DE4001855A1 - Verfahren und vorrichtung zur biologischen verarbeitung von organisch belasteten, stark stickstoffhaltigen, waessrigen fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur biologischen Verarbeitung von organisch belasteten, stark stickstoffhaltigen, wäßrigen Flüssigkeiten, bei dem die Flüs­ sigkeit mit einem mit sessilen Mikroorganismen besetzten Biomasse-Filterkörper in Kontakt gebracht und dabei die In­ haltsstoffe der Flüssigkeit unter Umwandlung des Biomasse- Filterkörpers in einen Kompostdünger mikrobiell umgesetzt werden, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einem derartigen bekannten Verfahren wird ein Hauf­ werk eines stickstoffarmen organisch abbaubaren Materials, beispielsweise Baumrinde, mit der zu behandelnden Flüssigkeit versetzt und in einer ersten Stufe einer anaeroben Behandlung unterzogen, wodurch die Flüssigkeit mit Ammoniak angereichert werden soll, welches in einer anschließenden Stufe aerober Kompostierung des Haufwerks in das organische Material des Haufwerks eingebunden werden soll. Hierdurch läßt sich jedoch das Problem der Stickstoffbelastung nicht lösen, weil dieser in den aus dem Haufwerk entstehenden Kompost eingebunden wird und daher die Verwertung dieses Komposts durch Ausbringung zu einer entsprechenden Stickstoffbelastung des Bodens führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß in demselben Verfahrensgang unter Herabsetzung der Stick­ stoffbelastung außer gereinigtem Wasser auch die umgesetzten organischen Bestandteile in unmittelbar verwertbarer Form an­ fallen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver­ fahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die den als oxischer Bereich dienenden Biomasse-Filterkörper, an dessen Ausgang gereinigtes Wasser entnommen wird, durchrieselnde Flüssigkeit zusätzlich durch einen mit sessilen Mikroorganismen besetzten anoxischen Be­ reich hindurchgeführt wird, in dem der Stickstoffgehalt zu dessen Abscheidung mikrobiell in molekularen Stickstoff umge­ setzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht einerseits auf der Erkenntnis, daß sich bei der Zuführung von organisch be­ lasteten, stark stickstoffhaltigen Flüssigkeiten bzw. Sub­ straten und ausreichender Sauerstoffversorgung aerobe, ses­ sile Mikroorganismen auf geeigneten Bewuchsflächen ansiedeln und durch ihre Stoffwechseltätigkeit diese Substrate u. a. in kompostierbare körperliche Substanz und gereinigtes Wasser umsetzen. Hierdurch werden also die Inhaltsstoffe der orga­ nisch belasteten, stark stickstoffhaltigen Flüssigkeit durch die mikrobielle Umsetzung in unschädliche Stoffwechselproduk­ te, körpereigene Substanz, gereinigtes Wasser und Kompost­ dünger umgewandelt. Für die Abtrennung der umgesetzten festen Inhaltsstoffe vom gereinigten Wasser werden dabei die Fil­ tereigenschaften und das Adsorptionsvermögen der Biomasse- Filterkörper genutzt. Während im Biomasse-Filterkörper eine Nitrifikation der Stickstoffverbindungen erfolgt, dient der anoxische Bereich deren Denitrifikation, insbesondere des rezirkulierten Nitratanteils im vorgeschalteten Festbettkör­ per. Der bei der Denitrifikation gebildete molekulare Stick­ stoff wird an die freie Atmosphäre abgegeben, so daß eine Überführung in den Boden durch Ausbringung des Kompostdüngers vermieden wird.

Daneben kommt auch das Stickstoff-Bindungsvermögen des stark kohlenstoffhaltigen Biomasse-Filterkörpers noch zur Geltung, so daß der belasteten Flüssigkeit auch dadurch Stickstoffverbindungen entzogen werden. Somit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für die Verwertung stark stickstoffbelasteter Flüssigkeiten, wie z. B. Gülle. Neben dem gereinigten Wasser entsteht ein Kompostdünger als weiteres wertvolles Produkt. Der Reinigungsgrad geht dabei so weit, daß das gereinigte Wasser als Gießwasser zur landwirt­ schaftlichen Verwendung und der geruchsneutrale Kompost als hochwertiger Kompostdünger im Land- und Gartenbau eingesetzt werden kann.

Der oxische Bereich zeichnet sich also durch die Anwe­ senheit von molekularem Sauerstoff aus, wie er beispielsweise in der Luft oder auch im Wasser in gelöster Form vorliegt. Dagegen ist im anoxischen Bereich kein freier Sauerstoff vor­ handen, während anorganisch gebundener Sauerstoff vorliegen kann. Diese Verhältnisse dürfen nicht mit den durch die Begriffe aerob und anaerob beschriebenen Gegebenheiten ver­ wechselt werden. Beispielsweise können fakultativ aerobe Bak­ terien bei Abwesenheit von molekularem Sauerstoff anorganisch gebundenen Sauerstoff insbesondere aus Nitrat (-NO₃) ver­ atmen. Dieser Vorgang wird auch als "anaerobe Atmung" be­ zeichnet, obwohl er mit aeroben Bakterien und unter aeroben Bedingungen stattfindet. Anaerobe Verhältnisse sind dann ge­ geben, wenn weder Nitratsauerstoff, also anorganisch gebunde­ ner Sauerstoff, noch freier Sauerstoff zur Verfügung stehen. Anaerobe Bakterien können den Sauerstoff nicht nützen. Für sie ist die Anwesenheit von Sauerstoff sogar oft toxisch. An­ aerobe Bedingungen sind beispielsweise bei Faulungsprozessen gegeben.

Ein in einer für das erfindungsgemäße Verfahren ge­ eigneten Weise betreibbarer Biomasse-Filterkörper besteht beispielsweise aus einem Rindenfilterkörper. Das hierfür be­ nötigte Rindenmaterial ist leicht in den erforderlichen Men­ gen beschaffbar und ist auch hinsichtlich der Qualität des schließlich entstehenden Kompostdüngers vorteilhaft.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Verfahrens wird die mikrobielle Umsetzung unter aeroben Bedingungen, und zwar im anoxisch betriebenen Festbettkörper sowie im oxisch betriebenen Biomasse-Filterkörper, ausge­ führt.

Ferner besteht eine besonders zweckmäßige Ausführungs­ form darin, daß die zu behandelnde Flüssigkeit mehrere kas­ kadenartig angeordnete Biomasse-Filterkörper der Reihe nach durchströmt. Insbesondere haben sich hinsichtlich dieser Kas­ kadenschaltung zwei Biomasse-Filterkörper als zweckmäßig er­ wiesen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist mindestens einen der mikrobiellen Umsetzung der organisch belasteten Flüssigkeit dienenden Festbettkörper sowie einen Biomasse-Filterkörper auf, an dem in einer bevor­ zugten Ausführungsform ein für Fahrzeuge befahrbarer Belüf­ tungsboden vorgesehen ist.

Durch diesen Belüftungsboden können die Biomasse-Stücke des Biomasse-Filterkörpers vollständig zurückgehalten werden und gleichzeitig der Biomasse-Filterkörper von der den Be­ lüftungsboden anströmenden Luft belüftet werden, indem die in dem Belüftungsboden vorgesehenen Durchlässe geeignet bemessen werden. Außerdem kann die behandelte Flüssigkeit aus dem Bio­ masse-Filterkörper durch den Belüftungsboden hindurch abtrop­ fen, so daß dieser auch als Abtropfvorrichtung für den Abfluß der behandelten Flüssigkeit dient.

Im einzelnen entspricht die Form des Belüftungsbodens dem vorzugsweise quadratischen Grundriß des Biomasse-Filter­ körpers, der durch Eckpfeiler begrenzt ist. Diese Eckpfeiler dienen zur Aufnahme von Seitenwänden, von denen mindestens eine zur Befüllung und Entleerung abnehmbar ist.

Die bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Befahrbarkeit des Belüf­ tungsbodens durch Fahrzeuge vereinfacht den mit dem Betrieb der Vorrichtung verbundenen Arbeitsaufwand erheblich.

Unterhalb des den Biomasse-Filterkörper vertikal unten begrenzenden Belüftungsbodens ist vorteilhaft eine Auffang­ wanne für die abfließende behandelte Flüssigkeit vorgesehen, von der aus die behandelte Flüssigkeit einer Rezirkulation, einem nachgeschalteten Biomasse-Filterkörper oder einem Vor­ lagebehälter für Brauchwasser, welcher einen Schlammfang auf­ weisen kann, zugeleitet werden kann.

Eine andere zweckmäßige Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung weist eine der eingangsseitigen Be­ schickung des Festbettkörpers mit der zu behandelnden Flüs­ sigkeit dienende Einrichtung auf, durch die ein ausgangssei­ tiger Teilstrom des Biomasse-Filterkörpers rezirkuliert wird.

Im einzelnen sind in dieser eingangsseitigen Be­ schickungseinrichtung insbesondere von Pumpen mit der ein­ gangsseitigen Flüssigkeit beaufschlagte Düsen, Wander- oder Drehsprenger vorgesehen, wobei die Flächenbeschickung des oder der Festbettkörper durch die Rezirkulation des ausgangs­ seitigen Teilstroms so eingestellt wird, daß möglichst viel Nitrat denitrifiziert sowie eine Verschlammung des oder der Festbettkörper vermieden und eine gleichmäßige Oberflächen­ beschickung erzielt wird.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Er­ findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ge­ eignete 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 einzigen Figur der Zeichnung hervorgeht, gelangt die organisch belastete, vorzugsweise stark stick­ stoffhaltige Flüssigkeit 1 gemeinsam mit einem Rezirkulat 17 in eine Pumpenvorlage 2.

Mit einer Zulaufpumpe 3 wird der Zulauf an Flüssigkeit 1 gemeinsam mit dem Rezirkulat 17 über eine Beschickungsein­ richtung 4 auf einen anoxischen Festbettkörper 5, wo die mi­ krobielle Umsetzung der Flüssigkeit sowie die Freisetzung von molekularem Stickstoff durch Denitrifikation durch sessile Mikroorganismen erfolgt, gefördert.

Der vollständig überstaute anoxische Festbettkörper 5 verfügt über einen flüssigkeitsdurchlässigen Stützboden 6. Über eine wasserdichte, hochgezogene Auffangwanne 7 wird der Überlauf 8 einer Beschickungseinrichtung 9/1 und einem dar­ unter befindlichen Biomasse-Filterkörper 10/1 zugeführt.

Im oxischen Biomasse-Filterkörper 10/1 setzt sich diese mikrobielle Umsetzung der Flüssigkeit durch sessile Mikro­ organismen fort. Ammonifizierter Stickstoff wird hier in Ni­ tratform überführt.

Ein befahrbarer luft- und flüssigkeitsdurchlässiger Belüftungsboden 11/1 hält die Biomasse-Stücke des Biomasse- Filterkörpers 10/1 zurück und dient gleichermaßen als Stütz­ und Abtropfvorrichtung sowie zur Luftversorgung der aeroben Mikroorganismen.

Unterhalb des Belüftungsbodens 11/1 befindet sich eine Auffangwanne 12/1, wo die behandelte Flüssigkeit 13/1 gesam­ melt und einem Verteiler 14 zugeführt wird. Vom Verteiler 14 aus wird die Flüssigkeit mit einer Pumpe 15 über eine nach­ folgende baugleiche Einheit, bestehend aus Beschickungs­ einrichtung 9/2, Biomasse-Filterkörper 10/2, Belüftungsboden 11/2, Auffangwanne 12/2 gepumpt sowie als behandelte Flüs­ sigkeit 13/2 einem Schlammfang 16 zugeleitet. Im Schlammfang 16 werden ausgetragene Feststoffe zurückgehalten.

Diese Anordnung mit mehreren baugleichen Einheiten, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei, ermöglicht auch die Außerbetriebnahme eines der Biomasse-Filterkörper 10/1 und 10/2 sowie den wechselseitigen Betrieb. Dieser Vorgang wie­ derholt sich bis zum letzten Biomasse-Filterkörper, von wo aus nach Feststoffabtrennung im Schlammfang 16 behandelte Flüssigkeit 18 als vollständig behandeltes Wasser für eine Verwendung als Gießwasser zur Verfügung steht oder in ein Ge­ wässer abgeleitet werden kann.

Aus dem Verteiler 14 wird die Zulaufmenge abzüglich Verdunstungs- und Benetzungsverlust als gereinigtes Wasser in den Schlammfang 16 verdrängt. Im Schlammfang 16 werden sus­ pendierte Teilchen abgetrennt, so daß feststofffreies gerei­ nigtes Wasser 18 für den weiteren Verbrauch als Gießwasser zur Verfügung steht.

Nach längeren Zeitabständen stellt sich in den Bio­ masse-Filterkörpern 10/1 und 10/2 Biomasse-Verbrauch, verbun­ den mit einer Schlammanreicherung, ein, so daß die Biomasse erneuert werden muß und der verbrauchte Inhalt der Biomasse- Filterkörper 10/1 und 10/2 als hochwertiger Kompostdünger landwirtschaftlich zu verwerten ist.

Claims (16)

1. Verfahren zur biologischen Verarbeitung von or­ ganisch belasteten, stark stickstoffhaltigen, wäßrigen Flüs­ sigkeiten, bei dem die Flüssigkeit mit einem mit sessilen Mikroorganismen besetzten Biomasse-Filterkörper in Kontakt gebracht und dabei die Inhaltsstoffe der Flüssigkeit unter Umwandlung des Biomasse-Filterkörpers in einen Kompostdünger mikrobiell umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die den als oxischer Bereich dienenden Biomasse-Filterkörper, an dessen Ausgang gereinigtes Wasser entnommen wird, durchrie­ selnde Flüssigkeit zusätzlich durch einen mit sessilen Mikro­ organismen besetzten anoxischen Bereich hindurchgeführt wird, in dem der Stickstoffgehalt zu dessen Abscheidung mikrobiell in molekularen Stickstoff umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrobielle Umsetzung unter aeroben Bedingungen aus­ geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der anoxische Bereich durch einen dem oxischen Biomasse-Filterkörper vorgeschalteten Festbettkörper gebildet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom der in dem Biomasse-Filter­ körper behandelten Flüssigkeit vom Ausgang des Biomasse-Fil­ terkörpers zum Eingang des anoxischen Bereichs rezirkuliert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Biomasse-Filterkörper suspendierte Inhaltsstoffe der Flüssigkeit sowie mikrobiell erzeugter Überschußschlamm zurückgehalten werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Flüssigkeit mehrere kaskadenartig angeordnete Biomasse-Filterkörper der Reihe nach durchströmt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kaskadenartig angeordneten Biomasse- Filterkörper auch wechselseitig betrieben werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Biomasse-Filterkörper behan­ delte Flüssigkeit in einem Vorlagebehälter zwischengespei­ chert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vorlagebehälter absetzbare Stoffe in einem Schlammfang zurückgehalten werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch mindestens einen der mikrobiellen Umsetzung der organisch belasteten Flüssigkeit (1) dienenden Festbettkörper sowie einen Bio­ masse-Filterkörper (10).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Biomasse-Filterkörper 10/1 und 10/2 dem Festbettkörper (5) kaskadenartig nachgeschaltet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine der eingangsseitigen Beschickung des Festbettkörpers (5) mit der zu behandelnden Flüssigkeit die­ nende Einrichtung (2) vorgesehen ist, durch die ein ausgangs­ seitiger Teilstrom (17) des Biomasse-Filterkörpers (10) re­ zirkuliert wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß an dem Biomasse-Filterkörper (10) ein für Fahrzeuge befahrbarer Belüftungsboden (11) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Zwischenspeicherung der in dem Biomasse-Filterkörper (10) behandelten Flüssigkeit dienender Vorlagebehälter (16) vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vorlagebehälter (16) einen Schlammfang für absetzbare Stoffe aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Biomasse-Filterkörper (10) einzeln außer Betrieb setzbar und wechselseitig zu beschicken sind.