführt wird. Diese Bedingungen haben sich insbesondere für die Kultivierung der Mikroorganismen als optimal erwiesen. Der pH-Wert lässt sich beispielweise durch Eintrag von C02 einregeln.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Kläranlage, die zur Durchführung des vorab geschilderten Verfahrens zur chemikalienfreien Rückgewinnung von Phosphor aus phosphorhaltigen Abwässern geeignet ist. Die Kläranlage enthält die folgenden Komponenten:
(i) ein Belebungsbecken, das ausgelegt ist zum Binden des im Abwasser gelösten Phosphors durch Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen;
(ii) Mittel zum Abtrennen eines die Mikroorganismen enthaltenden Klärschlamms und Überführen desselben in einen Rücklösetank der Kläranlage;
(iii) den Rücklösetank, der ausgelegt ist zum Lösen des sich im Klärschlamm befindlichen Phosphors unter anaeroben Bedingungen;
(iv) Mittel zum Abtrennen der phosphorhaltigen Lösung vom Klärschlamm und Überführen derselben in einen Refixierungstank der Kläranlage; und
(v) den Refixierungstank, der ausgelegt ist zum Binden des sich in Lösung befindlichen Phosphors durch zugesetzte Mikroorganismen.
Gegenüber konventionellen Kläranlagen unterscheidet sich die erfindungsgemäße Kläranlage also schon dadurch, dass ein Rücklösetank und ein Refixierungstank vorhanden sind, die unter den angegebenen Bedingungen mit Klärschlamm beziehungsweise flüssiger Phase betrieben werden können. Die erforderlichen Mittel zur Trennung umfassen zum Beispiel Filter und Siebe, wie sie bereits herkömmlich in Kläranlagen Anwendung finden. Die Überführung flüssiger Phasen kann mit Hilfe geeigneter Pumpen und Rohrsysteme erfolgen. Feste Phasen lassen sich beispielsweise über Förderbänder bewegen. Die konkrete Auslegung dieser Mittel ist selbstverständlich dem jeweiligen Anwendungsfall anzupassen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmen. Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Rückgewinnung von Phosphor in einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Abgabe von Phosphor aus Überschussschlamm einer Kläranlage in einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Refixierung des in der Lösung vorhandenen Phosphors durch Hefen in einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 Schadstoff und Pathogenkonzentrationen in 3 Proben bestehend aus P- angereicherten Hefen; und
Fig. 5 Wachstum und Inhaltsstoffe für Mais gedüngt mit Hefedünger und Mineraldünger in 3 unterschiedlichen Konzentrationsstufen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Rückgewinnung von Phosphor in einem Ausführungsbeispiel zu entnehmen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Rückgewinnung von Phosphor unter Nutzung von Resthefen aus dem Brauprozess. Phosphor (P) befindet sich ohne Luftzufuhr (Luft-) in der wässrigen Phase und nur bei Luftzufuhr (Luft+) in den Mikroorganismen bzw. Hefen. In den Zellen wird der Phosphor in Form von Polyphosphatgranula (helle Punkte) gespeichert.
Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Kläranlage umfasst demnach ein Belebungsbecken, in dem zum Beispiel die zu verarbeitenden Abwässer einer Brauerei eingeleitet werden. Ein mit Phosphor angereicherter Überschussschlamm wird abgetrennt und in einen sogenannten Rücklösetank überführt.
Die Rücklösung des durch polyphosphatspeichernde Mikroorganismen gebundenen Phosphors aus dem Überschussschlamm ist - wie in Figur 2 am Ausführungsbeispiel dargelegt - unter anaeroben Bedingungen, neutralem pH-Wert (7.05), Raumtemperatur (T=24,4°C) und einer geringen Durchmischung erfolgreich zu betreiben. Dabei macht es einen quantitativen Unterschied, ob die Rücklösung in den Sommer- oder den Wintermonaten stattfindet, jedoch selbst unter ungünstigen Voraussetzungen (Winter, P- Gehalt im Überschussschlamm unter 0,15 g/l) konnten noch 0,05 g Phosphor /I Schlamm gewonnen werden. Generell lag die Rücklöseeffizienz in Laborversuchen zwischen 23 und 48% mit einem Mittelwert von 33, 19% (± 8,42). Bei P-Gehalten in der Überschussschlamm- Frischmasse von 0,125 bis 0,392 g/l (Mittelwert:0,307 g/l; ± 0,088) konnten dabei zwischen 0,059 und 0,178 g/l Phosphor rückgelöst werden (Mittelwert: 0,094 g/l; ± 0,024).
Die flüssige Phase im Rücklösetank wird anschließend in einen sogenannten Refixierungstank überführt. Unter nun wieder aeroben Bedingungen erfolgt die Aufnahme des rückgelösten Phosphors innerhalb von 1 ,5 bis 3h in zugesetzten Hefezellen (10 g/l BTM, Resthefe aus Brauereiendführung, gekühlt transportiert und gelagert; Figur 3). Wenn (i) eine Belüftung erfolgte (1 ,5 l/min, synthetische Luft), (ii) die Hefen vor Beginn der Zellvermehrung geerntet wurden (max. 3 h nach Hefezugabe) und (iii) der Phosphorgehalt im Überstand nicht zu hoch war (zwischen 0,05 und 0,2 g/l) wurden Effizienzen von über 85% erreicht.
Beide Versuchsteile (Rücklösung und Refixierung) wurden in je einem 1 ,5 I fassenden Laborreaktor durchgeführt. Die Rührleistung unter Sauerstoffeintrag (bei Refixierung durch die Reinkultur) betrug 400 rpm. Der pH-Wert lag bei 6,9 bis 7,2, die Temperatur zwischen 25,3 und 18,8°C.
Die ökologische Unbedenklichkeit des auf diesem Wege gewonnenen Düngers zeigt die Tabelle der Figur 4. Die Tabelle fasst Schadstoff- und Pathogenkonzentrationen in 3 Proben (P1 bis P3) bestehend aus P-angereicherten Hefen zusammen, wobei n.n. für nicht nachweisbar steht.
Die Düngewirkung derart mit Phosphor angereicherter Hefen illustriert Figur 5. Auf der linken Seite ist das Wachstum und auf der rechten Seite sind Inhaltsstoffe für Mais graphisch dargestellt, die mit dem gewonnenen Hefedünger (Hefe-P) und zu Vergleichszwecken mit Mineraldünger (Super-P) in 3 unterschiedlichen Konzentrationsstufen gedüngt wurden (Gef.: Gefäß, TM: Trockenmasse).
Sowohl die Schadstoffkonzentrationen, als auch die Werte für Pathogene zeigen, dass der gewonnene Dünger unbedenklich ist. Er ist aber auch sehr gut pflanzenverfügbar, wie Figur 5 zeigt. Die Verfügbarkeit ist ebenso gut, wie die des Mineraldüngers Superphosphat.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus phosphorhaltigen Abwässern in einer Kläranlage, umfassend die Verfahrensschritte:
a) Binden des im Abwasser gelösten Phosphors durch Mikroorganismen in einem Belebungsbecken der Kläranlage unter aeroben Bedingungen; b) Abtrennen eines die Mikroorganismen enthaltenden Klärschlamms und Überführen desselben in einen Rücklösetank der Kläranlage;
c) Lösen des sich im Klärschlamm befindlichen Phosphors unter anaeroben Bedingungen;
d) Abtrennen der phosphorhaltigen Lösung vom Klärschlamm und Überführen derselben in einen Refixierungstank der Kläranlage; und
e) Binden des sich in Lösung befindlichen Phosphors durch zugesetzte Mikroorganismen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren den auf Schritt e) folgenden zusätzlichen Verfahrensschritt umfasst:
f) Abtrennen der sedimentierten Mikroorganismen und Rückführen der Lösung in das Belebungsbecken.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, bei dem im Verfahrensschritt a) die anaerobe Umsetzung bei pH-Werten von 6,5 - 7,5 durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei Schritt c) über eine Zeitdauer im Bereich von 30 min bis 48 Stunden erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem im Schritt e) als Mikroorganismen Reinkulturen oder Mischungen von Reinkulturen eingesetzt werden, die nicht pflanzenpathogen wirken und fähig sind Phosphate zur Speicherung intrazellulär als Polyphosphat zu binden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die eingesetzten Reinkulturen Hefen, Grünalgen oder Bakterien umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem Hefen, Grünalgen und Bakterien in Form von Saccharomyces cerevisiae und Chlorella oder Chlamydomonas, Anacystis, Plectonema und Pseudomonas sp, Micrococcus, Acinetobacter eingesetzt werden.
Kläranlage zur Durchführung eines Verfahrens zur chemikalienfreien Rückgewinnung von Phosphor aus phosphorhaltigen Abwässern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend die folgenden Komponenten:
(i) ein Belebungsbecken, das ausgelegt ist zum Binden des im Abwasser gelösten Phosphors durch Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen;
(ii) Mittel zum Abtrennen eines die Mikroorganismen enthaltenden Klärschlamms und Überführen desselben in einen Rücklösetank der Kläranlage;
(iii) den Rücklösetank, der ausgelegt ist zum Lösen des sich im Klärschlamm befindlichen Phosphors unter anaeroben Bedingungen;
(iv) Mittel zum Abtrennen der phosphorhaltigen Lösung vom Klärschlamm und Überführen derselben in einen Refixierungstank der Kläranlage; und
(v) den Refixierungstank, der ausgelegt ist zum Binden des sich in Lösung befindlichen Phosphors durch zugesetzte Mikroorganismen.
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