DK171819B1 - Fremgangsmåde og indretning til kontinuerlig mikrobiologisk denitrifikation af grundvand - Google Patents

Description

DK 171819 B1 i

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til kontinuerlig mikrobiologisk denitrifikation af grundvand ved hjælp af naturgas, især methan, og en indretning til gennemførsel af fremgangsmåden.

5 De for tiden lovligt tilladte maksimale koncen trationer på 90 mg NO3 pr. liter i drikkevand nedsættes snart til 50 mg NO3 pr. liter. EF-standardværdien er endnu lavere, 25 mg NO3 pr. liter. For vandværkerne bliver det følgeligt nødvendigt, at gribe til foranstalt-10 ninger til formindskelse af for høje nitratkoncentrationer, for at undgå standsning. Grundvandets nitratindhold er særligt højt i nærheden af intensivt dyrkede jordbrugsarealer på grund af de store mængder tilført gødning og gylle.

15 Nitratet i sig selv er ganske vist ikke giftigt i den indtil nu tilladelige koncentration, dog kan dets omdannelsesprodukter, såsom nitrit og nitrosaminforbindelser føre til sundhedsskade. Også den af nitratet fremkaldte stigende hårdhed af grundvandet må anses for 20 økonomisk uheldig.

Kendte fremgangsmåder til denitrifikation af drikkevand beror på en iodbytning, anvendt osmose eller en mikrobiologisk nedbrydning i amlæg over jorden.

Ved de mikrobiologiske fremgangsmåder benyttes 25 reaktorer, der er anbragt over jorden, med fastlejrede eller fluidiserede partikellag, hvori enten sand eller andre materialer med kornet struktur udgør bærematerialet for en biomasse. Da biomassen til stadighed forøges hvorved reaktorens virkningsfuldhed hæmmes, er det for 30 reaktorer med fast leje nødvendigt med skylleanlæg, således at den dannede biomasse fra tid til anden fjernes fra reaktoren. I reaktorer med fluidiseret leje udskylles bakterieoverskuddet kontinuerligt med strømmen, med en efterfølgende adskillelse der fra.Yderligere kan det 35 være nødvendigt med en efter rensning af det vand, der forlader nitrifikationsreaktoren, ved iltning og efter-filtrering.

2 DK 171819 B1 I DVGW-skrifterne "Wasser" nr. 105, Eschborn 1894, side 188 til 190 beskrives en fremgangsmåde til underjordisk rensning af nitratrigt grundvand ved blanding med renset spildvand eller med opløst naturgas. Ved 5 denne fremgangsmåde behandles nitratrigt grundvand med en vandblanding af biologisk renset og efterrenset spildvand og grundvand eller ved injektion in situ med grundvand, som over jorden er tilsat methanrigt naturgas. De i jorden henholdsvis i grundvandet forhåndenvæ-10 rende autotrofe og heterotrofe mikroorganismer reducerer nitrat til nitrogen og vand, de anvender oxygenet i nitratet til oxidation af hydrogen og carbon. Ganske vist sker der ved denne fremgangsmåde en nedbrydning af forhåndenværende nitrat, men ikke desto mindre indtræder 15 der efter kort tid en tilstoppelse af sivebrønden af den bakterieslim som blokerer siveproceseen. En tilstoppelse lader sig ikke uden videre fjerne, si i det lange løb er det ikke muligt ved denne fremgangsmåde at opnå en forstyrrelsesfri drift. Hertil kommer at apparatomkostnin-20 ger, til at bringe de gas formi ge reaktanter i opløsning i en flydende delstrøm under tryk og ved hjælp af en almindelig absorber, er forholdsmæssig høje. Også undersøgelser med anvendelse udelukkende af naturgas viser lignende resultater.

25 Det er ved opfindelsen tilsigtet at tilvejebringe en fremgangsmåde og en indretning til kontinuerlig mikrobiologisk denitrifikation af grundvand ved hjælp af naturgas, især methan, med lave .apparatom kostninger og som fungerer i lange tidsrum, uden at der 30 opstår tilstoppelse i området omkring det grundvandsledende lag.

Det tilsigtede opnås ved at naturgassen tilføres grundvandet ovenstrøms i forhold til grundvandsudtaget.

Dette kan ske periodevist, for at spare naturgas eller 35 methan og samtidig begrænse den på selve stedet dannende biomasse. Denne biomasse fungerer som substrat for hete-rotrofe/organotrofe bakterier til nitratnedbrydningen.

DK 171819 Bl 3

Ved forsøg har det overraskende vist sig, at tilførslen af naturgas eller methan forstærker den naturligt forløbende denitrifikation i grundvandet uden at det i området omkring tilførselstedet fører til tilstop-5 pelse med bakterieslimen. Den direkte tilførsel af naturgas i det grundvandsledende lag fører til meget lave driftsomkostninger i sammenligning med andre kendte fremgangsmåder, derudover fremkommer der ingen miljøbelastende reaktionsprodukter.

10 Virkningsmekanismen i grundvandet kan beskrives generelt ved de efterfølgende reaktionsligninger: CH4 + 2 02 = HC0~ + H+ + H20 15 5 CH4 + 8 N0“3 = 4 N2 + 5 HCO*"^ + 6 H20 + 3 0H“

Fe2+ °2 +H2° Fe (OH), 20 I denne forbindelse skal der tages hensyn til, at de mikroorganismer, som står for nedbrydningen af nitrat er aerobier, som kun i et i Øvrigt anaerobt miljø udnytter nitrationens oxygen og derved benytter naturgassens methan som energikilde.

25 Under denne reaktion stiger grundvandets pH, hvilket kan føre til uønsket kalkudfældning. Samtidig fremkommer i et uønsket stort omfang biomasse af mikroorganismerne, som står for nedbrydningen af nitrat. For at sænke pH og opnå en forskydning af bakteriestofskif-30 tet i retning af en undertrykkelse af bakterievæksten i området omkring tilførselsstedet, og dermed undgå tilstoppelse, tilføres grundvandet hensigtsmæssigt carbondioxidgas sammen med naturgassen. På denne måde opnås et bestemt redoxpotentiale såvel som undgåelse af uheldige 35 påvirkninger af det grundvandsledende lags kalk-kulsy-re-system.

4 DK 171819 B1

Hvis oxygenindholdet i grundvandet er for lavt, kan oxygen tilføres grundvandet ovenstrøms i forhold til tilførselsstedet for naturgas og/eller nedenstrøms før grundvandsudtaget. På denne måde dannes der et 5 aerobt miljø ovenstrøms i forhold til det anaerobe miljø.

Oxygen og naturgas kan også tilføres adskilt på samme sted og blandes med hinanden ved tilførselsstedet i grundvandet.

10 Ved den ifølge de ovenstående ligninger forløben de reaktion fremkommer der på grund af næringsstofudbudet en masseophobning af mikroorganismer, hvor det drejer sig om en biomasse. Grundelementerne i denne biomasse består overvejende af æggehvidestoffer. Biomassen 15 kan ganske vist kun udvikles tilfredsstillende, når der er et tilstrækkeligt antal phosphationer til rådighed for stofskriftet. Derfor kan man tilføre grundvandet en phosphatopløsning alene og/eller sammen med oxygen. Der kan desuden tilledes oxygengas ovenstrøms i forhold til 20 udtagsstedet, dvs. mellem tilførselsstedet for naturgas og udtaget, hvis der i indgangsfasen er et utilfredsstillende indhold af jern, mangan og nitrit.

Yderligere kan grundvandet tilføres en næringsopløsning af f.eks. phosphater, sporstoffer og vitaminer 25 alene eller i blanding med en eller flere gasser, for på denne måde at sikre et optimalt CsNjP-forhold. Fortrinsvis indstilles, henholdsvis holdes C:N:P-forholdet på 100:10:1. I forbindelse hermed indstilles carbonkon-centrationen ved hjælp af naturgas og/eller carbondioxid 30 samt ved hjælp af opløst biomasse, og phosphorkoncentra-tionen indstilles ved hjælp af næringsopløsningen eller phosphat, medens nitrogenkoncentrationen på forhånd er bestemt af grundvandets nitratindhold.

En indretning til gennemførsel af fremgangsmåden 35 ifølge opfindelsen omfatter et gasspyd med en gastæt, trykbestandig kappe og gastilslutning. Dette gasspyd kan DK 171819 B1 5 på en hvilken som helst måde indføres i det grundvandsledende lag i jorden og muliggør tilførsel af naturgas, carbondioxid og oxygen samt eventuelt phosphatopløsning under det nødvendige tryk. Afstanden mellem gasspydet og 5 udtagelsesbrønden svarer til en opholdstid for grundvandet i den ved fremgangsmåden tilvejebragte bioreaktor på mindst 4,5 timer.

For at muliggøre en boblefri tilledning af gas i grundvandet, kan man på gasspydets udgangsåbning anbrin-10 ge et membranfilter, fortrinsvis en sintermetalplade.

Opfindelsen belyses nærmere ved hjælp af tegningen.

På denne viser: fig. 1 en indretning med to tilførselsbrønde 15 og fig. 2 en indretning til områdedækkende til førsel af gas og opløsninger.

I et grundvands ledende lag 12 stikker en kon-trolniveaumåler 1 op i området omkring en tilføreels-20 brønd 2 til oxygen og eventuelt til phosphatopløsning, samt yderligere en tilførselsbrønd 6 til methan og carbondioxid, samt endnu en kontrolniveaumåler 11 i området omkring en udtagelsesbrønd 9. Grundvandsstrømningsretningen svarer til retningen af en pil 14 25 fra kontrolniveaumåleren 1 til udtagelsesbrønden 9. Tilførselsbrøndene 2 og 6 er afbildet som gasspyd, hvis ender, som stikker ned i det grundvands ledende lag 12, er forsynet med et membranfilter i form af en sintermetalplade 3.

30 Enderne af tilførselsbrøndene 2, 6, 15, som rager op over jordoverfladen, er lukket med en gastæt, trykbestandig kappe 4, som viser tilslutningerne for de tilledende gasser og (ikke vist her) til phosphat-opløsningen. Tilførselsbrøndene 2 og 15 er forbundet 35 med en oxygenbeholder via det armatur, som er nødvendigt for at tilføre oxygen til det grundvandsledende lag un- DK 171819 B1 6 der det fornødne tryk og i den fornødne mængde. På samme måde er tilførselsbrønden 6 forbundet med en methanbe-holder 7 og en carbondioxidbeholder 8.

I udtagelsesbrønden 9 er anbragt en pumpe 10, 5 som pumper det nitratfrie eller nitratreducerede grundvand op og fører det frem via en vandledning 13.

Tilførselsbrønden 2 til oxygen er placeret ovenstrøms i forhold til tilførselsbrønden 6 for me-than og carbondioxid, og denne er igen placeret oven-10 strøms i forhold til udtagelsesbrønden 9.

Mellem udtagelsesbrønden 9 og tilførselsbrøndene 2 og 6, danner der sig så at sige en underjordisk bioreaktor, hvor grundvandet strømmer horisontalt i pilen 14's retning.

15 Det ved tilsætning af oxygen, naturgas, carbon dioxid og eventuelt phosphatopløsning og efter denitri-fikationsforløbet påny med oxygen konditionerede grundvand transporterer samtidig indenfor bioreaktoren selv de nærings- og puf fer stof fer, som er nødvendige for den 20 indenfor reaktionsstrækningen i det grundvandsledende lag forløbende omsætning af nitrat til nitrogen og vand.

Herved opstår én i sig selv mikrobiologisk aktiv specifik virksom, underjordisk bioreaktor, hvor overspuling ved tilførselsbrøndene 2 og 6 ikke er nødvendigt 25 efter et periodisk vandudtag. Der er desuden ikke behov for efterrensning af det fra udtagelsesbrønden 9 førte grundvand, til fjernelse af reaktionsslutprodukterne fra denitrifikationen.

Til overvågelse af denitrifikationen, behøver man 30 kun at undersøge og kontrollere det, der påvirker systemet, såsom grundvandets vandtemperatur, dets vandkvalitet, strømningshastighed og strømningsretning, samt det grundvandsledende lag's biologiske opbygning. Endvidere er det nødvendigt at bestemme tilførselsstofferne og re-35 aktionsprodukterne. Således skal pH-værdi, total hårdhed, syre- og basekapacitet, nitrat-, nitrit-, jern-, DK 171819 B1 7 mangan- og oxygenindholdet samt kimtallet kontrolleres før og efter behandlingen.

For at forsyne grundvandet i et større område med reaktanterne, anbringes mange tilførselsbrønde eller 5 spyd 16 til tilførsel af en blanding af gas, næringsopløsning og vand, f.eks. 5 til 30, med afstand fra hinanden. Hvert spyd 16 er tillige, via hver sin særlig pneumatisk eller elektrisk styrede doseringsventil 17, tilsluttet et blandingsrør 18, der via tillednin-10 gerne 19, 20, 21 forsynes med gas, næringsopløsning eller vand. De enkelte doseringsventiler betjenes ved hjælp af en styreenhed 22 og styreledningerne 23.

I blandingsrøret 18 kan man indstille forskellige blandingsforhold ved dosering af reaktanterne. Gasserne 15 tilføres blandingsrøret 18 via ledningen 19 som blanding eller via ikke viste enkeltledninger. Da naturgas, carbondioxid og oxygen ikke kan tilføres sammen, fordi dette kan føre til en eksplosion, kan der kun føres enten naturgas og carbondioxid eller oxygen via 20 gasledningen 19 til blandingsrøret 18. For tilførsel af oxygen er det derfor altid nødvendigt med en separat indretning af den i fig. 2 viste art.

De enkelte spyd 16 kan ensartet eller enkeltvis eventuelt efter hinanden, tilføres lige store reaktant-25 mængder pr tidsenhed.

Det er således muligt ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen at frembringe en i grundvandsstrømmen værende bioreaktor med enkle midler, hvor tilbageskylning ved periodisk vandudtag ved tilførselsstedet ikke er nødven-30 digt. . Det er desuden særlig fordelagtigt, at det fra udtagelsesbrønden førte grundvand ikke kræver efterrens-ning, for at fjerne eventuelle reaktionsprodukter fra denitrifikationen.

35

Claims (13)

1. Fremgangsmåde til kontinuerlig mikrobiologi sk denitrifikation af grundvand ved hjælp af naturgas, kendetegnet ved, at naturgassen tilledes grundvandet ovenstrøms for grundvandsudtaget.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendeteg net ved, at carbondioxid tilledes sammen med naturgassen.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at oxygen tilledes ovenstrøms for 10 tilførselsstedet for naturgas og nedstrøms for strømmen før grundvandsudtaget.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at oxygen og naturgas tilledes grundvandet ovenstrøms for grundvandsudtaget adskilt ved 15 et fælles tilførselssted og blandes med hinanden ved tilførselsstedet i grundvandet.

5. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 1 til 4, kendetegnet ved, at naturgassen tilføres periodevist.

6. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 1 til 5, kendetegnet ved, at phosphatopløs-ningen tilføres grundvandet alene og/eller sammen med oxygen.

7. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af kravene 25. til 6, kendetegnet ved, at en næringsopløsning tilføres grundvandet alene eller i blanding med en eller flere gasser.

8. Indretning til gennemførsel af fremgangsmåden ifølge et vilkårligt af kravene 1 til 7, kende- 30. e g n e t ved, at den omfatter et gasspyd (2, 6) med en gastæt, trykbestandig kappe (4) og gastilslutninger.

9. Indretning ifølge krav 8, kendetegnet ved, at der ved gasspydet's (2, 6) udgangsåbning er anbragt et membranfilter (3). 35 DK 171819 B1 9

10. Indretning ifølge krav 8 eller 9, kendetegnet ved, at der ved gasspydet's (2, 6) udgangsåbning er anbragt en sintermetalplade (3).

11. Indretning ifølge et vilkårligt af kravene 8 5 til 10, kendetegnet ved, at afstanden mellem gasspydet (2, 6) og udtagelsesbrønden (9) svarer til en opholdstid på mindst 4,5 timer.

12. Indretning ifølge et vilkårligt af kravene 8 til 11, kendetegnet ved, at adskillige spyd 10 (16) til tilførsel af gas, næringsopløsning og vand alene eller i blanding er tilsluttet en blander (18) via hver sin pneumatisk eller elektrisk styrede doseringsventil (17).

13. Indretning ifølge et vilkårligt af kravene 8 15 til 12, kendetegnet ved, at spydene stikker ned i det grundvandsledende lag i forskellige dybder.