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Verfahren zur umweltgerechten Nitrifikation von Abwässern - Dokument DE4101244A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4101244A1 11.07.1991
Titel Verfahren zur umweltgerechten Nitrifikation von Abwässern
Anmelder Vollmer, Gerd-Rainer, Dipl.-Chem. Dr.sc.nat.;
Franzke, Gudrun, Dipl.-Chem.;
Taeger, Martin, Dipl.-Bio-Phys., O-5500 Nordhausen, DE
Erfinder Franzke, Gudrun, Dipl.-Chem.;
Taeger, Martin, Dipl.-Bio-Phys., O-5500 Nordhausen, DE;
Vollmer, Gerd-Rainer, Dipl.-Chem. Dr.sc.nat.
DE-Anmeldedatum 17.01.1991
DE-Aktenzeichen 4101244
Offenlegungstag 11.07.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.07.1991
IPC-Hauptklasse C02F 3/08
IPC additional class // C02F 3/30,A01C 3/02  
Zusammenfassung Die bekannten Verfahren der Nitrifikation sind durch die hohe Belüftungsintensität von einer in Abhängigkeit von der Stickstoffkonzentration erheblichen Desorption von Ammoniak begleitet. Weiterhin sind die Nitrifikationsgeschwindigkeiten in konventionellen Belebungsbecken gering.
Beim neuen Verfahren soll die Ammoniakemission erheblich reduziert werden, gleichzeitig soll durch Immobilisierung von Nitrifikanten der Stoffumsatz erhöht werden.
Die Reaktionsmasse im Bioreaktor wird mit dauerhaft aufschwimmenden Trägermaterial überschichtet, das von den Mikroorganismen überwachsen wird. Dazu ist eine ausreichende Kontaktierung zwischen Trägermaterial und Abwasser-Luft/Gas-Gemisch im Bioreaktor gewährleistet. Die mit Schadstoffen angereicherte Abluft durchströmt die Aufwuchsträger und wird so gereinigt.
Stickstoffeliminierung aus landwirtschaftlichen, kommunalen und industriellen Abwässern.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung, insbesondere zur biologischen Nitrifikation von Abwässern landwirtschaftlicher, kommunaler und industrieller Herkunft.

Die gegenwärtig betriebenen Verfahren der biologischen Nitrifikation werden als Belebungsanlagen meist in offenen Becken betrieben (DD 1 33 786, DD 1 47 091, DE 21 01 376, DE 28 12 813).

Die Stoffumsatzgeschwindigkeiten in solchen offenen Becken sind niedrig, die Beckenvolumina müssen infolgedessen sehr groß dimensioniert werden.

Aus diesem Grund wird versucht, die Stoffumsatzgeschwindigkeit durch Immobilisierung der an der Stickstoffoxydation beteiligten Mikroorganismen im Reaktionsraum zu erhöhen. Dazu werden den Mikroorganismen Träger als Bewuchsflächen angeboten, die im Biogasreaktor zurückgehalten oder zurückgeführt werden. Als Trägermaterialien kommen u. a. Filterasche (DD 2 73 050), Generatorasche (DD 2 51 121) Steinkohlenkoks (DD 2 72 458) Hochofenschlacke (DE 37 26 201) verschiedene Kunststoffe wie Polyetherschaum (DD 2 69 610); Nylon, PVC, Polyester (DE 27 42 894) Polyurethanschaum (DE 31 41 989), Aktivkohle (DE 21 01 376; DE 28 12 813; DE 30 43 820; US 48 10 386) sowie auch anorganische poröse Träger (JP 62-1 86 997) zum Einsatz.

Die Aufwuchsträger können auch an Haltekonstruktionen befestigte Flächen sein (DD 2 61 495).

Neben diesen meist horizontal durchflossenen Becken werden auch vertikal durchflossene Systeme beschrieben. Nach DD 2 48 998 werden in einem Vertikalreaktor, bestehend aus einem Schacht und einem Zentralrohr, Aufwuchsträger als Strömungsabweiser am Zentralrohr angeordnet.

Die genannten Verfahren haben alle den Mangel, daß die Begasung zu Desorptionen und damit zur teilweisen Verlagerung der Umweltprobleme vom Wasser in die Luft erfolgt. Insbesondere für Abwässer mit hohen Stickstoffkonzentrationen wie Gülle ist die Belüftung mit erheblichen Ammoniakdesorptionen verbunden.

Die Abgase solcher Reaktorsysteme bedürfen - soweit technisch überhaupt realisierbar - einer weiteren Behandlung (DE 31 15 448).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei hohen Stoffumsätzen die Ammoniakemission aus solchen Nitrifikationssystemen drastisch zu senken. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Abwasser- Luft/Gas-Gemisch in einem als Rührkessel ausgelegten Bioreaktor mit schwimmenden Aufwuchsträgern überschichtet wird, die 20 bis 50% des Bioreaktorvolumens einnehmen, d. h. daß der ohnehin notwendige Luftraum über die Reaktionsmasse mit diesen Aufwuchsträgern aufgefüllt wird. Dabei ist die Begasung so ausgelegt, daß zwischen Oberfläche des Abwasser-Luft/Gas-Gemisches und Träger eine hohe Turbulenz mit ständigem Stoffaustausch gewährt wird und daß die Gelöstsauerstoffkonzentration 0,3 bis 3,5 mg/l beträgt. Die Aufwuchsträger werden von den Nitrifikanten besiedelt und wirken so als biologischer Filter für die den Bioreaktor verlassende Abluft. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird damit simultan sowohl eine Nitrifikation als auch eine Reinigung der mit Ammoniak angereicherten Abluft in einem einzigen Bioreaktorsystem durchgeführt.

Durch die ständige und intensive Kontaktierung zwischen Aufwuchsträgern und Reaktionsmasse/Biomasse werden gleichzeitig hohe Nitrifikationsgeschwindigkeiten erzielt, wobei auch die Trägermaterialien untereinander einer ständigen Durchmischung unterliegen. Die Biomasse, die auf den Trägerteilchen fixiert ist, erfüllt eine doppelte Funktion.

Erstens werden die im Abwasser vorhandenen Ammoniumverbindungen zu Nitrat oxydiert und zweitens wird die Abluft des Reaktors gereinigt.

Die von den Trägern sich lösende Biomasse kann vom Abwasser in einem dem Bioreaktor nachgeschalteten Absetzbehälter getrennt und teilweise in den Bioreaktor zurückgeführt werden, womit die Mikroorganismenkonzentration weiter künstlich erhöht werden kann.

Für die Bauausführung des verwendeten Bioreaktors kommen die an sich bekannten in Frage. Mit Vorteilen kommen Begasungssysteme zum Einsatz, die nach dem Injektorprinzip arbeiten, wodurch die Stoffübergänge zwischen den einzelnen Reaktionsphasen weiter intensiviert werden.

Als Trägermaterialien werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dauerhaft aufschwimmende makroporöse Stoffe mit Korngrößen zwischen 3 und 200 mm verwendet, vorzugsweise organische Polymere wie Polyurethanschaum oder Polyetherschaum.

Nachfolgend sei die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die zur Stickstoffreduzierung vorgesehene Gülle aus einem Schweinezuchtbetrieb wird zunächst in einer Biogasanlage von Kohlenstoff entlastet. Aus dem Ablauf des Biogasreaktors wird nach Sedimentation absetzbarer Stoffe ein Faulwasser mit folgenden relevanten mittleren Stoffkennwerten gewonnen:

TS = 8,3 kg/t

pH = 8,1

NO&sub3;- = 0,03 kg/t

NK = 2,15 kg/t

NH&sub4;+-N = 2,05 kg/t

Die Nitrifikation verläuft bei einer Temperatur von 30°C und einer mittleren Verweilzeit von 24 Stunden in einem Tauchstrahlfermentor, dessen Reaktionsmasse mit 25% - bezogen auf das Fermentorvolumen - Trägermaterial aus Polyurethanschaumkugeln (Durchmesser 10 mm) überschichtet ist. Die Begasungsintensität beträgt 6 m³ Luft/m³ Bioraum und Stunde, die Gelöstsauerstoffkonzentration 0,6 mg/l.

Der Fermentorablauf ist durch folgende Stoffkennwerte gekennzeichnet:

TS = 5,7 kg/t

pH = 8,2

NO&sub3;- = 0,81 kg/t

NK = 1,15 kg/t

NH&sub4;-N = 0,97 kg/t

Die Nitrifikationsgeschwindigkeiten liegen im Bereich zwischen 150 mg/g · d und 200 mg/g · d. Ein in diesem Bereich durchgeführter Vergleichsversuch mit Schaumgummi als in der Reaktionsmasse schwimmendem Träger ergab einen Nitratgehalt von 0,69 kg/t. Der Vergleich der Ammoniakgehalte in der Abluft ergab, daß sich durch das erfindungsgemäße Verfahren der abgestrippte Ammoniak auf unter 3% bezogen auf die Gesamtstickstoffmenge reduzieren läßt.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

  • - Erhöhung der Nitrifikationsgeschwindigkeit und der Abbauleistung und damit Reduzierung der Beckenvolumina.
  • - Nitrifikation und Abluftreinigung in einem geschlossenen Verfahrenszug.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur umweltgerechten Nitrifikation von Abwässern mittels immobilisierter Mikroorganismen in einem als Rührkessel betriebenen Bioreaktor gekennzeichnet dadurch,

    daß über dem Abwasser-Luft/Gas-Gemisch 20 bis 50% des Volumens des Bioreaktors mit schwimmenden Aufwuchsträgern aufgefüllt werden und die mit Schadstoffen angereicherte Abluft diese Aufwuchsträger durchströmt, wobei die Begasung der Reaktionsmasse eine ausreichende Kontaktierung zwischen Trägermaterial und Reaktionsmasse gewährleistet und die Gelöstsauerstoffkonzentration 0,2 bis 3,5 mg/l beträgt,

    daß das Abwasser einer Nachklärung in einem Absetzgefäß unterzogen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des sich absetzenden Schlammes in den Bioreaktor zurückgeführt werden kann.






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