DE2541676A1 - Verfahren zur stickstoffentfernung aus abwaessern - Google Patents
Verfahren zur stickstoffentfernung aus abwaessernInfo
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Description
Verfahren zur Stickstoffentfernung aus Abwässern
Die Erfindung betrifft die Behandlung von Kloakenwasser (sewage) und anderen Abwässern zur Entfernung von organischen und anorganischen
Verunreinigungen, nämlich organischen Kohlenstoff enthaltenden Materialien und organischen und anorganischen
Stickstoff enthaltenden Materialien. Insbesondere beschreibt die Erfindung ein Verfahren zur Entfernung von Stickstoff aus
Abwasser durch biologische Oxydation von stickstoffhaltigem Material mit anschließender Reduktion des oxydierten stickstoffhaltigen
Materials zu elementarem Stickstoff durch biologische Denitrifikation.
Reduzierter Stickstoff, der in Abwasser enthalten ist, das in aufnehmende Ströme abgelassen wird, übt einen langanhaltenden
Sauerstoffbedarf aus, der bei der biologischen Oxydation die Sauerstoffquelle des aufnehmenden Wassers verbraucht. Sowohl
reduzierter als auch oxydierter Stickstoff düngen aufnehmende Gewässer und sind oft für die Algenblüte in Seen verantwortlich.
Oxydierter Stickstoff in der Nitratform wurde für Methämoglobinämie
(sogenannte "blue babies"), eine ernsthafte Kinderkrankheit, verantwortlich gemacht.
Übliche Arten der Stickstoffentfernung aus Abwasser bestehen
aus physikalisch-chemischen und biologischen Mitteln. Bei phy-
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sikalisch-chemischen Methoden wird der pH-Wert des Abwassers
auf über 9,0 eingestellt, und Luft wird durch die Flüssigkeit geleitet, um den Ammoniakstickstoff zu entfernen. Das Ammoniakentfernen
ist ein gangbarer Prozeß, wenn die Volumina klein sind und die Ammoniakkonzentrationen relativ hoch. Zur Anwendung
auf Abwässer jedoch besitzt das Verfahren den Nachteil, daß es große Mengen Abstreifgas mit schlechtem Wirkungsgrad
bei niedriger Temperatur erfordert.
Alternativ wird das Abwasser durch ein Ionenaustauscherbett geleitet. Es können besondere Ionenaustauschermedien für das
Ammoniumion verwendet werden. Ein solches Verfahren hat den Nachteil, daß der organische Nitrit- und Nitratstickstoff
nicht entfernt wird. Es sind große Mengen an Regenerierungsmittel notwendig, und die Adsorptionskapazität nimmt während
mehrerer Regenerierungszyklen ab, was den Ersatz des Ionenaustauschermediums erfordert.
Ammoniakstickstoff kann durch Bruchpunktchlorierung (break point chlorination) entfernt werden. Dieses Verfahren besitzt
den Nachteil, daß es einer genauen ρ -Steuerung bedarf und daß die Chlorzugabe die gelösten Feststoffe im Abwasser beträchtlich
erhöht.
Das Nitration kann durch Ionenaustausch entfernt werden, jedoch ist für die Synthese der selektiven Harze das knappe
petrochemische Ausgangsmaterial notwendig, und sie bedürfen
bei der Anwendung großer Mengen an korrosiven Regenerierungsmitteln,
wie Chlorwasserstoffsäure.
Stickstoff kann wirksam biologisch entfernt werden, indem zunächst das reduzierte Ammoniak und der organische Stickstoff
zu Nitratstickstoff oxydiert werden, wonach der oxydierte
Stickstoff durch biologische Reduktion zu elementarem Stickstoff überführt wird, der als Gas abgelassen wird.
Kloakenabwasser (sewage) enthält so-wohl organische und
anorganische stickstoffhaltige Materialien als auch kohlen-
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stoffhaltige Materialien. Beispielsweise enthält ein typisches
rohes Abwasser etwa 250 mg/l biologischen 5 Tage-Sauerstoffbedarf (BOD5) und 40 mg/l Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff (TKN),
davon etwa 30 mg/l in ammoniakalischer Form (NH^ oder NH^+).
Die übliche primäre Sedimentation verringert den BODc und TKN
auf etwa 175 mg/l bzw. 32 mg/l. Die anschließende aerobe biologische Behandlung, beispielsweise mit aktiviertem Schlamm
unter geeigneten Betriebsbedingungen, oxydiert den ammoniakalischen
Stickstoff zu Nitrit- und Nitratstickstoff, wobei der BOD1- wesentlich verringert wird. Die anschließende Behandlung
in einer Stufe, die heterotrophe Bakterien enthält, wo kein Sauerstoff zugegeben wird (anaerobe Bedingungen) und ausreichender
organischer Kohlenstoff anwesend ist, führt zur Reduktion von Nitratstickstoff zu elementarem Stickstoff, der in
Gasform abgegeben wird.
Organismen, die für die Oxydation von kohlenstoffhaltigem organischen
Material verantwortlich sind, sind allgegenwärtig, und werden im allgemeinen als überwiegend heterotrophe Organismen
erachtet, wie Zooglea, Pseudomonas und Chromobacterium, die organischen Kohlenstoff als Nahrung und Energiequelle benötigen.
Organismen, die für die Nitrifikation verantwortlich
sind, werden als chemotroph klassiert auf Grund ihrer Fähigkeit, anorganischen Kohlenstoff (COp) als ihre Kohlenstoffquelle
zu binden bzw. zu fixieren. Nitrosomonas und Nitrobacter
sind repräsentative Beispiele für die für die Nitrifikation verantwortliche Gruppe. Die Denitrifikation wird mit
Hilfe wahlfreier Organismen bewirkt, die in der Lage sind, den Sauerstoff in der Nitratform zu verwerten. Schematisch werden
die verschiedenen Transformationen wie folgt veranschaulicht:
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Heterotrophe
Organismen Organischer C + 0g > COg + HgO + Zellen
Nitrosoraonas
2NH"£ + 5O2
> 2NOg + 2H2O + 4H+
£ + 5O2
> 2NOg + 2H2
Nitrobacterium
2N0~
wahlfreie
+ organ. C > Ng +
Heterotrophe Organismen
Bei den üblichen biologischen Nitrifikations- und Denitrifikations-Systernen
ist die Wachstumsrate der für die Nitrifikation verantwortlichen Organismen viel geringer als für die
heterotrophen Organismen. Somit sind lange Zellen-Verweilzeiten notwendig, um eine lebensfähige nitrifizierende Masse
aufrechtzuerhalten, um das Auswaschen von Nitrifikatoren
entweder im Abstrom oder im verbrauchten Schlamm zu verhindern. Die Nitrifikationsrate hängt stark vom pH-Wert ab, wobei
der optimale Wert zwischen 7,5 und 8,5 liegt. Oftmals ist es notwendig, den Abwässern, die einen Alkalinitätsmangel aufweisen,
Alkalinität zu verleihen, um den pH-Wert im optimalen
Bereich für das Wachstum der Nitrifikatoren zu halten. Die Grundsätze, die das vorstehende Phänomen beherrschen, sind
in einer Veröffentlichung von Downing et al. (J.Inst.Sew.Purif.,
1961, S. 130) beschrieben.
Die Denitrifikation hängt nicht nur von der Masse der denitrifizierenden
Organismen, die im System anwesend sind, ab, sondern auch von dem Vorhandensein von organischem Kohlenstoff,
um Energie zu liefern und als Elektronendonator oder Sauerstoffakzeptor in der Denitrifikatipnsstufe zu wirken.
In der Praxis wird die Denitrifikationsrate durch"Bereitstel- ·
lung einer organischen Kohlenstoffquelle, wie Methanol, um die Denitrifikationsrate auf einem hohen Ausmaß zu halten,
beschleunigt.
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Ziel der Erfindung ist es, einen geeigneten Sauerstoffakzeptor
bereitzustellen, der anstelle von Acetat, Methanol oder anderen im Handel erhältlichen organischen, biologisch abbaubaren
Materialien, die als Sauerstoffakzeptor verwendet werden, verwendet
werden kann. Es ist auch besonders erwünscht, für die Entfernung und Rückgewinnung eines Teils des Stickstoffs für
ein Düngemittel zu sorgen, eine geeignete Alkalinität zur Aufrechterhaltung des p^-Wertes der nitrifizierenden Stufe
zu schaffen und wirtschaftliche Mittel zur Schlammbeseitigung zu liefern unter gleichzeitiger Erzielung der vorstehend genannten
Vorteile.
Die Erfindung ist eine Verbesserung des Verfahrens zur Stickstoffentfernung
aus einem Abwasser durch
a) Mischen von*Abwasser, das reduzierte stickstoffhaltige Verbindungen
enthält, mit aktiven nitrifizierenden Organismen und einem Sauerstoff enthaltenden Gas während einer ausreichenden
Zeit, um im wesentlichen das ganze stickstoffhaltige Material in die Nitratform zu überführen,
b) Abtrennen der nitrifizierenden Organismen und der angesammelten
Biomasse aus dem nitrifizierten Abwasserstrom, Rezirkulieren der abgetrennten nitrifizierenden Organismen
und angesammelten Biomasse in die Nitrifikations-Kontaktierstufe
und periodische oder kontinuierliche Entfernung eines Teils der angesammelten Biomasse aus der Nitrifizierungsstufe,
c) Kontaktieren des nitrifizierten Abwasserstroms mit heterotrophen
denitrifizierenden Bakterien während einer ausreichenden Zeit, um den Nitratstickstoff zu elementarem Stickstoff
zu reduzieren, und
d) Abtrennen der denitrifizierenden Organismen und der angesammelten
Biomasse aus dem denitrifizierten Abwasserstrom, Rezyklisieren der abgetrennten denitrifizierenden Organismen
und angesammelten Biomasse zur Denitrifikationsstufe und periodische oder kontinuierliche Entfernung eines Teils
der angesammelten Biomasse aus der Denitrxfizierungsstufe.
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Die Verbesserung umfaßt die Erwärmung der aus den nitrifizierenden
und denitrifizierenden Stufen entfernten Biomasse in Gegenwart eines Sauerstoff enthaltenden Gases bei einer
Temperatur von 175 bis 315°C und einem Sauerstoffpartialdruck
von 0,35 bis 17,6 kg/cm (5 bis 250 psi), um die Biomasse partiell zu oxydieren und im wesentlichen den ganzen
organischen Stickstoff in Ammoniakstickstoff zu überführen, das Abtrennen der festen Phase von der flüssigen Phase der
oxydierten Mischung, das Abstreifen von Ammoniak aus der flüssigen Phase und Führen der flüssigen Phase zur Denitrifizierungs-Kontaktier-Stufe,
um eine Quelle für organischen Kohlenstoff für die denitrifizierenden Organismen zu schaffen,
Als weiterer erfindungsgemäßer Gesichtspunkt kann die von den Nitrifikations- und Denitrifikations-Stufen entfernte
Biomasse vor ihrer partiellen Oxydation mit primärem Schlamm für die Sedimentation von rohem Abwasser oder mit jedem anderen
feinvermahlenen Abfallmaterial, das vorzugsweise einen
niedrigen Stickstoffgehalt aufweist, worin das Kohlenstoff/ Stickstoff-Verhältnis mindestens etwa 20:1 beträgt, vermischt
werden.
Die Erfindung schafft somit den wesentlichen wirtschaftlichen
Vorteil der Beseitigung von überschüssiger Biomasse und anderen Abfallmaterialien unter gleichzeitiger Bereitstellung
einer Energiequelle für die Denitrifikationsstufe.
Im folgenden wird auf die Figur Bezug genommen, die ein Fließschema
darstellt, das die Durchführung der Erfindung erläutert.
Rohes Abwasser 1 wird einer Vorbehandlung, wie Sieben und Kiesentfernung, 2 unterworfen. Der Abwasserstrom 3 wird gegebenenfalls
in einer primären Ben an dlu'ngs stufe 4 behandelt, die aus einem einfachen Absitzen besteht. Der primäre Abstrom
5 oder das rohe Kloakenabwasser wird mit aktiviertem Schlamm in einem aeroben Kontakttank 6 während einer ausreichenden
Zeit kontaktiert, um ein Wachstum der nitrifizieren-
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den Bakterien aufrechtzuerhalten bzw. zu unterstützen und zur Umwandlung von Stickstoffverbindungen zu Nitratstickstoff.
Luft 32 oder ein anderes Sauerstoff enthaltendes Gas wird dem Kontakttank zugegeben, um für ein Mischen zu sorgen und
aerobe Bedingungen aufrechtzuerhalten. In manchen Fällen wird Kalk, Sodaasche oder ein kaustisches Mittel 33 zugegeben,
um eine ausreichende Alkalinität aufrechtzuerhalten, um die bei der Oxydation des Stickstoffs gebildete Säure zu neutralisieren
und den pH-Wert des Systems auf einem optimalen Wert für das Wachstum der nitrifizierenden Bakterien zu halten,
Die nitrifizierenden Bakterien und angesammelte Biomasse 7 werden vom Abwasserstrom in einem Absetztank bzw. Klärtank 8
abgetrennt, von wo der unten abgehende Strom 15 zum Kontaktbehälter 6 rezyklisiert wird. Der nitrifizierte Abstrom 9
wird in einem Becken 10, das heterotrophe denitrifizierende Bakterien enthält, kontaktiert, worin der oxydierte Stickstoff
zu elementarem Stickstoff reduziert wird und vom Abwasserstrom abgestreift wird. Ein geeigneter Sauerstoffakzeptor
40, z.B. Methanol, wird dem Strom zugegeben, um die Denitrifikationsrate zu erhöhen. Die denitrifizierenden Bakterien
und die angesammelte Biomasse 11 werden vom denitrifizierten Abwasser in einem Klärtank 12 abgetrennt und zum denitrifizierenden
Kontaktbehäler 14 rezyklisiert. Der oben abgehende Strom 13 wird in anschließenden Behandlungsstufen, wie Sandfiltration
und Desinfektion, behandelt. Alternativ kann das nitrifizierte Abwasser 9 durch einen Festbettreaktor geleitet
werden, der auf einem geeigneten Medium, wie Kies, Sand, "Stein, Kunststoff oder Holz anhaftendes Wachstum enthält.
Die hier dargelegten Grundsätze sind gleichwohl anwendbar, ob ein fixiertes oder suspendiertes Wachstumsmedium verwendet
wird. Ein Teil der angesammelten biologischen Feststoffe aus den Nitrifikations- (A) und Denitrifikations-(B) Stufen
wird aus dem Verfahren 16 und 17 entfernt, wo er gegebenenfalls 18 mit primärem Schlamm 31 kontaktiert wird und in
einer Naßluft-Oxydations-Einheit 19 oxydiert wird, um gleichzeitig Schlammfeststoffe zu zerstören und löslichen BOD zu
liefern und organischen Stickstoff zu Ammoniakstickstoff umzuwandeln. Anderes organisches Abfallmaterial 36 kann nach
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geeigneter Behandlung bzw. Vorbehandlung zugetnischt werden
oder getrennt der Oxydationseinheit zugeführt werden, um eine partielle Oxydation und Auflösung zu erzielen. Geeignetes Material
ist jedes organische Material mit einem hohen Kohlenstoff/stickstoff-Verhältnis,
wie üblicher Hausmüll oder Zeitungspapier. Das Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis beträgt
vorzugsweise etwa 20:1 und wünschenswerterweise so viel wie 100:1. Die im oxydierten Schlamm enthaltenen Feststoffe werden
anschließend in einem Klärtank 21 abgetrennt. Die unten abfließenden Feststoffe 22 werden mit Hilfe üblicher Entwässerungsvorrichtung
en beseitigt, und der oben abfließende Strom 37 kann zur Denitrifikationsstufe (B) zurückgeführt
werden, um die Menge des benötigten Methanols zu ersetzen oder zu verringern. Wenn eine Verbesserung des BOD-zu-Stickstoff-Verhältrusses
erforderlich ist, wird die partiell oxydierte überstehende Flüssigkeit 3 7 durch einen Ammoniakabstreifer
24 oder eine andere geeignete Ammoniakentfernungsvorrichtung geleitet. Im Falle des Ammoniakabstreifens mit
Hilfe eines nicht-kondensierbaren Gases wird die ammoniakreiche Gasphase 27 einem Ammoniakabsorber 28 zugeführt. Bei
einem typischen Absorber wird das Gas 27 durch eine Schwefelsäurelösung 29 geleitet, um Ammoniumsulfat 30 zur Verwendung
als Düngemittel zu bilden. Kalk oder ein anderes kaustisches Material 34, z.B. Natriumhydroxyd, wird dem partiell oxydierten Strom 3 7 zugegeben, um den*ρ -Wert auf mindestens etwa
9,5 zu erhöhen, um die Wirksamkeit des Ammoniakabstreifens in der Abstreifkolonne 24 zu verbessern. Die Gasphase vom
Absorber 25 kann in die Atmosphäre abgelassen werden oder zur Abstreifvorrichtung rezyklisiert werden, um Wärme zu
sparen. Die Abstreifvorrichtung kann unter vermindertem Druck betrieben werden, um die Abstreifwirksamkeit zu erhöhen.
Die überstehende, von Ammoniak befreite Lösung 38 kann zur Denitrifizierungsstufe (B) rezyklisiert werden oder
in einem Klärtank 39 behandelt werden, um überschüssigen Kalk (eine Mischung aus Calciumcarbonat und Calciumhydroxyd), der
im Abfluß der Abstreifvorrichtung 24 enthalten ist, zu entfernen. Der unten abfließende Strom 35, der überschüssigen
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Kalk (lime) enthält, kann zum Einlaß der Nitrifikationsstufe (A) rezyklisiert werden, um den Bedarf der Alkalinitätszugabe
33 zur Nitrifikationsstufe zu ersetzen oder zu verringern,
Es sind auch andere Fließschemata möglich, was für den Fachmann selbstverständlich ist. Z.B. kann eine aerobe biologische
Behandlungsstufe zur Entfernung des kohlenstoffhaltigen BOD im Abwasser vor der Nitrifikationsstufe eingefügt werden,
wodurch der Sauerstoffbedarf der Nitrifikationsstufe verringert
wird und die Steuerung der Nitrifikations/Denitrifikations-Stufen verbessert wird. Dies ist das sogenannte Drei-Stufen-Nitrifikations/Denitrifikations-Sy
stern.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie jedoch einzuschränken.
Das folgende Beispiel veranschaulicht die Umwandlung von Stickstoff in Schlamm von organischem Stickstoff zu Ammoniakstickstoff
durch partielle Naßluftoxydation, die es ermöglicht, den Stickstoff zu entfernen, wodurch das BOD:N-Verhältnis
der überstehenden Flüssigkeit verbessert wird und sie für einen Methanol-Ersatz in der Denitrifikationsstufe
geeignet wird.
Proben von rohem Abwasserschlamm wurden unter verschiedenen Bedingungen (175 bis 2500C) oxydiert in einem Bereich von
13,8 % bis 81,4 % Oxydation. Nach der Oxydation wurde die Verteilung des Stickstoffs als Gesamt- und löslicher Kjeldahl-
und Ammoniak-Stickstoff bestimmt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle angegeben:
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Gesamter | NH^-N | Löslicher | NH^-N | Lö si ich .BODr- 0 |
|
% Oxydation | Kjeldahl-N | 0,62 | Kjeldahl-N | 0,59 | 11,900 |
15,8 | 1,15 | 0,85 | 1,04 | 0,77 | 1O1 240 |
55,6 | 1,14 | 0,88 | 1,00 | 0,84 | 7,200 |
66,1 | 1,07 | 1,05 | 0,98 | 0,99 | 6,150 |
81,4 | 1,09 | 1,02 | |||
Mit der Erhöhung des Oxydationsausmaßes nimmt "die Fraktion von
löslichem Stickstoff als Ammoniakstickstoff zu. Die Entfernung
des löslichen Ammoniakstickstoffs aus der gesamten oxydierten
Flüssigkeit führt zu folgenden BOD:N-Verhältnissen:
g/l Gesamt-Stickstoff, der Löslich. B0D:N-Ver-
% Oxydation nach d.Entfernen verbleibt BOD g/l hältnis
15,8 o,$6
55,6 0,37
66,1 · 0,25
81,4 otio
Ein BOD5:N-Verhältnis von etwa 20:1 würde nicht nennenswert das
Eindringen von Ammoniak oder organischem Stickstoff in den Abstrom verhindern.
Die Entfernung von unlöslichem Stickstoff von der überstehenden Flüssigkeit mit anschließendem Ammoniakentfernen erhöht nennenswert
das BOD:N-Verhältnis in der Flüssigkeit, wie aus der
folgenden Tabelle hervorgeht:
11, | 90 | 21, | 20 |
10, | 24 | 27t | 70 |
7, | 20 | 51, | 30 |
15 | 61, | 5 |
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Verbleibender . Stickstoff nach dem Entfernen,, q/l |
Löslich. BOD g/l |
BOD:N- Verhältnis |
0,45 | 11,90 | 26f4 |
0,25 | 10,24 | 44,5 |
0,14 | 7,20 | 51,5 |
0,05 | 6,15 | 205 |
j} Oxydation
15,8
55,6
66,1
81,4
15,8
55,6
66,1
81,4
Somit verbessern die Oxydation, Feststoffentfernung und das
Abstreifen das BOD:N-Verhältnis sehr, wodurch die überstehende
Flüssigkeit auf ideale Weise als Ersatz für Methanol in der Denitrifikationsstufe geeignet wird.
Das folgende Beispiel veranschaulicht, wie cellulosisches Material
verarbeitet werden kann, um löslichen BOD zu liefern und das BOD:N-Verhältnis von verarbeitetem Schlamm zu verbessern
durch Zugabe des cellulosischen Materials zum Schlamm vor
der Oxydation oder durch Oxydation desselben getrennt, um einen Methanol-Ersatz zu erhalten.
40 g/l Oxydationsbedingungen Oxydafcicjivon. Ce
clwomatogra phi sehe
Cellulose Temp. °C. Zeit, Min. % Oxydation EOD, g/l
240 0 7,1 2,78 250 50 46,5 5,18
240 50 74,5 7,06
Da die Cellulose wenig oder keinen Stickstoff enthält, stellt die Flüssigkeit einen idealen Ersatz für Methanol dar.
Das folgende Beispiel veranschaulicht, wie partiell oxydierter Schlamm von Ammoniakstickstoff abgetrennt werden kann, um das
BOD:N-Verhältnis der erhaltenen Flüssigkeit zu verbessern und
.. sie zur Verwendung als Ersatz für Methanol in der Denitrifikationsstufe geeignet zu machen.
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Die geklärte überstehende Flüssigkeit von einem oxydierten gemischten
primären und aktivierten Schlamm [l5,9 % Oxydation bei 175°C und 22,1 kg/cm2 (300 psig)]wurde mit 8,0 g/l Ca(OH)2
behandelt, um ihren pH-Wert auf 12,0 einzustellen. Die Probe
wurde bei Raumtemperatur einige Stunden belüftet, wobei folgendes erzielt wurde:
0,47 | 4,53 | 5,45 |
0,15 | 4,53 | 9,85 |
0,05 | 4,53 | 10,50 |
0,05 | .4,53 ' | 10,01 |
Oj 04 | 4,53 | 9r25 |
0,04 | 4,53 | .9,05 |
Zeit, Std. Gesamt stick stoff g/1 NH^5-N, g/l BOD^, g/l B0D:N
0 0,83 .
1 0,46
2 0,43
3 0,45
4 ; 0,49
5 0,50
Somit wird das BOD:N-Verhältnis von 5,45 auf 9,05 durch Entfernen
des Ammoniakstickstoffs von der Flüssigkeit verbessert.
Die Aufschlämmung nach der Behandlung besaß einen p„-Wert von
12,0 und enthielt überschüssigen Kalk. Dieser Kalk wurde zu der Nitrifikationsstufe rezyklisiert, um bei Bedarf Alkalinität
sicherzustellen. Bei der vorstehenden behandelten Probe wurde die Aufschlämmung nach der.Ammoniakentfernung geklärt,
wobei eine Aufschlämmung erhalten wurde, die 3,77 g/l ausgefälltes
Calciumcarbonat und Calciumhydroxyd enthielt.
Dieses Beispiel dient zur Veranschaulichung, wie eine partiell oxydierte überstehende Flüssigkeit in einem Nitrifikations/üenitrifikations-Systera
als geeigneter Sauerstoffakzeptor verwendet werden kann. Eine Laborversuchsanlage als biologisches
Nitrifikations/Denitrifikations-System wurde mit einem primären
städtischen Abwasserabstrom betrieben. Beim anfänglichen Betrieb des Systems wurde Methanol als Wasserstoffdonator
(Sauerstoffakzeptor) in der Denitrifikationsstufe verwendet.
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Nachdem die Denitrifikation eingeführt bzw. etabliert wurde, wurde das Überstehende von einem partiell oxydierten Schlamm
anstelle von Methanol eingesetzt, wobei eine kleine oder keine Veränderung der Denitrifikationsrate eintrat. Am Ende des
Experiments wurde die Beschickung der überstehenden Flüssigkeit beendet, und die Denitrifikation klang ab, was anzeigte,
daß die überstehende Flüssigkeit ein geeigneter Ersatz für Methanol war.
Ein rohes Abwasser bzw. Kloakenabwasser, enthaltend etwa 50 mg/l Gesamtstickstoff, wurde in einem zweistufigen biologischen Nitrifikations/Denitrifikations-System
behandelt. Methanol wurde der Denitrifikationsstufe in einer Rate von 88 mg/l COD-Xquivalent
zugegeben, Nitratstickstoff wurde von 16,9 mg/l auf 3,2 mg/l innerhalb des Denitrifikationssystems verringert.
Eine partiell oxydierte überstehende Flüssigkeit [abgeleitet von einem gemischten primären und aktivierten Abfallschlamm,
bei 200°C und 25,3 kg/cm2 (350 psig) oxydiert], von der der Ammoniakstickstoff vorher abgetrennt worden war, wurde für
das Methanol ersetzt. Die Verringerung des Nitratstickstoffs
vpn 15,4 mg/l auf 2,4 mg/l wurde erzielt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt:
Ein NO-. Aus . 3
Methanol bei 88 mg/l 16,9 3,2
Methanol bei 22 mg/l 15,4 2.4
Überstehende Flüssigkeit bei
88 mg/l
Kein Methanol oder IR 8 T=S ς
überstehende Flüssigkeit * 1^
Die Beschickung von sowohl Methanol als auch partiell oxydierter überstehender Flüssigkeit wurde eingestellt und die Denitrifikation
beendet. Das Beispiel veranschaulicht die Brauchbarkeit der überstehenden Flüssigkeit als Methanol-Ersatz.
Das folgende Beispiel veranschaulicht, wie die vorstehenden
Grundsätze in ein übliches Abwasserbehandlungssystem inte-
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griert werden können. Zum Zwecke der Veranschaulichung wird davon ausgegangen, daß 4 Millionen Liter Abwasser behandelt
werden sollen und daß Vorbehandlung, primäre Sedimentation, Nitrifikation und Denitrifikation in den Behandlungsstufen
eingeschlossen sind.
Rohes Abwasser bzw. Kloakenabwasser wird einer Vorbehandlung unterworfen, die aus einem Sieben und einer Kiesentfernung
besteht, und einer primären Behandlung unterzogen. Die Leistung ist der nachstehenden Tabelle zu entnehmen:
Rohes Abwasser |
kg/Tag 757 |
Primärer | Abstrom | Primärer Schlamm |
kg/Tag 579 |
|
Suspendierte Feststoffe |
mg/1 200 |
948 | ms/i 100 |
kg/Tag 579 |
Eil 4o,o |
- |
BOD | 250 | 95 | 175 | 662 | - | 15,9 |
TKN | 25,0 | 57 | 2I1O | 79 | 1,68 | 0 |
15,0 | 0 | 15,0 | 57 | - | 0 | |
NO " | 0 | 0 | 0 | 0 |
Der primäre Abstrom wird in einem aktivierten Schlammsystem behandelt, in dem die Feststoffverweilzeit ausreicht, um nitrifizierende
Bakterien im System beizubehalten und im wesentlichen den ganzen Ammoniakstickstoff im System zu Nitratstickstoff
zu überführen. In der folgenden Tabelle ist die Leistung des nitrifizierenden Systems zusammengefaßt:
NitriELkations-Pritnärer
Abstrom Nitrifikations-Abstrom Abfall schlamm
mg/1 | kg/ Tag | ms/1 | kg/Tag | sZi | kg/Tag | |
Suspendierte Feststoffe |
100 | 579 | 10 | 57,6 | 40,0 | 585 |
BOD | 175 | 662 | 10 | ' 57,6 | - | ■ - |
TKN | 21,0 | 79 | 2,0 | 7,6 | 1,61 | 25,6 |
hhJ-h | 15,0 | 57 | 3,8 | - | - | |
NO"-N | O | 0 | 14,0 | 54,4 | - | - |
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Beim Nitrifikatxonsverfahren werden etwa 54,4 kg/Tag Nitratstickstoff
produziert. Um einen angemessenen pH-Wert im Nitrifikationssystem
aufrechtzuerhalten, kann die Zugabe von Alkalinität notwendig sein.
Der nitrifizierte Abstrom wird dann in einer biologischen Deni trif ikationsstüfe behandelt, in der der Nitratstickstoff
zu elementarem Stickstoff reduziert und entfernt wird. Die nachstehende Tabelle veranschaulicht typische Leistungen der
Denitrifikations stufe:
Nitrifika- tionsabstrom |
Denitrifika- tionsabstrom |
kg/Taq 19,1 |
Denitrifikations abfall schlamm |
|
Suspendierte Feststoffe |
mg/1 kg/Ta.a 10 37,6 |
5,0 | 19,1 | g/l kg/Tag 40 78,9 |
BO» | 10 37,6 | 5f0 | 7,6 | - ■ _ |
ICKN | 2,0 7,6 | .2,0 | 3,8 | 1,5 2,9 |
Mi? | I1O 3r8 | 1,0 | Ii 9 | - ■ . |
KO,- | 14,0 54,4 | 0,5 |
In der Denitrifikationsstufe werden etwa 53 kg/Tag Stickstoff durch Reduktion zu elementarem Stickstoff entfernt. In üblichen
Systemen erfordert dies etwa 2,1 kg Methanol (2,5 kg BOD-Äquivalent) pro kg Stickstoff, um die Stickstoffreduktion bei
einer angemessenen Rate zu halten, oder der Gesamt-Methanol-Bedarf beträgt 23 7 kg (290 kg BOD-Äquivalent) pro Tag.
Die kombinierten Schlämme können wie folgt charakterisiert werden:
Denitri-
Primär Nitrifikation fikation Insgesamt
mg/1 kg/Tag mg/1 kg/Tag mg/1 kg2ZH] S/l kg/Tag
Liter/Tag 9 250 14 300 1 630 25
Festl?ofIf6 4°i ° 579 4°i ° 585 .40,0 66,2 40,0 IO31
1,68 15,9 1.61 23,6 1,5 2,9 1,65
609815/0913
Der kombinierte Schlamm von dem System wird einer partiellen
Naßluftoxydation bei 200°C und 25,6 kg/cm (350 psig) und einer Sedimentation unterworfen. Die Charakteristika der
überstehenden Flüssigkeit vor und nach der Ammoniak-Entfernung
sind wie folgt:
Vor der Ammoniak- | Nach der Ammonxak- | |
Entfernung | Entfernung | |
Liter/Tag. | 26 350 | |
k/1 kg/Tag | g/l kg/Tag | |
Löslich.BOD5 | 5,0 126 | 5,0 126 |
TiCN | 1,59 40,1 | 0,16 4,0 |
NHt-N | 1,50 57,8 | 0,07 1,8 |
Das BOD:N-Verhältnis der überstehenden Flüssigkeit beträgt
31,2, so daß sie ein geeignetes Material zum Ersatz von Methanol in der Denitrifikationsstufe darstellt. Die Klärung
der entfernten Flüssigkeit führt zu einem unten abgehenden Strom, der soviel wie 710 mg/l CaCOg-Alkalinitätsäquivalente
enthält, der zur Neutralisation der bei der Nitrifikation
gebildeten Säure verwendet werden kann.
Im partiellen Naßluftoxydationsr-Verfahren kann das Ausmaß "
der Oxydation der anwesenden organischen Substanzen im Bereich von etwa 15 bis etwa 95 % liegen.
609815/0913
Claims (7)
- Patentansprüche/ 1.)Verfahren zur Stickstoffentfernung aus einem Abwasser, indem mana) Abwasser, das reduzierte stickstoffhaltige Verbindungen enthält, mit aktiven nitrifizierenden Organismen und einem Sauerstoff enthaltenden Gas während einer ausreichenden Zeit vermischt, um im wesentlichen das ganze stickstoffhaltige Material in die Nitratform zu überführen ,b) die nitrifizierenden Organismen und die angesammelte Biomasse aus dem nitrifizierten Abwasserstrom abtrennt, die abgetrennten nitrifizierenden Organismen und die angesammelte Biomasse zur Nitrifikations-Kontaktier-Stufe rezyklisiert und periodisch oder kontinuierlich einen Teil der angesammelten Biomasse aus der nitrifizierenden Stufe entfernt,c) den nitrifizierten Abwasserstrom mit heterotrophen denitrifizierenden Bakterien in Gegenwart einer Quelle für organischen Kohlenstoff während einer ausreichenden Zeit kontaktiert, um den Nitratstickstoff zu elementarem Stickstoff zu reduzieren, undd) die denitrifizierenden Organismen und die angesammelte Biomasse aus dem denitrifizierten Abwasserstrom abtrennt, die abgetrennten denitrifizierenden Organismen und die angesammelte Biomasse zur Denitrifikationsstufe rezyklisiert und periodisch oder kontinuierlich einen Teil der angesammelten Biomasse aus der denitrifizierenden Stufe entfernt,dadurch gekennzeichnet, daß man die 'aus den nitrifizierenden und denitrifizierenden Stufen entnommene Biomasse in Gegenwart eines Sauerstoff enthaltenden Gases bei einer Temperatur von 175 bis 315°C und einem Sauerstoffpartialdruck von 0,35 bis 17,6 kg/cm2 (5 bis 250 psi) erhitzt,609815/Q913um die Biomasse partiell zu oxydieren und im wesentlichen den ganzen organischen Stickstoff zu Ammoniakstickstoff zu überführen, die feste Phase von der flüssigen Phase der oxydierten Mischung abtrennt, Ammoniak von der flüssigen Phase entfernt und die flüssige Phase zur denitrifizierenden Kontaktstufe führt, um eine Quelle für organischen Kohlenstoff in der denitrifizierenden Stufe c) zu liefern.
- 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der partiellen Oxydation zu unterwerfende Biomasse mit primärem Schlamm aus der Sedimentation des rohen Abwassers vermischt wird.
- 3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der partiellen Oxydation zu unterwerfende Biomasse mit feinvermahlenem Material mit einem niedrigen Stickstoffgehalt vermischt wird,_um dadurch eine flüssige Phase zu erhalten, die ein höheres Kohlenstoff:Stickstoffverhältnis aufweist als in der flüssigen Phase, die durch Oxydation der Biomasse allein erhalten wird.
- 4.. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man der flüssigen Phase,die von der partiellen Oxydation der Biomasse abgeleitet ist, eine alkalische Substanz zufügt, um den p„-Wert auf mindestens 9,5 zu erhöhen, Ammoniak von dieser flüssigen Phase abstreift und diese flüssige Phase, die von Ammoniak befreit wurde, zur denitrifizierenden Kontaktstufe führt.
- 5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ammoniak von der flüssigen Phase dadurch abgestreift wird, daß man ein nicht-kondensierbares Gas durch die flüssige Phase leitet und das nicht-kondensierbare Gas dann durch .ein Ammoniak-Absorptionsgefäß geleitet wird und durch die flüssige Phase rezirkuliert wird.809815/0913
- 6· Verfahren gemäß den Patentansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das alkalische Material Natriumhydroxyd ist.
- 7. Verfahren gemäß den Patentansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das alkalische Material Kalk ist und ein Rückstand einer Mischung aus Calciumcarbonat und CaI-ciumhydroxyd gebildet wird.8w Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstand aus Calciumcarbonat und Calciumhydroxyd zur Stufe a) des Verfahrens gemäß Anspruch 1 geführt wird.609815/0913Leerseite
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