DD258911A3 - Verfahren zur biologischen nitrifikation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur biologischen Nitrifikation von Abwaessern und Abprodukten. Durch das Verfahren erfolgt bei der mikrobiellen Stickstoffeliminierung eine Verringerung des Reaktionsvolumens in den Nitrifikationsstufen durch die Steigerung des Synthesewertes und der Zuwachsrate der Nitrifikanten, sowie eine Stabilisierung des Gesamtprozesses. Die erforderlichen Aufwendungen werden reduziert. Die biologische Nitrifikation erfolgt gemaess Figur unter Zufuehrung von zusaetzlichem Kohlendioxyd oder kohlenstoffsaurer Salze. Fuer die CO2-Versorgung der Nitrifikanten koennen als Abprodukt anfallende Kohlensaeure oder Abgase von Verbrennungsprodukten genutzt werden. Das Verfahren dient der Entfernung von Stickstoffverbindungen aus Abwaessern und Abprodukten.
Description
Hierzu 1 Seite Zeichnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrowellen Stickstoffeleminierung aus Abwässern und Abprodukten.
Die Nitrifikation ist der erste Verfahrensschritt der mikrowellen Stickstoffeliminierung von Abwässern und-Abprodukten. Im ersten Verfahrensschritt, der Nitrifikation, werden die in den Abwässern und Abprodukten enthaltenen Stickstoffverbindungen durch spezifische Mikroorganismenarten wie z. B. Nitrosomonas, Nitrobacter unter Zuführung von Luftsauerstoff über die Nitritin die Nitrat-Form überführt. Im dem anschließenden zweiten Prozeßschritt, der Denitrifikation, wird bei Zugabe organischer Kohlenstoffquellen ein anoxischer Abbauprozeß unterhalten, bei dem der Nitratsauerstoff als Sauerstoffquelle zum Abbau organischer Substrate genutzt wird und der bei der Zerlegung des Nitrats verbleibende molekulare Stickstoff in die Atmosphäre ausgast.
Bei großen Abwasserzuflüssen und hohen Stickstoffbelastungen werden beide Prozeßschritte zur Erhaltung der spezifischen Mikroorganismenarten mit getrennten Schlammkreisläufen und hierdurch bedingt mit getrennten Nachkläreinrichtungen betrieben. Bei geringen Abwasserzuflüssen und Stickstoffmengen wird auf die Trennung der Schlammkreisläufe verzichtet, wobei durch eine diskontinuierliche oder segmentweise Belüftung die Nitrifikation und Denitrifikation in einem gemeinsamen Reaktor durchgeführt werden kann.
Bei der mikrowellen Stickstoffeliminierung mit vorgeschalteter Denitrifikation und mehrstufiger Nitrifikation-Denitrifikation wird nach DD PS 218517 ein gemeinsamer Nitrat-Schlammkreislauf mit Mischpopulation unterhalben und das zu behandelnde Abwasser in Teilmengen den einzelnen Denitrifikationsstufen zugegeben.
Bei diesen Verfahren werden als Sauerstoffakzeptoren in der Denitrifikationsstufe überwiegend die in den Abwässern und Abprodukten enthaltenen Organismen Kohlenstoffquellen genutzt. Mitunter kann auch systemfremdes organisches Substrat, z. B. Methanol, von außen der Denitrifikationsstufe zudosiert werden.
Allen Verfahren ist jedoch gemeinsam, daß die Nitrifikanten strikt autotroph sind, als Substrat nur anorganische Kohlenstoffquellen nutzen und bei Anwesenheit größerer organischer Substratmengen der Nitrifikationsprozeß gehemmt oder völlig unterbrochen wird. Durch die Anordnung aerober Vorstufen zum Substratabbau oder durch einen entsprechenden Verfahrensablauf, z. B. Anordnung der Denitrifikationsstufe vor der Nitrifikationsstufe, wird gesichert, daß die Substratkonzentration in der Nitrifikationsstufe den physiologisch zulässigen Schwellenwert nicht überschreitet. Zudem ist mit Hilfe einer Chemikaliendosierung oder mittels eines ständigen Wechsels der Verfahrensschritte Denitrifikation-Nitrifikation eine pH-Einstellung möglich, die zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit der pH-abhängigen Nitrifikanten und Denitrifikanten führt.
Neben der positiven Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit besteht jedoch ein wesentlicher Mangel in der Begrenzung der Leistungsfähigkeit des Gesamtprozesses infolge der geringen Synthesewerte und Zuwachsraten der Nitrifikanten. Bedingt durch die geringen Synthesewerte stellt sich bereits nach kurzer Prozeßdauer ein Gleichgewichtszustand zwischen dem geringen Biomassezuwachs, den unvermeidlichen Ausspülverlusten an Biomasse im Ablauf der Nachklärung und der Absterberate der Mikroorganismen ein: Eine im Prozeß angestrebte Erhöhung der Populationsdichte an Nitrifikanten ist unter diesen Bedingungen nicht mehr möglich. Die geringe Populationsdichte gestattet nur niedrige Leistungsparameter. Als Folge ergibt sich kennzeichnend für alle Nitrifikationsstufen ein erheblicher Volumenbedarf.
Ein zusätzlicher Mangel besteht in der Instabilität des Prozesses bei hydraulischen Stoßbelastungen, z. B. bei kommunalem Mischwasserabfluß, da sich bei Belastungsstößen auch die Ausspülverluste erhöhen.
Dem versuchen Festbett- oder Fließbett-Verfahren dadurch zu begegnen, daß Nitrifikanten an Bewuchsflächen, z. B. Kornmaterial, angesiedelt werden. Bei großen Abwassermengen ergeben sich jedoch Probleme bei der gleichmäßigen Abwasserverteilung. Zudem kommen bei feststoffreichen Abwässern und Abprodukten noch erhebliche betriebliche Aufwendungen zur Beseitigung der im Fest- bzw. Fließbett angelagerten Feststoffe hinzu. Vielfach schließt ein hoher
Feststoffgehalt die Anwendung dieser Verfahren aus. Auch wenn Festbett- oder Fließbett-Verfahren durch verringerte Ausspülverluste eine höhere Populationsdichte an Nitrifikanten gestatten und damit zu einem höheren absoluten Stoffumsatz führen, so bleibt jedoch die Zuwachsrate und damit auch die spezifische Leistungsfähigkeit der Mikroorganismen bei diesen Verfahren unbeeinflußt gering undder Volumenbedarf ist auch bei diesen Verfahrensvarianten sehr hoch.
Ziel der Erfindung ist die Verringerung des Reaktionsvolumens in den Nitrifikationsstufen und damit der Invest- und Betriebskosten, sowie die Stabilisierung des Gesamtprozesses der biologischen Stickstoffeliminierung.
Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird.
Die Ursachen der Mängel der bereits bekannten Lösungen bestehen darin, daß sich die bisherigen kinetischen Betrachtungen zur Nitrifikation ausschließlich auf die Eliminierung des Stickstoffs konzentrieren, so z. B. in der Brutto-Gleichung
NH^ + 2O2 NO3-+ H2O+ 2H^ ~
wobei als Bezugsbasis der kinetischen Parameter Reaktionsgeschwindigkeit, Zuwachsrate und Synthesewert die im Prozeß vorherrschende NH4-N-Konzentration dient und dabei nicht erkannt wird, daß das als Substrat für die strikt autotrophen Nitrifikanten erforderliche CO2 als prozeßbestimmende Einfiußgröße wirkt und demzufolge im Ergebnis der bisherigen Betrachtungsweise zur Optimierung des Nitrifikationsprozesses ausschließlich der Einfluß der Temperatur, des pH-Wertes, der O2-Zufuhr und der Einfluß inhibierender Substanzen berücksichtigt wird, während der prozeßbestimmende Faktor der CO2-Versorgung der Nitrifikanten hierbei völlig unberücksichtigt bleibt, infolgedessen ergibt sich bei den bisherigen Nitrifikationsprozessen einerseits aus der mikrobiellen Oxidation der NH4-Verbindungen ein hohes Energieangebot, das jedoch andererseits infolge eines zu geringen C02-Angebotes nicht im verfahrenstechnisch möglichen Umfange zur Zellsynthese und Erhöhung der Zuwachsrate der Nitrifikanten genutzt werden kann. Zudem führt das zu geringe C02-Angebot zu einer abnehmenden oder sogar zu einer endogenen Wachstumsphase der Nitrifikanten.
Das Wesen der mikrobiellen Stickstoffeliminierung aus Abwässern und Abprodukten ist gekennzeichnet dadurch, daß den strikt autotrophen Nitrifikanten zusätzliches Kohlendioxid oder kohlenstoffsaure Salze als Substrat zugeführt werden, damit die begrenzende Wirkung als Minimumfaktor beim Stoffwechselprozeß entfällt und sich als Folge einer höheren Substratbelastung eine wesentliche Steigerung des Synthesewertes und der Zuwachsrate der Nitrifikanten entsprechend dem Angebot an freier Energie aus der mikrobiellen Oxidation der Stickstoffverbindungen ergibt, wobei die Bilanzierung der CO2-Zugabe in Abhängigkeit von dem Betrag der freien Energie und der COrAbbaugeschwindigkeit der Nitrifikanten unter Einhaltung des pH-Wertes und damit einer gezielten Erhöhung der Korbonat-Konzentration erfolgt. Zur C02-Versorgung der Nitrifikanten können Kohlendioxid oder Kohlensäure, auch Abprodukte eingesetzt werden, wie z. B. die bei einer Gaswäsche oder bei anderen industriellen Prozessen anfallende Kohlensäure, Abgase von Verbrennungsprozessen oder Energieerzeugungsanlagen, Abluft von zugeordneten Denitrifikationsstufen. Die Zugabe des Kohlendioxydes oder der Kohlensäure erfolgt wahlweise durch eine eigene Leitung oder durch eine CO2-Anreicherung der Druckluft, die zur Sauerstoffversorgung des Nitrifikationsprozesses in das Nitrifikationsbecken eingeblasen wird.
Ausführungsbeispiel
Folgendes Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren erläutern:
Einer kommunalen Kläranlage werden 1 000m3/d Abwasser mit einem üblichen N-Gehaltvon 60g/m3 zugeleitet. Der im Abwasser enthaltene Stickstoff soll mikrobiell eliminiert werden.
Zur Erfüllung dieser Zielstellung sind in der Nitrifikationsstufe folgende Stickstoffmengen zu oxidieren
1 OOOrrvVd 0,06 kg/m3 = 60kq/d
Zur Oxidation sind rd. 3,5 kg Sauerstoff je kg Ammonium-Stickstoff erforderlich. Die Sauerstoffzuführung ins Nitrifikationsbecken erfolgt in Form von Luftsauerstoff. Bei einer Beckentiefe von 4 m und einer feinblasigen Belüftung können je Nm3 Luft rd. 30 g O2 in das Abwasser eingetragen werden
Der Luftbedarf zur Oxidation des im Beispiel bilanzierter Stickstoffs beträgt dann:
30 Mit dieser Luftmenge wird der Nitrifikation ein CO2-Anteil von
2000-0,593= 1,186kg/d zugeführt.
Für die Zellsynthese stehen an freier Energie rd. 16000 J/g NH3 aus der NH3-Oxidation zur Verfügung. Dem steht überschlägig ein Energiebedarf zum Aufbau der Zellsubstanz von 36110J/g oTS gegenüber. Unter Berücksichtigung der Energetik der mikrobiellen Nitrifikation könnte im vorliegenden Beispiel theoretisch folgende Zellsubstanz (oTS) synthetisiert werden.
:16 000 = 26,6 kg/d 36110
Zum Aufbau von 1 kg oTS werden stochiometrisch von den autotrophen Nitrifikanten 1,9kg CO2 benötigt. Damit ergibt sich ein CO2-Bedarf von
26,6· 1,9= 50,5 kg/d -
Angeboten werden 1,186kg/d. Der Fehlbedarf ist durch zusätzliche Einspeisung von CO2 in die Nitrifikationsstufe zu decken. Die zusätzliche C02-Menge entspricht ca. 25% des 02-Oxidationsbedarfes
Oxidationsbedarf 60-3,5= 210 kg/d
CO2-Bedarf 50,5 kg/d
., .... . O2-Bedarf Verhältnis- -
CO2-Bedarf
Claims (4)
1. Verfahren zur biologischen Nitrifikation von Abwässern und Abprodukten, gekennzeichnet dadurch, daß den strikt autotrophen Nitrifikanten zusätzlich Kohlendioxyd oder kohlenstoffsaure Salze zugeführt werden, wobei die Bilanzierung dieser anorganischen C-Verbindungen in Abhängigkeit von dem Angebot an Ammoniak bzw. Ammoniumionen und des daraus resultierenden maximalen Synthesewertes der Nitrifikanten unter Berücksichtigung des pH-Wertes erfolgt.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die CO2-Versorgung der Nitrifikanten als Abprodukt anfallende Kohlensäure und Abgase von Verbrennungsprozessen oder Energieerzeugungsanlagen genutzt werden...
3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die CO2-Versorgung der Nitrifikanten wahlweise durch eine getrennte CO2-Zuleitung oder durch eine CO2-Anreicherung der Druckluft, die für 02-Versorgung in das Niktifikationsbecken eingeblasen wird, erfolgt.
4. Verfahren nach Punkt 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die in der Denitrifikation entstehende CO2-haltige Abluft zur CO2-Versorgung der Nitrifikanten genutzt wird.
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|---|---|---|---|---|
| FR2788055A1 (fr) * | 1998-12-30 | 2000-07-07 | Poudres & Explosifs Ste Nale | Procede de purification biologique d'une eau contenant du perchlorate d'ammonium |
-
1986
- 1986-04-15 DD DD86289118A patent/DD258911A3/de not_active IP Right Cessation
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Legal Events
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