DE19723789C2 - Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Entfernung von Stickstoff aus Abwasser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biologischen Entfernung von Stickstoff aus Abwasser unter besonderer Berücksichtigung der biologischen Posphatelimination, wobei das Abwasser in einen aus zwei Zonen bestehenden und schwimmfähige Trägermaterialien enthaltenden Reaktor von unten nach oben eingeleitet wird und in einer ersten Reaktionszone durch einen anoxischen Bereich geführt wird, wobei Suspensa zurückgehalten, CSB/BSB abgebaut und Stickstoff in Form von Nitrat zu elementarem Stickstoff reduziert wird. Als Trägermaterial wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung geschäumtes Polystyrol eingesetzt, welches sowohl die Funktion eines Filter- als auch Biomasseträgermaterials ausübt. Das so abgereicherte Wasser wird in eine weitere Reaktionszone geleitet, wobei unter Luft- und/oder Sauerstoffbegasung ein sauerstoffreiches Milieu erzeugt wird und die Stickstoffverbindungen zu Nitrat oxidiert werden und durch Trennung der beiden Reaktionszonen eine biologische Phosphatreduktion erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biologischen Entfernung von Stickstoff aus Abwasser unter besonderer Berücksichtigung der biologischen Phosphatelimination.

Es ist bekannt, zu reinigendes Wasser durch einen Schwimmkorn enthaltenden Reaktor von oben nach unten strömen zu lassen, um eine biologische Reinigung vorzunehmen.

Nach der DE 33 38 170 C2 erfolgt die Reinigung des Schwimmkorns in einem separaten, unterhalb des Reaktors befindlichen Waschbehälter, welcher mit dem Reaktor in Verbindung steht. Das Schwimmkorn wird dem Reaktor an seiner konischen Spitze entnommen und gelangt aufgrund der zwischen dem Reaktor und dem Waschbehälter bestehenden Druckdifferenz in den Waschbehälter, wird dort mit Reinwasser gespült und gelangt über Auftriebskräfte wieder in den Reaktor.

Aus DE 25 49 415 C2 ist bekannt, zu reinigendes Wasser durch einen Schwimmkorn enthaltenden Reaktor von unten nach oben strömen zu lassen, um eine biologische Reinigung vorzunehmen. Die Reinigung des Schwimmkorns erfolgt durch eine sogenannte Starkspülung aus einem dem Reaktor aufgesetzten Spülwasserbehälter im Gegenstrom. Je nach Belastung des Reaktors findet eine Rückspülung statt, die zeitlich, volumenproportional oder über Differenzdruck ausgelöst wird. Für diese Spülung ist im Gegensatz zur DE 33 38 170 C2 eine kurze Betriebsunterbrechung erforderlich.

In EP 0 389 958 B1 ist eine Vorichtung beschrieben, die die Intervalle zwischen zwei Rückspülungen bei einem von unten nach oben mit Wasser durchströmten Reaktor deutlich reduzieren soll.

Hierzu wird mit Biomasse beladendes Filtermaterial über eine durch den Rohwasserstrom beziehungsweise durch den Rezirkulationsstrom angetriebene Wasserstrahlpumpe aus dem Filterbett kontinuierlich während des Betriebs eines Reaktors abgezogen. Durch Scherkräfte werden Biomasse und Trägermaterial in der abführenden Leitung voneinander getrennt. Das abgereinigte Trägermaterial lagert sich wieder nach Eintritt in den Reaktor unterhalb der Filtermaterialschüttung an, während die abgetrennte Biomasse im konischen Teil des Reaktors sedimentiert. Durch diese kontinuierliche Rezirkulation von Filtermaterial können längere Laufzeiten der Reaktoren erzielt werden.

Alle oben genannten Verfahren werden zur Filtration oder für biologische Prozesse wie Denitrifikation beziehungsweise Nitrifikation eingesetzt.

In EP 0 504 065 A1 wird ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwässern beschrieben, wobei zu reinigendes Abwasser von unten nach oben durch einen Reaktor oder biologischen Filter geführt wird, der als Trägermaterial für Bakterien Polystyrol-Teilchen enthält. Das sogenannte Festbett wird oberhalb durch eine Rückhaltevorrichtung fixiert. Das zu reinigende Abwasser wird auf seinem Weg durch das Filtermaterial mit sauerstoffhaltigem Gas angereichert. Ein Teil des Reinwassers wird in den Zulaufbereich zurückgeführt. Rückgespült wird der Reaktor im Gegenstrom. Im Gegensatz zu den oben genannten Verfahren findet ein anaerober beziehungsweise anoxischer Prozeß (Denitrifikation) und ein aerober Prozeß (Nitrifikation) in einem Reaktor statt. Die einzelnen Reaktionsstufen sind räumlich nicht voneinander getrennt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß im Prinzip nur Trägermaterial einer bestimmten Dichte eingesetzt werden kann. Zur optimalen Abreinigung muß das gesamte Wasservolumen des Reaktors ausgetauscht werden. Bei dem räumlich getrennten System muß nur die stark beladene Zone (Denitrifikations- und Filtrationszone) rückgespült werden, da die aufliegende Nitrifikationszone mit Suspensa etc. nicht in Berührung kommt. Dies hat eine deutliche Reduktion der Spülwassermenge zur Folge. Ferner ist es schwierig, die einzelnen Reaktionsstufen einzeln zu optimieren, wie zum Beispiel interne Rezirkulationskreisläufe, Spülungen etc.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der oben genannten Verfahren zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beinhalten die Merkmale der jeweils zugehörigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet demnach ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser, wobei das Abwasser in einen aus zwei Zonen bestehenden und schwimmfähige Trägermaterialien enthaltenden Reaktor von unten nach oben eingeleitet wird und in einer ersten Reaktionszone durch einen anoxischen Bereich geführt wird, wobei Suspensa zurückgehalten, CSB/BSB abgebaut und Stickstoff in Form von Nitrat zu elementarem Stickstoff reduziert wird. Als Trägermaterial wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung geschäumtes Polystyrol eingesetzt, welches sowohl die Funktion eines Filter- als auch Biomasseträgermaterials ausübt. Das so abgereicherte Wasser wird in eine weitere Reaktionszone geleitet, wobei unter Luft- und/oder Sauerstoffbegasung ein sauerstoffreiches Milieu erzeugt wird und die Stickstoffverbindungen zu Nitrat oxidiert werden. Durch die Trennung der beiden Reaktionszonen wird eine biologische Phosphatreduktion begünstigt. Ein Teilstrom des Reinwassers wird zur Einstellung des C/N-Verhältnisses wieder dem Rohwasserstrom zugeleitet. Nach einem Merkmal der Erfindung wird die Abreinigung der Trägermaterialien kontinuierlich vorgenommen, wobei das beladene Trägermaterial über Förderleitungen in einen externen Waschbehälter geführt wird, in welchem die Abreinigung erfolgt. Während einer Rückspülphase sedimentierte und in den Trägermaterialhohlräumen befindliche Biomasse wird dabei über eine Abführleitung ausgeschleust wird und nach Schließen dieser Leitung werden die abgereinigten Trägermaterialien über Filtermaterialeintragsleitungen in die jeweiligen Reaktionszonen zurückgeführt.

Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung kann eine gesteigerte biologische Phosphatreduktion vorgenommen werden, indem die Trägermaterialien einem ständigen Milieuwechsel ausgesetzt werden. Dabei werden diese in einem Teilstrom aus der ersten beziehungsweise zweiten Reaktionszone abgezogen und der jeweils anderen Zone wieder zugeführt.

Durch diese Umkehrung ist das biologische Material sehr aktiv, da die Biofilme sowohl aus Denitrifikanten als auch aus Nitrifikanten bestehen, die nur bei entsprechenden Milieubedingungen aktiv sind, das heißt, Nitrifikanten und Denitrifikanten befinden sich im Gleichgewicht. Durch den ständigen Milieuwechsel wird der Baustoffwechsel verlangsamt und der Energiestoffwechsel erhöht. Ein hohes Phosphatbindungsverhalten ist neben einer geringeren Biomasseproduktion die Folge. Zur gesteigerten biologischen Phosphatreduktion werden beide Reaktionszonen mit Trägermaterialien gleicher Dichte und Größe ausgerüstet.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau des Reaktors zur Durchführung des Verfahrens.

Das Abwasser wird über die Abwasserzuführleitung 4 in den Reaktor zusammen mit einem Teilstrom 5 aus der oberen Zone in den unteren Teil des Reaktors geleitet und durchläuft einen anoxischen Bereich der Reaktionszone 2, in dem Suspensa zurückgehalten, CSB/BSB abgebaut und Stickstoff in Form von Nitrat zu elementarem Stickstoff reduziert wird.

Das abgereicherte Wasser gelangt in die darüberliegende Reaktionszone 1, welche von der ersten durch einen Düsenboden getrennt ist. Ein sauerstoffreiches Milieu wird durch Luft- oder Sauerstoffbegasung 8a erzielt. Hier werden Stickstoffverbindungen zu Nitrat oxidiert und ein Teilstrom wieder in die anoxische Stufe zurückgeführt. Die Stickstoffeliminationsrate ist abhängig von der Wahl des Trägermaterials, von der Durchtrittsgeschwindigkeit des Abwassers und von der optimalen Versorgung des Biofilmes mit Sauerstoff.

Das gereingte Wasser verläßt das System über die Abführleitung 6, wobei ein Teilstrom 5 wieder dem unteren Reaktionsraum 2 zugeführt wird.

Zur Rückspülung nach Fig. 1 ist keine Betriebsunterbrechung erforderlich. Das Trägermaterial wird quasi kontinuierlich in einem externen Waschbehälter 12 abgereinigt. Voraussetzung ist ein geschlossener Druckreaktor. Durch Öffnen der entsprechenden Absperrarmatur gelangt das Trägermaterial in die Förderleitung 10a, 10b, wo es aufgrund seiner Auftriebskraft passiv in den Waschbehälter 12 gelangt.

Die Austragsmenge wird zeitlich oder über die Durchflußmenge gesteuert. Das Treibwasser wird über die Abführleitung 9a ausgeschleust, während das Trägermaterial im Waschbehälter 12 verbleibt. Ist der Waschbehälter 12 ca. zur Hälfte gefüllt, werden die Armaturen geschlossen, und es findet die Trennphase statt, in der sich das Trägermaterial in der Spitze des Behälters ansammelt und sich die schwereren Feststoffe am Boden absetzen.

Es schließt sich eine kurze Rückspülphase an, in der die Armaturen in den Leitungen 11a beziehungsweise 11b und 9a geöffnet sind. In dieser Phase wird sedimentierte und in den Filtermaterialhohlräumen befindliche Biomasse ausgeschleust. Anschließend wird die Armatur in Leitung 9a geschlossen und das abgereinigte Filtermaterial kann über die Ableitung 11a beziehungsweise 11b den entsprechenden Zonen zugeführt werden.

Bei der gesteigerten biologische Phosphatreduktion werden die Trägermaterialien einem ständigen Milieuwechsel ausgesetzt. Dabei werden diese in einem Teilstrom aus der ersten beziehungsweise zweiten Reaktionszone über die Filtermaterialabzugsleitungen 10a bzw. 10b abgezogen und der jeweils anderen Zone über die Filtermaterialeintragsleitungen 11a bzw. 11b wieder zugeführt.

Um quantitative Austauschmengen zu erhalten, wird der Filtermaterialaustrag zeit- und mengenproportional erfaßt. Um dies zu erreichen wird das Filtermaterial im Reaktor passiv den in das System integrierten externen Behälter 12 zugeführt. Nach Passage dieses Behälters wird das Material wieder der anderen Reaktionszone zugeführt. Der Reaktor kann von oben nach unten oder im externen Behälter vor Rückführung in den entsprechenden Reaktionsraum rückgespült werden. Werden keine besonderen Anforderungen an eine gesteigerte biologische Phosphatreduktion gestellt, ist ein Gegenaustausch nicht erforderlich, das heißt, ausgetragenes Material einer Stufe wird nach evt. externer Reinigung der entsprechenden Zone auch wieder zugeführt. Der Waschbehälter 12 kann, wie beschreiben als externer Rückspülbehälter eingesetzt werden und/oder als Zwischenstation für den Filtermaterialaustausch zwischen den beiden Reaktionszonen

Bezugszeichenliste

1

,

2

Reaktionszonen mit Trägermaterial

3

Luftleitung/Sauerstoffzufuhr

4

Rohwasserzulauf

5

Rückführung

6

Reinwasserablauf

7

Spül-/Reinwassertank

8

a Lufteintragsvorrichtung Prozeß- und Spülluft obere Zone

8

b Lufteintragsvorrichtung Spülluft untere Zone

9

Spülabwasserleitung

9

a Abführleitung für Treibwasser

10

a Filtermaterialabzug oberer Bereich

10

b Filtermaterialabzug unterer Bereich

11

a Filtermaterialeintrag oberer Bereich

11

b Filtermaterialeintrag unterer Bereich

12

Waschbehälter/Austauschbehälter

Claims (7)

1. Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser, wobei das Abwasser (4) in einen aus zwei Zonen bestehenden und schwimmfähige Trägermaterialien enthaltenden Reaktor eingeleitet wird und in der Reaktionszone (2) durch einen anoxischen Bereich geführt wird, wobei Suspensa zurückgehalten, CSB/BSB abgebaut und Stickstoff in Form von Nitrat zu elementarem Stickstoff reduziert wird, das so abgereicherte Wasser in eine Reaktionszone (1) geleitet wird, wobei unter Luft- und/oder Sauerstoffbegasung (8a) ein sauerstoffreiches Milieu erzeugt wird und die Stickstoffverbindungen zu Nitrat oxidiert werden und durch Trennung der Reaktionszonen (1, 2) eine biologische Phosphatreduktion erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abreinigung der Trägermaterialien kontinuierlich erfolgt, wobei das beladene Trägermaterial über Förderleitungen (10a, 10b) in einen externen Waschbehälter (12) geführt wird, in welchem die Abreinigung erfolgt, wobei während einer Rückspülphase sedimentierte und in den Trägermaterialhohlräumen befindliche Biomasse über eine Abführleitung (9a) ausgeschleust wird und nach Schließen dieser Leitung die abgereinigten Trägermaterialien über die Leitungen (11a, 11b) in die Reaktionszonen (1, 2) zurückgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesteigerte biologische Phosphatreduktion vorgenommen wird, wobei die Trägermaterialien einem ständigen Milieuwechsel ausgesetzt werden, indem diese in einem Teilstrom aus der ersten beziehungsweise zweiten Reaktionszone (1, 2) abgezogen und der jeweils anderen Zone wieder zugeführt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszonen (1, 2) durch einen Düsenboden voneiander getrennt sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor Trägermaterialien auf Polystyrolbasis enthält.

5. Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Abwasser, bestehend aus einem geschlossenen Druckreaktor mit zwei übereinander angeordneten Trägermaterialien enthaltenden Reaktionszonen (1, 2), dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszonen (1, 2), durch einen Düsenboden voneinander getrennt sind und jeweils über eine Förderleitung (10a) bzw. (10b) mit einem externen Waschbehälter (12) verbunden sind, wobei der Waschbehälter (12) eine Abführleitung (9a) und mit den Reaktionszonen (1, 2) verbundene Filtermaterialeintragsleitungen (11a, 11b) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor eine Abwasserzuführleitung (4), eine Teilstromrückführleitung (5), eine Ablaufleitung (6) für gereinigtes Abwasser, eine Spülwasserableitung (9), sowie eine Luftleitung (3) mit einer Lufteintragseinrichtung (8a) für Prozeß- und Spülluft für die obere Zone und einer Lufteintragseinrichtung (8b) für Spülluft für die untere Zone aufweist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß über der Reaktionszone (1) ein Spülwasserreservoir (7) angeordnet ist.