DE102007002107A1

DE102007002107A1 - Verfahren zur Entfernung von Ammoniumstickstoff aus Abwasser

Info

Publication number: DE102007002107A1
Application number: DE200710002107
Authority: DE
Inventors: Hermann Prof. Dr. Matschiner; Horst Berbrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-17

Abstract

Die biologische Abwasserbehandlung, bei der Ammoniumstickstoff zunächst zu Nitrat oxidiert und dann zu Stickstoff reduziert wird, erfordert einen hohen Sauerstoffeintrag bzw. Energiebedarf. Daher wird in jüngster Zeit versucht, die Ammoniumoxidation nur bis zum Nitrit zu führen und dieses zu Stickstoff zu reduzieren. Dabei müssen jedoch enge Grenzen für ein ausreichendes Wachstum der Ammoniumoxidierer zur Unterdrückung der Nitratbildung eingehalten werden, um eine günstige Raum-Zeit-Ausbeute zu erzielen. Dies ist vielfach schwer zu realisieren. Das neue Verfahren soll bei der biologischen Behandlung von stark ammoniumstickstoffhaltigen Abwässern die Bildung von Nitrat hemmen und die Stickstoffbildung fördern sowie sich durch einen hohen Stoffaustausch auszeichnen. Ammoniumstickstoffhaltigem Abwasser werden bei der biologischen Abwasserbehandlung Pulse aufgeprägt, deren Frequenz abgestimmt ist auf die Eigenfrequenz der Gasblasen des zugeführten Luftsauerstoffs oder im Abwasser-Belebtschlamm-System enthaltener schwingfähiger Teilchen. Die Pulse können z. B. durch einen gepulsten Gasstrom, Pulsatoren, mit Hilfe von nicht gleichmäßig fördernden Pumpen oder ein alternierend moduliertes Magnetfeld erzeugt werden.

Description

Ammoniak ist stark fischgiftig und beeinflusst es in höheren Konzentrationen das Wachstum und Leben von Pflanzen und Mikroorganismen negativ. Daher ist seine Entfernung aus Abwasser dringend erforderlich. Das betrifft insbesondere die stark NH₄-haltigen Abwässer wie Deponiesickerwässer oder anaerob vorbehandelte Abwässer und solche mit sehr ungünstigem N/BSB₅-Verhältnis.
Zur Entfernung von Ammoniumstickstoffverbindungen aus Abwasser sind zahlreiche Verfahren bekannt, die zum großen Teil auch in der Praxis eingesetzt werden. So kann Ammoniak z. B. durch Strippingverfahren zurückgewonnen oder durch Fällung als NH₄MgPO₄ abgetrennt werden [J. Briesovsky, H. Matschiner, Deponiesickerwasserbehandlung mit Wertstoffgewinnung, Berichte Ökologische Stoffverwertung (2000) 68–74].
Bei vielen Verfahren werden Ammoniumstickstoffverbindungen aus chemischer Sicht oxidiert. So werden bei der klassischen biologischen Abwasserbehandlung in einer ersten Reaktionsstufe, Ammoniumionen über Nitrit zu Nitrat oxidiert. In einer zweiten Stufe wird unter anaeroben Bedingungen Nitrat mit Hilfe von entsprechenden Bakterien zu Stickstoff reduziert.
Diese biologische Abwasserbehandlung erfordert einen hohen Sauerstoffeintrag bzw. Energiebedarf zur Erzeugung der Nitrationen. Zur Reduktion der Nitrationen ist dann ein Reduktionsmittel, i. d. R. eine externe Kohlenstoffquelle, erforderlich. Dies sind aufwendige und teure Verfahrensstufen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist ferner, dass die zur bakteriellen Nitrateliminierung erforderlichen anaeroben Bedingungen das Auftreten pathogener, starke Gifte ausscheidende Bakterien begünstigen. Ein weiterer Nachteil ist, dass große Mengen Überschussschlamm anfallen, die entsorgt werden müssen.
Weiterhin ist der Stofftransport nicht unproblematisch, da er Probleme beim Betreiben solcher Kläranlagen verursacht.
In jüngster Zeit wird deshalb versucht, die Ammoniumoxidation nur bis zum Nitrit zu führen und dieses zu Stickstoff zu reduzieren. Auf diese Weise sind sowohl Einsparungen an Energiekosten als auch für die externen Kohlenstoffquellen möglich.
Ein Problem dieses Verfahrens ist allerdings, dass Ammonium- und Nitritoxidierer nahezu die gleichen Bedingungen für ein ausreichendes Wachstum beanspruchen und nur durch Einhaltung enger Grenzen eine erfolgreiche Unterdrückung der Nitratbildung möglich ist. Das betrifft insbesondere die Sauerstoff-, Ammoniak- und Nitritkonzentrationen. Nach bislang bekanntem Stand der Technik ist insbesondere eine limitierende Sauerstoffzufuhr Voraussetzung für diesen Reaktionsverlauf, was zur Folge hat, dass die Raum-Zeit-Ausbeute solcher Kläranlagen gering ist.
Ammoniak und Nitrit sind einerseits Reaktionspartner für die Bildung von Stickstoff, hemmen aber andererseits in höheren Konzentrationen auch das Wachstum der erforderlichen Mikroorganismen.
Bei diesem Verfahren sind zwei aufeinander aufbauende Prozeßschritte erforderlich, die biokatalysierte Oxidation von Ammoniak zu Nitrit und die anaerobe Umsetzung zu Stickstoff. Die beiden Stufen müssen aber nicht zwingend in verschiedenen Reaktoren ablaufen. Die räumliche Trennung der beiden Reaktionen ist auch innerhalb eines Biofilms aus den eingesetzten Mikroorganismen, die sich auf einem Träger befinden, möglich, wobei angenommen wird, dass NH₃ in der äußeren aeroben Schicht zu Nitrit oxidiert wird, welches zusammen mit dem verbleibenden Ammoniak in tiefere Schichten des Biofilms diffundiert und dort zu N₂ reduziert wird.
Es ist auch bekannt, dass eine Reihe von Mikroorganismen wie Nitrosomonas europaea, Nitrosomonas eutropha oder Thiosphera pantopha in der Lage ist, sowohl Ammoniumstickstoff zu oxidieren als auch die dabei gebildeten Oxidationsprodukte zu Stickstoff umzusetzen [ DE 699 10 849 ].
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für Abwässer mit einem hohen Gehalt an Ammoniumstickstoff ein Verfahren zu dessen biologischer Oxidation zu Stickstoff zu entwickeln, bei dem die Bildung von Nitrat gehemmt sowie die Stickstoffbildung gefördert wird und das sich zudem insbesondere durch einen hohen Stoffaustausch auszeichnet.
Dieses Problem wird gemäß Patentanspruch 1 gelöst, indem ammoniumstickstoffhaltigem Abwasser bei der biologischen Abwasserbehandlung Pulse aufgeprägt werden, deren Frequenz abgestimmt ist auf die Eigenfrequenz der Gasblasen des zugeführten Luftsauerstoffs oder im Abwasser-Belebtschlamm-System enthaltener schwingfähiger Teilchen. Günstige Bedingungen für die Abwasserbehandlung sind ein pH-Wertes zwischen 7,5 bis 8,5 und Temperaturen zwischen 20 bis 35°C.
Es wurde festgestellt, dass bei dieser Verfahrensweise sowohl die Nitratbildung in den Biofilmen gehemmt als auch der Stofftransport innerhalb der Lösung beschleunigt wird, der zugleich eine Voraussetzung für eine optimale Ausbildung der Biomasse bei limitiertem Sauerstoffangebot ist. Das betrifft insbesondere das Wachstum von Anammoxybakterien und Nitrifikanten, da zudem örtliche Übersättigungen von Nitrit, Sauerstoff und Ammoniak ver hindert werden.
Das Pulsieren bewirkt einerseits eine rasche Durchmischung und andererseits eine Beschleunigung der Geschwindigkeit der Gaslöslichkeit, ohne dass, wie beim Einsatz von Rührern, Scherkräfte auftreten, die die Mikroorganismen schädigen. Gegen Scherkräfte sind insbesondere die heute vielfach eingesetzten deammonifizierenden Mikroorganismen wie Nitrosomonas europaea, Nitrosomonas eutropha und Thiosphera pantopha sehr empfindlich. Gleichzeitig wird ein Verklumpen der Mikroorganismen verhindert und somit eine große Oberfläche der Biomasse erzeugt. Die gepulste Fahrweise ist in vielen Kläranlagen einsetzbar.
Ein weiterer Vorteil der gepulsten Fahrweise ist außerdem, dass gleichzeitig die Kalkablagerungen in den Biofilmen verhindert werden können.
In den zu reinigenden Abwässern können die Pulse auf verschiedene Weise erzeugt werden, z. B. durch einen gepulsten Gasstrom, Pulsatoren, wie Kolbenpulsatoren, Gaspulsatoren, Membranpulsatoren, sowie mit Hilfe von nicht gleichmäßig fördernden Pumpen oder kurzzeitiges Unterbrechen einer Rohrströmung oder durch ein alternierend moduliertes Magnetfeld. Aus energetischer Sicht ist es günstig, wenn durch die Pulse schwingfähige Systeme angeregt werden.
Wie bei jedem Schwingungsvorgang erfordert eine optimale Energieübertragung, dass die Eigenfrequenz des anregenden und des anzuregenden schwingfähigen Systems weitgehend übereinstimmen sowie die Anregung zum richtigen Zeitpunkt erfolgt. Das ist möglich durch eine direkte Erfassung der Eigenfrequenz bzw. die Analyse des gesamten Frequenzspektrums. Auch eine Auswertung der Übertragungskräfte zwischen dem Antrieb und dem schwingfähigen System kann zur Regelung der Antriebfrequenz der Pulsatoren genutzt werden [J. Briesovsky, H. Matschiner, Resonante Pulsationen in Fluiden, Halle(Saale) 2006].
Ein alternierend moduliertes Magnetfeld für den gepulsten Eintrag von Energie in einen Abwasserstrom wird vorteilhaft erzeugt durch Befestigung von Magnetspulen auf einer für magnetische Felder durchlässigen Rohrleitung, durch die das zu behandelnde Wasser strömt bzw. gepumpt wird.
Die Resonanzfrequenz ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Behandlungsrohr. Diese ist gegeben durch die Pumpgeschwindigkeit, die Momentanströmungsgeschwindigkeit kann aber auch in bekannter Weise durch direkte oder indirekte Messung ermittelt werden und als Steuergröße zur Einstellung der optimalen Frequenz des alternierenden magnetischen Wechselfeldes dienen.
Zur Erzeugung des alternierenden magnetischen Feldes wird beispielsweise ein als spannungsgesteuerter Oszillator ausgebildeter Generator von einem seine Impulsfolgefrequenz beeinflussenden Rampengenerator angesteuert. Dieser erzeugt ein Rampensignal, das einem als Stromquelle für die Magnetspule dienenden Verstärker zugeführt wird [ EP 0460248 ].
Als Trägermaterialien für die Mikroorganismen eignen sich u. a. Kalk und Schiefer wie in den Patentschriften AT 402 918 B und AT 403 046 B beschrieben, die den Vorteil haben, dass sie billig sind und zudem die bei der biologischen Oxidation von Ammoniak gebildeten Protonen im optimalen pH-Bereich puffern sowie gleichzeitig die Mikroorganismen mit essentiellen Spurenelementen versorgen.
Erfolgt der Ammoniumstickstoffabbau in Bewegtbett-Biofilmreaktoren, bei denen sich die Biomasse fixiert auf kleinen Trägerelementen zusammen mit dem zu behandelnden Wasser im Reaktor bewegt [ DE 69104629 T2 ], wirkt sich die vorgeschlagene gepulste Fahrweise erhöhend auf den Abbau aus. Bei einer Reaktionstemperatur von 30°C, einem pH-Wert von 8,0 und einer Sauerstoffkonzentration von 0,8–1 mg/l konnte unter Pulsation eine Verdoppelung der Stickstoffabbaurate gemessen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 69910849 [0010]
- EP 0460248 [0020]
- AT 402918 B [0021]
- AT 403046 B [0021]
- DE 69104629 T2 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. Briesovsky, H. Matschiner, Deponiesickerwasserbehandlung mit Wertstoffgewinnung, Berichte Ökologische Stoffverwertung (2000) 68–74 [0002]
- J. Briesovsky, H. Matschiner, Resonante Pulsationen in Fluiden, Halle(Saale) 2006 [0017]

Claims

Verfahren zur Entfernung von Ammoniumstickstoff aus Abwasser bei der biologischen Abwasserbehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass dem ammoniumstickstoffhaltigen Abwasser Pulse aufgeprägt werden, deren Frequenz abgestimmt ist auf die Eigenfrequenz der Gasblasen des zugeführten Luftsauerstoffs oder im Abwasser-Belebtschlamm-System enthaltener schwingfähiger Teilchen.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Pulse durch einen gepulsten Gasstrom, Pulsatoren, nicht gleichmäßig fördernde Pumpen, kurzzeitiges Unterbrechen einer Rohrströmung oder ein alternierend moduliertes Magnetfeld erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Eintrag von Pulsen in einen Abwasserstrom ein alternierendes magnetisches Feld erzeugt wird durch angebrachte Magnetspulen auf einer für magnetische Felder durchlässigen Rohrleitung, durch die das zu behandelnde Wasser strömt bzw. gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwasser bei einem pH-Wert zwischen 7,5 bis 8,5 und bei Temperaturen zwischen 20 bis 35°C behandelt wird.