DE10201997A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nitratentfernung aus Grund- und Oberflächenwasser - Google Patents

Abstract

Die bekannten Verfahren zur Nitratentfernung aus Grund- und Oberflächenwasser entfernen das Nitrat entweder durch biologische Reduktion zu elementarem Stickstoff mittels konventioneller Denitrifikationsanlagen unter Zugabe von Kohlenstoffquellen wie Methanol, Ethanol, Melasse oder anderen leicht löslichen Organika und anschließender Abtrennung der Biomasse in Absetz- oder Flotationsanlagen und einer Endfiltration oder durch physikalisch-chemische Verfahren. DOLLAR A Eine vollständige Abtrennung der Biomasse und der zudosierten Kohlenstoffquelle ist bei den biologischen Verfahren nicht möglich. DOLLAR A Lösung zur weitergehenden Kohlenstoffquelle- und Mikroorganismenabtrennung DOLLAR A Diese Aufgabe wird bei dem neuen Verfahren dadurch gelöst, dass die biologische Umsetzung des Nitrats in einem Reaktionsbehälter mit Zudosierung einer Kohlenstoffquelle, wie z. B. hochmolekuleren Zuckern oder Alkoholen, welche an einer Ultrafiltrationsmembran rückhaltbar sind, ausgeführt wird. Die vollständige Abtrennung der Biomasse wird ebenfalls durch die Ultrafiltrationsanlage erreicht. Hierdurch lassen sich ein weitestgehend von Nitrat befreites, hygienisch unbedenkliches von allen ungelösten Feststoffen und Mikroorganismen befreites Trinkwasser erzeugen, welches bei den bekannten Verfahren nicht erreicht wird. DOLLAR A Anwendungsgebiete DOLLAR A Die Erfindung ist dazu geeignet aus nitratbelastetem Grund- oder Oberflächenwasser ein hygienisch einwandfreies Trinkwasser zu erzeugen.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur biologisch-chemisch-physikalischen Behandlung von nitratbelastetem Oberflächen- und Grundwässern, insbesondere Trinkwasser, durch biologische Denitrifikation unter Zugabe eines Kohlenstoffträgers, der Abtrennung von Biomasse und gegebenenfalls überschüssigem Kohlenstoffträger mittels einer Ultrafiltrationsanlage, sowie einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Es gibt mehrere Möglichkeiten der Denitrifikation von Trinkwasser, welche in der einschlägigen Literatur und diversen Patenten beschrieben sind. Es werden autotrophe Denitrifikationen mit gelöstem Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle und Wasserstoff oder elementarem Schwefel als Elektronendonator sowie die heterotrophe Denitrifikation mit Zugabe von organischen Kohlenstoffträgern wie z. Bsp. Methanol, Äthanol, Essigsäure, Zucker oder Melasse beschrieben.
• Bei derartigen Verfahren werden die bei dem biologischen Prozess gebildete Biomasse mittels nachgeschalteter Reinigungsstufen durch eine Dichtetrennung in kombinierten Absetz- oder Flotationsanlagen mit teilweise anschließender Endfiltration über Flächenfilter, wie beispielsweise mit Sand- und Kiesfiltern abgetrennt, wodurch jedoch eine vollständige Fest-Flüssigtrennung nicht erreichbar ist. Die abgetrennte Biomasse wird in die Denitrifikationsbecken zurückgeführt und überschüssige Biomasse einer Schlammnachbehandlung zugeführt.
• Es ist bekannt, das bei den bestehenden Verfahren die zudosierten Kohlenstoffquellen bei Überdosierung und teilweise die daraus resultierenden biologischen Abbauprodukte nicht von den biologischen Stufen vollständig im System gehalten werden können und aufwendige Nachreinigungs- und Überwachungssysteme installiert werden müssen. Weiterhin es nicht möglich ist, die Mikroorganismen vollständig abzutrennen.
• Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art, dahingehend auszubilden, dass durch eine vollständige Abtrennung aller überschüssiger zudosierter Kohlenstoffquellen inklusive der Biomasse, ein Trinkwasser zu erzeugen, welches einen hohen Abreicherungsgrad bezogen auf den Nitratgehalt, einen hohen mikrobiologischen Reinheitsgrad sowie eine einfachst aufgebaute Anlagentechnik aufweist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die biologische Umsetzung des Nitrates zu elementarem Stickstoff mittels einer Denitrifikationsanlage in Form eines biologischen Reaktionsbehälters, mit oder ohne Trägermaterialeinbauten für die Biomasse und anschließender Biomasseabtrennung über Ultrafiltrationswickelmodule ausgeführt wird. Als Kohlenstoffquelle werden physiologisch unbedenkliche hochmolekulare organische Stoffe, z. Bsp. Polysaccharide oder Polyalkohole etc. verwendet, die vollständig an der Ultrafiltrationsmembran zurückgehalten werden können. Hierdurch lassen sich ein hygienisch unbedenkliches von allen ungelösten Stoffen befreites Trinkwasser erzeugen, welches bei den bekannten Verfahren nicht erreicht wird. Die vollständige Abtrennung der überschüssigen Kohlenstoffquelle, aller ungelösten Feststoffe sowie der Biomasse und eventuell vorhandener Keime und Viren, ermöglicht neben der Nitratreduktion eine gleichzeitige Einhaltung extrem hoher Reinheitsgrade, die bis zur Rückhaltung sämtlicher pathogener Mikroorganismen geht, so dass nur noch eine Schutzdesinfektion als Nachbehandlung zur Einspeisung ins Trinkwassernetz erforderlich wird.
• Eine im Rahmen der Erfindung vorgesehene Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, weist eine als eine Einheit fungierende Feststoffabtrennung in Form einer Ultrafiltrationseinrichtung auf.
• Eine für den kontinuierlichen Betrieb besonders geeignete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Ultrafiltration feststoffunempfindliche Wickelmodule aufweist.
• Zur Optimierung des biologischen Denitrifikationssystems wird das in der Ultrafiltration erzeugte biomasschaltige Konzentrat vollständig in den Denitrifikationsreaktor zurückgeführt. Die Ausschleusung überschüssiger Biomasse aus dem System erfolgt allein durch diskontinuierliche Ausschleusung der Biomasse in einen externen Bioschlammspeicher. Aus diesem kann der überschüssige Bioschlamm einer weiteren Behandlung zugeführt werden.
• Weitere Merkmal, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, auf die bezüglich einer erfindungswesentlichen Offenbarung aller im Text nicht erwähnten Einzelheiten ausdrücklich hingewiesen wird, beispielhaft erläutert ist.
• Wie aus der Zeichnung 1 hervorgeht, wird das zu behandelnde nitratbelastete Grund- oder Oberflächenwasser 1 mittels einer Zulaufpumpstation 2 einer biologischen Denitrifikationsstufe 3 zugeführt. Die Denitrifikationsstufe 3 weist eine Mischeinrichtung auf die entweder intern 3.1 oder extern 3.2 am Denitrifikationsbehälter angeordnet sein kann. Zum Grund- oder Oberflächenwasser 1 werden die erforderliche Kohlenstoffquelle 4 und falls erforderlich weitere Chemikalien 5 zur biologischen Umsetzung, im besonderen Phosphat, zudosiert.
• Das aus dem Denitrifikationsbehälter 3 abfließende denitrifizierte Grund- oder Oberflächenwasser wird mittels einer Speisepumpstation 6 der Ultrafiltrationsanlage 7 zugeführt. Die Ultrafiltrationsanlage 7 wird mit Wickelmembranen zur Biomasseabtrennung bestückt. Die Ultrafiltrationsanlage 7 verfügt zur Erzielung einer optimalen Anströmgeschwindigkeit an der Oberfläche der Ultrafiltrationsmembran über eine eigene Rezirkulationseinrichtung 8. Das vollständig von Feststoffen, das heißt auch von Bakterien und Keimen befreite Klarwasser 14 der Ultrafiltration 7 wird zur weiteren Verwendung abgeleitet oder alternativ einer weitergehenden Behandlungsstufe 16 zugeführt.
• Für die Einstellung und Überwachung der Anlage werden Durchflussmesseinrichtungen zur Ermittlung der Durchsatzmengen sowohl im Zulauf 1 der Gesamtanlage als auch in allen Umwälz- und Recyclingkreisläufe 3.2, 10, 11 sowie im Reinwasserablauf 14 und falls eine weitergehende Behandlung installiert wird, im Reinwasser- 17 und Konzentratablauf 18 eingesetzt.
• Der Überschussschlamm wird diskontinuierlich aus dem Kreislaufstrom der Ultrafiltration 11 in einen Schlammspeicher 12 abgeleitet und gegebenenfalls nach einer weitergehenden Behandlung entsorgt.
• Die gesamte Anlage weist mehrere in der Zeichnung 1 nur durch gestrichelte Linien schematisch angedeutete Mess- und Regeleinrichtungen 19.1, 19.2 und 19.3 zur Ermittlung weiterer betrieblicher Regelgrößen auf. Hierdurch kann beispielsweise die Dosierung von Chemikalien 4 und 5 in den Denitrifikationsreaktorbehälter 3 eingestellt werden. Im Mess- und Regelkreis 19.2 der Ultrafiltrationsanlage 7 ist schematisch durch die gestrichelte Linie zusätzlich eine angedeutete Spüleinrichtung beinhaltet. Durch diese erfolgt in gewissen Intervallen eine Spülung, wodurch die Laufzeit und der Wirk- ungsgrad der Ultrafiltrationsanlage 7 erhöht wird.
• Das erzeugte feststoff- und keimfreie Trinkwasser 14 der Ultrafiltration 7 kann je nach Bedarf für die weitere Abtrennung von gelösten Wasserinhaltsstoffen und zur Verhinderung von Verkeimungen, direkt ohne Zwischenbehälter oder Pumpvorlage, einer weiteren Membranstufe 16 zugeführt werden. Eine Verkeimung der nachfolgenden Membranstufe 16 ist durch die direkte Zuführung stark reduziert und das erzeugte Reinwasser 17 wird zur Verwendung abgeleitet. Das mit aufkonzentrierten gelösten Wasserinhaltsstoffen versehene Konzentrat 18 dieser Membranstufe 16 wird ebenfalls zur weiteren Verwendung abgeleitet. Die Membranstufe 16 wird mit Nanofiltrations- oder Umkehrosmosemembranen bestückt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Nitratreduktion aus Oberflächen- oder Grundwasser mit Hilfe einer mehrstufigen Reinigungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die biologisch-chemisch-physikalischen Umsetzung und Abtrennung der erzeugten Biomasse so durchgeführt wird, dass ein denitrifiziertes und vollständig von Feststoffen und Mikroorganismen befreites Trinkwasser erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ober- Oberflächen- oder Grundwasser eine organische Kohlenstoffquelle zudosiert wird, welche durch eine Ultrafiltrationsmembrane zurückgehalten werden können.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung des biologischen Abbaus ein externer Kreislauf installiert und Konzentrat der Ultrafiltration in den Denitrifikationsbehälter zurückgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschussschlamm diskontinuierlich direkt mit dem Konzentrat der Ultrafiltration ausgeschleust werden kann.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im gesamten Verfahren jede einzelne Verfahrensstufe über einen eigenen internen Kreislauf verfügt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mehrstufig ausgeführt und mit beliebig einstellbarer Biomassekonzentration betrieben wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das denitrifizierte und vollständig von Biomasse befreite Reinwasser der Ultrafiltration direkt ohne weitere Zwischenspeicherung oder Pumpvorlage einer nachgeschalteten weiteren Membranstufe zugeführt werden kann.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächen- oder Grundwasser 1 durch einen der biologischen Umsetzung des Nitrats dienenden Denitrifikationsbehälters 3, der intern 3.1 oder extern 3.2 verwendeten Mischvorrichtung, eine dem vollständige Abtrennen der Biomasse und der dosierten Kohlenstoffquelle dienenden Ultrafiltrationsanlage 7, geleitet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultrafiltrationseinrichtung 7 längs durchströmte feststoffunempfindliche Wickelmodule aufweist, welche in Cross-Flow- oder Dead-End-Betrieb gefahren werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultrafiltrationseinrichtung 7 eine Rezirkulationspumpeinrichtung 8 zur Einstellung der optimalen Anströmgeschwindigkeit an der Membran aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zulaufwasser 1 im Denitrifikationsbehälter 3, das Ultrafiltrationskonzenztrat über eine Rückführleitung 10 dem Denitrifikationsbehälter zugeführt wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das vollständig feststofffreie Reinwasser 14 der Ultrafiltration 7, einer weiteren Membrananlage 16 ohne zusätzlichen Zwischenbehälter oder Pumpvorlage bei Bedarf zugeführt wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultrafiltrationseinrichtung 7 eine Spüleinrichtung 19.3 aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultrafiltrationseinrichtung 7 eine Anzahl selektiv zu- und abschaltbarer Module aufweist.