DE69221993T2

DE69221993T2 - Verfahren für Abwasserbehandlung

Info

Publication number: DE69221993T2
Application number: DE69221993T
Authority: DE
Inventors: Eric Han Marsman; Berend Aldert Huigo Reitsma; Leonardus Gerardus Cat Urlings; Gerard Johannes Francis Vlekke
Original assignee: Tauw Milieu BV
Current assignee: Tauw Milieu BV
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1992-11-16
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2012-11-17
Also published as: EP0543457A1; NL9101917A; CA2083199C; DK0543457T3; EP0543457B1; DE69221993D1; US5342522A; ATE157634T1; CA2083199A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser, wobei die Behandlung mit Hilfe von drei verschiedenen Typen von Biomassen in getrennten Bioreaktoren durchgeführt wird.
Anlagen zur Behandlung von Abwasser sind allgemein bekannt. Bei den normalen Vorrichtungen besteht das Ziel in der Reduzierung des Gehalts an organischen Komponenten und an Stickstoff im Abwasser.
Bei den konventionellen Vorrichtungen dieses Typs verändert sich der Phosphorgehalt jedoch praktisch nicht.
Eine drastische Reduzierung beim Abziehen der sogenannten vorrangigen Stoffe, die auch Stickstoff und Phosphat umfassen, ist wünschenswert. Neue Anlagen zur Behandlung von Abwasser (STPs=sewage treatment plants) müssen für diese drastische Entfernung von Stickstoff und Phosphat entwickelt werden. Bis heute wurden STPs gebaut, die teilweise das (unbehandelte) Abwasser mit physikalischer, biologischer und/oder chemischer Verfahren behandeln. Eine Anlage zur Behandlung von Abwasser dieses Typs umfaßt allgemein folgende Bestandteile:
(1) einen Grobfilter,
(2) einen Sandfänger,
(3) einen Vorklärtank,
(4) ein (teilweise) belüftetes Becken,
(5) einen Nachklärtank,
(6) einen Schlammeindicker und
(7) wenn erwünscht, einen Schlammfauler und/oder einen Schlammentwässerer.
In den Stufen 1, 2 und 3 werden mit Hilfe physikalischer Verfahren Partikel aus dem (unbehandelten) Abwasser entfernt. Im vierten Schritt werden biologisch abbaubare organische Komponenten von Mikroorganismen abgebaut. Zusätzlich zu heterotropen Bakterien, die biologisch abbaubare organische Stoffe umwandeln, enthält die Mischflüssigkeit von niedrigbelasteten Systemen (z.B. ein Oxidationsgraben oder Karussell) auch autotrope nitrifizierende Bakterien, die Ammoniak in Nitrat umwandeln.
Manchmal enthält die Mischflüssigkeit von niedrigbelasteten Anlagen zur Behandlung von Abwasser auch denitrifizierende Mikroorganismen, die das gebildete Nitrat in ungefährlichen gasförmigen Stickstoff umwandeln. Die Denitrifikation in STPs ist oft unvollständig, nut dem Ergebnis, daß das Abwasser relativ hohe Mengen an Nitrat enthält.
Der Schlamm von hochbelasteten STPs enthält keine nitrifizierenden Mikroorganismen, so daß keine Nitrifikation stattfindet. Demzufolge enthält das Abwasser von hochbelasteten STPs eine große Menge an Ammoniumstickstoff.
Nur etwa 30 % des Phosphats im unbehandelten Abwasser werden in den bestehenden Anlagen zur Behandlung von Abwasser entfernt, mit dem Ergebnis, daß das Abwasser eine relativ hohe Phosphatkonzentration aufweist.
In DE-A-3 619 229 wird ein mehrstufiges Verfahren und ein Mehrstufenreaktor zur Reinigung von Abwasser durch biologische Oxidation organischer Kohlenwasserstoffverbindungen, eine biologische Stickstoffentfernung ohne externe H-Donatoren und eine anschließcnde Filtration beschrieben. In dieser Veröffentlichung wird insbesondere eine erste Stufe für die Entfernung von Stoffen mit hohem biologischen Sauerstoffbedarf (BSB) beschrieben, an die sich eine Nitrifikationsstufe anschließt. In einer dritten Stufe findet die Filtration und die Entfernung des Phosphors statt. In zwei Nebenstufen werden die Denitrifikation auf biologische Weise und die Entfernung von Phosphat mit Hilfe einer chemischen Fällung durch ein Flockungsmittel durchgeführt. Das Abwasser fließt zuerst durch einen Vorabsetztank; die Denitrifikation wird mit einem Nachabsetztank kombiniert. Diese bekannten Verfahren und der Mehrstufenreaktor sind nicht besonders für die Entgiftung von Abflußwasser oder Abwasser geeignet. Ein einfacheres und effektiveres Verfahren wäre wünschenswert.
3) In WO-A-91/17959, die den Stand der Technik in Übereinstimmung mit Artikel 54(3) EPÜ umfaßt, wird ein System zur Behandlung von Abwasser beschrieben, das drei Phasen umfaßt, das heißt die biologische Entfernung von Phosphat, die Denitrifikation und die Nitrifikation. In diesem System gibt es nur zwei Typen von Schlamm, da in der zweiten und in der dritten Stufe derselbe Schlammtyp vorhanden ist. In dem System dieser Veröffentlichung liegt der Schlamm in einer suspendierten Form (Aufschlämmung) vor.
Ein Verfahren des Typs, das im Oberbegriff beschrieben wird, wurde jetzt entdeckt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Behandlung mit Hilfe von drei verschiedenen Typen von Biomassen in getrennten Bioreaktoren durchgeführt wird und in diesem Verfahren
a) in einer ersten Siufe Phosphat durch biologische Mittel entfernt und gleichzeitig der chemische und biologische Sauerstoffbedarf in einem hochbelasteten Belebtschlammsystem mit einer Schlammbelastung von mehr als 0,45 kg CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) pro kg Trockensubstanz pro Tag reduziert wird,
b) in einer zweiten Stufe eine Nitrifikation in einem Biofilmreaktor durchgeführt wird, bei der Ammonium in Nitrat umgewandelt wird, wobei die Sauerstoffkonzentration in der wäßrigen Phase des Nitrierreaktors nicht unter 1,5 mg O&sub2;/l fallen darf und
c) in einer dritten Stufe eine Denitrifikation in einem Biofilmreaktor unter Einsatz einer Kohlenstoffquelle durchgeführt wird, wobei die erste Stufe in mehr als einem hochbelasteten Reaktor mit idealer Strömung durchgeführt wird und dabei zuerst eine anaerobe und dann eine aerobe Behandlung in den Reaktoren eingesetzt wird und
wobei sich ein Absetztank zwischen der ersten und zweiten Stufe befindet.
Der Einsatz von drei speziellen Bioreaktoren führt zu Biomassen, die hohe spezifische Aktivitäten besitzen. Demzufolge kann jeder Bioreaktor klein und die Gesamtanlage kompakt sein.
Insbesondere werden die zweite und dritte Stufe in einem Biofilmreaktor durchgeführt.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, hohe hydraulische Belastungen einzusetzen und demzufolge kurze hydraulische Verweilzeiten. Durch den Einsatz von drei speziellen Biomassen zur Behandlung von Abwasser hat sich auch eine weitreichende Entfernung des CSB, des Phosphors und des Stickstoffs aus Abwasser als möglich erwiesen.
Der Begriff "Abwasser" oder "unbehandeltes Abwasser", wie er in dieser Ausführung verwendet wird, umfäßt nicht nur Abwasser aus kommunalen Abwasseranlagen, aber auch Abwasser aus anderen Quellen, z.B. aus der Bioindustrie wie Abwasser aus der Zuckerrübenverarbeitung und (aufgelöster) Dünger. Jeder vergleichbare Abwasserstrom kann gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden.
Das neue Verfahren zur Behandlung von Abwasser kann auch in einer alternativen Gestaltung durchgeführt werden:
1) Biologische Phosphorentfernung und gleichzeitige Reduktion des CSB,
2) Denitrifikation, vorzugsweise in einem Biofilmreaktor und
3) Nitrifikation, vorzugsweise in einem Biofilmreaktor.
Entsprechend betrifft die Erfindung auch ein Verfahren für die Behandlung von Abwasser, wobei die Behandlung mit Hilfe von drei verschiedenen Typen von Biomassen in getrennten Bioreaktoren durchgeführt wird und in diesem Verfahren
a) in einer ersten Stufe Phosphat durch biologische Mittel entfernt wird und gleichzeitig der chemische und biologische Sauerstoffbedarf in einem hochbelasteten Belebtschlammsystem mit einer Schlammbelastung von mehr als 0,15 kg CSB pro kg Trockensubstanz pro Tag reduziert wird,
b') in einer zweiten Stufe eine Denitrifikation in einem Biofilmreaktor unter Einsatz einer Kohlenstoffquelle durchgeführt wird,
c') in einer dritten Stufe eine Nitrifikation in einem Biofilmreaktor durchgeführt wird, bei der Ammonium in Nitrat umgewandelt wird, wobei die Sauerstoffkonzentration in der wäßrigen Phase des Nitrierreaktors nicht unterhalb von 1,5 mg O&sub2;/l fallen darf, das Abwasser des Nitrierbioreaktors zum Denitrierbioreaktor zurückgeführt wird und
wobei die erste Stufe in mehr als einem hochbelasteten Reaktor mit idealer Strömung durchgeführt wird, wobei zuerst eine anaerobe und dann eine aerobe Behandlung in den Reaktoren eingesetzt wird und
wobei sich ein Absetztank zwischen der ersten und zweiten Stufe befindet.
In dieser alternativen Betriebsart muß das Abwasser des Nitrierbioreaktors zum Denitrierbioreaktor zürückgeführt werden. Der Vorteil der alternativen Gestaltung ist eine Minimierung bei der Verwendung einer zusätzlichen Kohlenstoffquelle in der Denitrifikationsstufe, während der CSB im Abwasser der ersten Stufe für die Denitrifikation eingesetzt werden kann.
Noch nicht vorgeklärtes Abwasser kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden. Nitürlich stellt die Möglichkeit, auf das Vorklären zu verrichten, einen erheblichen Vorteil dar.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß das neue Verfahren einfach und effektiv in eine bestehende STP integriert werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in Stufe a) Betriebsbedingungen geschaffen, die die biologische Entfernung von Phosphat ermöglichen, um zusammen mit einer Reduzierung des CSB und des BSB zu arbeiten.
Ein neuer Faktor bei diesem Verfahren ist, daß in Stufe a) eine Biomasse gezüchtet wird, die Phosphat mit Hilfe biologischer Mittel entfernen und auch organische Komponenten (BSB) bei einer hohen Schlammbelastung oxidieren kann. Aufgrund der hohen Schlammbelastung findet keine Nitrifikation statt, was im Hinblick auf die Absorption von P durch den Schlamm vorteilhaft ist. Dies ist deswegen der Fall, weil Nitrat bei der biologischen Entfernung von Phosphat eine Rolle spielt. Der Schlammüberschuß kann auch sofort angesäuert werden, wodurch eine große Menge an Fettsäuren zur Verfügung steht, die als Hauptkohlenstoffquelle in der Denitrifikationsstufe eingesetzt werden können.
Physikalisch-chemische Prozesse entfernen auch Komponenten in der Stufe a), in der biologischer P entfernt wird. Das Abwasser aus Stufe a) enthält immer noch NKJ in bezug auf die Restfraktion von CSB und BSB.
In Stufe b) wird die Nitrifikation z.B. in einem Bioreaktor mit festem Film durchgeführt, und Ammonium wird in Nitrat umgewandelt. Es kann eine Störung in dem Nitrierbioreaktor auftreten, wenn heterotrope Bakterien, die den BSB im zufließenden Abwasser als Nährsubstrat nutzen, anfangen, die nitrifizierenden Bakterien zu überwachsen. Vorzugsweise wird in dieser Stufe eine Biomasse eingesetzt, die auf einem Trägermaterial wächst, z.B. Polacel, vernetztes Polyurethan oder jedes andere Trägermaterial. Das Mischen in dem Reaktor wird zweckmäßigerweise durch Belüften untei Packungen von Trägermaterial aufrechterhalten. Vorzugsweise darf der Biofilm auf dem Trägermaterial nicht dick werden, um das Zusetzen des Trägermaterials und um anaerobe Bedingungen im Biofilm zu verhindern. Die Dicke des Biofilms auf dem Trägermaterial kann zweckmäßigerweise mit Hilfe des Belüftungssystems oder mit Hilfe der hydraulischen Belastung beeinflußt werden. Das BSB/NKJ -Verhältnis bei der Nitrifikation beträgt vorzugsweise 0,5 bis 4,5.
In der ersten Betriebsart der Erfindung wird der Denitrierreaktor mit Abwasser des Nitrierreaktors gespeist. In dieser Stufe wird eine Denitrifikation unter Einsatz einer Kohlenstoffquelle durchgeführt. Geeignete externe Kohlenstoffquellen sind zum Beispiel Methanol oder Erdgas. Fettsäuren können zum Beispiel als interne Kohlenstoffquellen eingesetzt werden. In dieser dritten Stufe wird vorzugsweise ein Rührpropeller oder Rührflügel eingesetzt, der mittig im Behälter angeordnet werden kann, um eine gute Durchmischung zu bewirken. In dieser Stufe kann Polacel, vernetztes Polyurethan oder jedes andere Material als Trägermaterial für die Biomasse eingesetzt werden. Diese Gestaltung des Denitrierreaktors und der Einsatz eines Trägermaterials für die Biomasse in einer Stufe dieses Typs ist eine Neuheit. Die Dicke des Biofilms auf dem Trägermaterial wird durch Verändern der Strömungsgeschwindigkeit der Wassermenge über dem Trägermaterial mit Hilfe des Rührers gesteuert. Die Erhöhung der Srömungsgeschwindigkeit bewirkt eine Erhöhung der Abscherung.
Die Erfindung betrifft auch einen Denitrierreaktor, der ein Trägermaterial für denitrifizierende Bakterien enthält, wobei dieser Reaktor Mittel, insbesondere einen Rührer, umfaßt, um das zu denitrifizierende Material in Bewegung zu halten. Durch das Rühren wird des Dringen der Flüssigkeit durch das Trägermaterial verbessert. Diese Ausführungsform wird im obigen Absatz und weiter unten veranschaulicht.
In der alternativen Gestaltung der vorliegenden Erfindung werden die gleichen Bioreaktoren eingesetzt. Die Reihenfolge der zweiten und dritten Stufe jedoch ist umgekehrt, was bedeutet, daß der Nitrier- und der Denitrierbioreaktor vertauscht sind. Aus der alternativen Gestaltung ergibt sich ein anderes Strömungsschema. Abwasser aus der Stufe, in der P biologisch entfernt wird, strömt mit dem zurückgeführten Abwasser aus dem Nitrierbioreaktor direkt zusammen zum Denitrierbioreaktor. Der Vorteil der alternativen Betriebsart liegt in einem verringerten Einsatz einer zusätzlichen Kohlenstoffquelle in der denitrifizierenden Stufe, während der restliche CSB im Abwasser der ersten Stufe zur Denitrifikation eingesetzt werden kann. Außerdem enthält das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene Abwasser Sauerstoff aufgrund der Belüftung im Nitrierbioreaktor.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Die Gestaltung der Vorrichtung in Figur 1 entspricht dem Hauptströmungsschema:
1. biologische p-Entfernung, gleichzeitige CSB-Verringerung,
2. Nitrifikation und
3. Denitrifikation.
In dieser Figur wird mit 1 das zufließende Abwasser der ersten Stufe, mit 2 der zurückgeführte Schlamm, mit 3 der mit einem Rührer versehene anaerobe Reaktor der ersten Stufe, mit 4 der belüftete Reaktor der ersten Stufe und mit 5 ein dazwischenliegender Absetztank bezeichnet, von dem aus der Schlammüberschuß 6 abgezogen wird und von dem aus über Weg 2 der erste Reaktor auch mit dem zurückgeführten Schlamm gespeist wird.
Das Abwasser strömt vom zwischenliegenden Absetztank (5) über Weg 9 zur zweiten Stufe, der Nitrifikationsstufe (10). Von (10) aus strömt das Wasser über Weg 13 zur dritten Stufe, der Denitrifikationsstufe, in Tank (12), der mit einem Einlaß für eine Kohlenstoffquelle (14) versehen ist und auch einen Überlauf (16) aufweist. Das Abwasser der Denitrifikationsstufe kann gegebenenfalls zur Entfernung suspendierter Feststoffe mit Hilfe eines Mikrofilters, Dynasand oder mit vergleichbaren Vorrichtungen, aufbereitet werden.
Die erste Stufe wird mit biologischem dephosphatisierendem Schlamm und die zweite Stufe mit nitrifizierendem Schlamm gespeist. Die dritte Stufe wird mit denitrifizierendem Schlamm gespeist. Die Bioreaktoren dürfen in der Anlaufphase nicht zu hoch belastet sein. All diese Vorkehrungen ermöglichen ein leistungsfähiges und verläßliches System.
Um zu vermeiden, daß die Nitrifikation gehemmt wird, darf die Sauerstoffkonzentration in der wäßrigen Phase des Nitrierreaktors nicht unterhalb von 1,5 mg O&sub2;/l fallen.
Die dritte, die Denitrifikationsstufe, wird mit dem Abwasser aus der zweiten, der Nitrifikationsstufe, gespeist, das kaum CSB enthält. Zur Denitrifikation werden Kohlenstoffquellen benötigt, und diese müssen deshalb in der dritten Stufe zugefügt werden. Dies kann zum Beispiel durch Zufügen von Methanol oder durch intern erzeugte Fettsäuren erfolgen, zum Beispiel kann auch der angesäuerte Überschußschlamm als BSB-Quelle für die Denitrifikation eingesetzt werden.
Die Biomasse in der dritten Stufe umfaßt hauptsächlich denitrifizierende Bakterien. Je nach dem Sauerstoffgehalt in Stufe 2 enthält das zufließende Abwasser des Denitrierbioreaktors noch Sauerstoff, der zuerst entfernt werden muß, bevor das Nitrat reduziert werden kann. Deswegen muß das Wasser einen Mindestzeitraum in dem ideal durchmischten Reaktor bleiben, bevor das gesamte Nitrat in gasförmigen Stickstoff umgewan(lelt ist.
Die Dosierung der Kohlenstoffquelle muß gut auf den Nitratgehalt des zufließenden Abwassers abgestimmt sein, um den Übergang des BSB oder des Nitrats in das Abwasser zu verhiridern. Werte von etwa 2,5 (g/g) für das Methanol/No&sub3;-N-Verhältnis werden in der Literatur offenbart: J.P. van der Hoek, P.J.M. Latour en A. Klapwijk, Denitrifikation mit Methanol unter hohen Salzkonzentrationen und bei hohen pH-Werten, Applied Microbiology Biotechnology (1987), 27, 99-205.
Häufig kann es von Vorteil sein, die beschriebene Vorrichtung zu erweitern, indem an sich bekannte Elemente eingesetzt werden, wie ein Grobfilter, ein Sandfänger und ein Vorklärtank als Vorbehandlungssystem. Wenn der Schlamm in der dritten Stufe ausgewaschen wird, muß das Abwasser einer Nachbehandlung unterworfen werden, bei der die suspendierten Stoffe entfernt werden.
In der alternativen Gestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Nitrierbioreaktor hinter dem Denitrierbioreaktor angeordnet. Das Abwasser des Nitrierbioreaktors muß zum Denitrierbioreaktor zurückgeführt werden. Der verbleibende CSB im Abwasser des ersten Bioreaktors kann zur Denitrifikation des Nitrats eingesetzt werden. Gegebenenfalls muß eine zusätzliche Kohlenstoffquelle (44) hinzugefügt werden.
Der erste Bioreaktor ist ein hochbelasteter Reaktor mit idealer Strömung und wird mit ausgeflocktem Belebtschlamm (3) und (4) gefüllt. Der Belebtschlamm weist eine hohe Aktivität auf, was dazu führt, daß die hydraulische Verweilzeit kurz ist. Aufgrund der hohen Schlammbelastung werden die nitrifizierenden Bakterien aus dem System herausgewaschen. Durch den Einsatz spezifischer Verfahrensbedingungen wird das Wachstum phosphatspeichernder Bakterien, Acinetobacter miteingeschlossen, und das Wachstum heterotroper Bakterien gefördert.
Der Ausdruck "hochbelastet" ist in Fachkreisen gut bekannt. Im allgemeinen bedeutet "hochbelastet" mehr als 0,15, insbesondere mehr als 0,3 kg CSB pro kg Trockensubstanz pro Tag. Ein maximaler Wert kann bei 3 kg CSB pro kg Trockensubstanz pro Tag liegen. Ein bevorzugter Wert liegt bei etwa 0,3 bis 1 kg CSB pro kg Trockensubstanz pro Tag.
Der erste Abschnitt von Reaktor (3) wird nicht belüftet und muß gerührt werden, während der zweite Abschnitt belüftet wird. In diesem Abschnitt findet eine Durchmischung mit Hilfe einer Belüftung statt. Dieser Bioreaktor kann mit unbehandeltem oder vorgeklärtem Abwasser gespeist werden. Der Vorteil eines Verfahrens, bei dem unbehandeltes Abwasser eingesetzt wird, liegt in der Einsparung eines Vorklärtanks.
Das Abwasser wird mit dem zurückgeführten Schlamm (2) im nicht belüfteten Abschnitt (3) gemischt. Nach einer Mindestverweildauer, in der phosphatanreichernder Schlamm das Phosphat freisetzt, gelangt die gemischte Flüssigkeit in den belüfteten Abschnitt 4, wo das Phosphat aufgenommen wird. Acinetobacter und andere phosphatspeichernde Mikroorganismen können hohe Mengen an Phosphat, und zwar bis zu 10 % bezogen auf das Gewicht, als Polyphosphat in den Zellen speichern. Diese Eigenschaft der Mikroorganismen wird dazu eingesetzt, Phosphat aus Abwasser zu entfernen.
Die gemischte Flüssigkeit wird im Zwischenabsetztank (5) in ihre Komponenten aufgetrennt. Die Phosphate, die zusammen mit dem Abwasser zugeführt wurden, werden über den Überschußschlamm (6) entfernt. In dem Zwischenabsetztank (5) ist aufgrund der anaeroben Bedingungen durch den abgesetzten Schlamm eine geringe Freisetzung von Phosphat festzustellen. Um die Freisetzung von Phosphor durch die P-speichernden Mikroorganismen im Absetzbecken zu vermeiden, muß die Verweilzeit des Schlamms im Becken kurz sein. Die Verweilzeit im erfindungsgemäßen Zwischenabsetztank kann jedoch kurz sein, da der Schlamm gute Absetzmerkmale aufgrund der hohen Belastung erlangt hat.
Zusätzlich findet der Abbau biologisch abbaubarer organischer Komponenten im gesamten ersten Bioreaktor (3 + 4) statt, was dazu führt, daß der CSB/BSB-Gehalt des Abwassers im wesentlichen reduziert wird. Ein Anteil der gelieferten Stickstoffmenge wird von der Biomasse aufgenommen (z.B. 10 % bezogen auf das Gewicht).
Das Abwasser aus der hochbelasteten ersten Stufe enthält deswegen wenig Phosphat (zum Beispiel < 1 mg/l) und wenig CSB (< 100 mg/l), aber es enthält noch eine relativ hohe Menge an Stickstoff (< 40 mg/l).
Der im Abwasser der ersten Stufe enthaltene Stickstoff wird in der zweiten, der Nitrifikationsstufe, nitrifiziert (10). Die zweite Stufe kann ein System mit idealer Strömung oder ein Mischsystem sein, in dem nitrifizierende Organismen an einem Trägermaterial haften. Es können verschiedene Trägermaterialien eingesetzt werden. In den Beispielen wird Polacel, "Typ CF", von Polacel B.V. eingesetzt, ein Material, das auch als Trägermatenal für Mikroorganismen in drehbaren Scheibentauchkörpern eingesetzt wird. Polacel hat eine hohe spezifische Oberfläche (bis zu 250 m²/m³), wodurch hohe Biomassenkonzentrationen erreicht werden können. Es können auch andere Trägermaterialien eingesetzt werden, z.B. vernetztes Polyurethan.
Der erforderliche Sauerstoff wird mit Hilfe von Blasenbelüftung zugeführt. Durch die Auswahl einer günstigen Reaktorgestaltung kann durch Belüftung eine natürliche Zirkulation in dem Reaktor erzeugt werden.
Als Folge der Umwandlung von Ammonium in Nitrat durch nitrifizierende Bakterien werden Protonen gebildet, wodurch der pH-Wert des Wassers fällt. Bei der Behandlung von Abwasser, das keine Pufferkapazität aufweist, muß wahrscheinlich eine Kontrolle des pH-Wertes in der zweiten Stufe erfolgen, um zu verhindern, daß die wäßrige Phase zu sauer wird (pH > 6,5).
Das Abwasser des Nitrierbioreaktors enthält eine große Menge an Nitrat, das entfernt werden muß, bevor das Abwasser in das Oberflächenwasser abgelassen werden kann. Die Umwandlung von Nitrat in gasförmigen Stickstoff mit Hilfe von denitrifizierenden Organismen findet in der dritten Stufe, der Denitrifikationsstufe, statt.
Der Denitrierbioreaktor (12) kann ein festes Filmsystem sein. Entsprechend der Nitrifikationsstufe (10) kann ein System mit interner Zirkulation (ideal gemischt) gewählt werden. Dies muß jedoch künstlich geschaffen werden, zum Beispiel mit der Hilfe eines Propellers, der z.B. mittig im Reaktor angeordnet ist.
Ein nahezu idealer Mixer wird durch diese Gestaltung erhalten, was für das System vorteilhaft ist. Komponenten, die toxisch auf die denitrifizierenden Mikroorganismen wirken, werden im wesentlichen verdünnt, wodurch das Risiko der Deaktivierung niedrig ist.
Eine zusätzliche Kohlenstoffquelle muß dem zufließenden Abwasser der Denitrifikationsstufe (12) zugefügt werden, um zu vermeiden, daß die Aktivität der heterotropen denitrilizierenden Bakterien durch Kohlenstoffmangel gehemmt wird. Der Einsatz einer Kohlenstoffquelle, zum Beispiel Methanol, kurzkettige Fettsäuren oder Methan muß gut auf den Nitratgehalt in dem zufließenden Abwasser der dritten Stufe abgestimmt werden. Wenn die Menge der Kohlenstoffquelle zu hoch im Vergleich zur Nitratmenge ist, steigt der BSB-Gehalt im Abwasser, was nicht erwünscht ist. Andererseits nimmt der Nitratgehalt im Abwasser zu, wenn die Kohlenstoffquelle in einer Menge zugefügt wird, die zu niedrig im Vergleich zum Nitratgehalt ist.
In der alternativen Gestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der der Nitrierbioreaktor und der Denitrierbioreaktor vertauscht sind, wird suspendierter Belebtschlamm für den biologisches P entfernenden Bioreaktor und fixierte Mikro- Organismen sowohl für den Nitrier- als auch für den Denitrierbioreaktor eingesetzt.
Das Abwasser der biologisches P entfernenden Stufe enthält noch einen verbleibenden CSB, der für die Denitrifikation eingesetzt werden kann, was ein Vorteil der alternativen Gestaltung ist. Dadurch kann die für die denitrifizierenden Mikro- Organismen zugefügte Menge an externer Kohlenstoffquelle reduziert werden. Zudem braucht die Dosierung der Kohlenstoffquelle nicht besonders genau erfolgen, da der CSB im aeroben Nitrierbioreaktor oxidiert wird. Zugleich enthält das Abwasser des Nitrierbioreaktors aufgwnd der Belüftung Sauerstoff, was ebenfalls vorteilhaft ist.
Die hier beschriebene Reaktorgestaltung kann kommunales Abwasser schnell und effektiv behandeln. Us sei darauf hingewiesen, daß hohe Entfernungsergebnisse bezüglich des CSB/BSB, des Stickstoffs und des Phosphats mit diesem System erzielbar sind. Somit kann eine Anlage zur Behandlung von Abwasser geschaffen werden, deren Platzbedarf relativ gering ist.
In Figur 2 wird ein Verfahren schematisch gezeigt, in dem der Schwerpunkt in der Erzeugung der Kohlenstoffquelle für die Denitrifikation liegt. In dieser Figur haben die Symbole dieselbe Bedeutung wie in Figur 1. Wie bereits oben beschrieben, wird eine Kohlenstoffquelle benötigt, um das Nitrat in gasförmigen Stickstoff mit Hilfe denitrifizierender Bakterien in dem dritten, dem Denitrierreaktor (12), umzuwandeln. In den beiden vorherigen Stufen wurde der BSB im wesentlichen entfernt, mit dem Ergebnis, daß der BSB in dem zufließenden Abwasser der dritten, der Denitrifikationsstufe, für eine vollständige Denitrifikation des Nitrats unzureichend ist. Die Kohlenstoffquelle kann innerhalb des STP durch das Ansäuern des Überschußschlamms des ersten Bioreaktors in einem Ansäuerungsreaktor (17) erzeugt werden. Aufgrund der anaeroben Bedingungen, die in dem anaeroben Ansäuerungsreaktor überwiegen, werden Fettsäuren aus dem Überschußschlamm freigesetzt.
Die Verweildauer in dem Ansäuerungsreaktor kann relativ kurz sein, um zu verhindern, daß Methanbakterien die gebildeten Fettsäuren weiter in Biogas umwandeln. Dieses Verfahren kann vorteilhafterweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden.
Das Fließschema, in dem die Kohlenstoffquelle mit Hilfe des Ansäuerns von Schlamm erzeugt wird kann wie beschrieben in Figur 2 veranschaulicht werden. In diesem Zusammenhang muß der Überschußschlamm berücksichtigt werden, der hohe Konzentrationen an Phosphat enthält, das unter anaeroben Bedingungen freigesetzt wird. Zusätzlich zu den Fettsäuren enthält der angesäuerte Schlamm eine relativ hohe Konzentration an Phosphat und an suspendierten Stoffen. Der Schlamm kann von der wäßrigen Phase mit Hilfe einer Absetz- oder Filtrationsstufe getrennt werden. Die Fettsäuren und Phosphate enthaltende wäßrige Phase durchläuft dann eine Stufe (20) zum Fällen des Phosphats, in der das Phosphat mit Hilfe einer Flockung unter Einsatz von einem Flockungsmittel, zum Beispiel von gelöschtem Kalk oder von Natriumhydroxidlösung, gefällt wird. Die in der wäßrigen Phase zurückgebliebenen Fettsäuren können als Kohlenstoffquelle in der dritten, der Denitrifikationsstufe (12), wirken.
Die in Figur 3 gezeigte Abwandlung veranschaulicht die Rückführung von Nitrat enthaltendem Wasser in den belüfteten Abschnitt der Stufe 4, in der biologisches P entfernt wird (4).
Es ist bekannt (Vlekke et al., Environ. Techn. Lett. 9, S.761-796), daß phosphatspeichernde Bakterien nicht nur Sauerstoff aber auch Nitrat als Elektronen-Akzeptor verwenden können. Die phosphatspeichernde Eigenschaft der Bakterien wird nicht beeinflußt, wenn statt Sauerstoff Nitrat eingesetzt wird. Durch die Rückführung eines Teils des Nitrat enthaltenden Abwassers vom Nitrierbioreaktor in die erste Stufe kann die Belüftung im ersten Reaktor reduziert werden, wodurch die Betriebskosten des Systems vermindert werden können. Auf Wunsch kann das Nitrat zuerst konzentriert werden, indem zum Beispiel eine substratspezifische Membran oder ein Ionenaustauscher eingesetzt wird, und es kann dann der ersten Stufe in Form einer konzentrierten Lösung zugefügt werden.
Natürlich muß die Rückführung des Nitrat enthaltenden Wassers den Anforderungen angepaßt sein.
Ein weiterer Vorteil der Rückführung von Nitrat enthaltendem Abwasser in die erste Stufe ist die verminderte Zugabe von Nitrat in die dritte Stufe, wodurch eine Reduzierung des Kohlenstoffverbrauchs in der dritten Stufe erfolgt. Letzteres führt auch zu einer Verminderung der Betriebskosten der vorliegenden Erfindung.
Die oben beschriebenen Schritte der Erfindung können auch in der alternativen Gestaltung verwendet werden, in der der Nitrierbioreaktor hinter dem Denitrierbioreaktor angeordnet ist.

Beispiel 1

Die Behandlung wuide in einer Testvorrichtung im Versuchsmaßstab gemäß dem Fließschema von Figur 1 durchgeführt. In dieser Testvorrichtung wurden hydraulische Aspekte der einzelnen Stufen untersucht. Die erste Stufe umfaßt zwei rechteckige PVC-Tanks (mit jeweils 100 l Fassungsvermögen), die in Serie miteinander verbunden sind, mit einem stromabwärtsliegenden Absetztank. Jeder Tank ist durch Trennwände in sechs Kammern aufgeteilt, die miteinander über runde Löcher in den Trennwänden verbunden sind. Mit Hilfe dieser Gestaltung wird ein Reaktor mit idealer Strömung erhalten.
Die Kammern 1 bis 6 werden mit Hilfe von Schaufelhrührern gerührt, und die Kammern 7 bis 12 werden durch Belüftung gemischt.
Die zweite Stufe umfaßt einen rechteckigen Reaktor aus rostfreiem Stahl (Fassungsvermögen 200 l), der zu 60 % mit Polacel-Trägermaterial (250 m²/m³) gefüllt ist. Der Bioreaktor wird mit Hilfe von Blasenbelüftung unter den beiden Packungen des Trägermaterials belüftet.
Die dritte Stufe ist ein runder Reaktor aus rostfreiem Stahl (200 l), der zu 80 % mit dem Packungsmaterial gefüllt ist.
Ein Propeller, der von einem Motor (50 UpM) angetrieben wird und der das Fließen und Mischen gewährleistet, ist in einer senkrechten Kolonne mittig in diesem Reaktor (3) angeordnet.
Die Strömungs- und Mischbilder wurden mit Hilfe von Farbstoffen untersucht. Stoßweises Dosieren in den ersten Reaktor zeigte, daß der Reaktor aus 9,5 Mischer besteht, während 10 % des Reaktor aus "totem Raum" besteht. Die erwartete Menge von 12 Mischern in Serie wurde nicht erreicht und der "tote Raum" war auch relativ groß; deshalb wurden die Lüftungsintensität und die Rührfrequenz erhöht. Beide Veränderungen lieferten das gewünschte Ergebnis.
Ein stoßförmiges Einspritzen von Farbe (Fluorescein) in die zweite Stufe zeigte, daß das Mischbild des Reaktors sich praktisch dem eines idealen Mischers annäherte. Die Zahl der Mischstufen betrug 1,6 und der "tote Raum" 5 %.
Ein ideales Mischverhalten wurde auch in der dritten Stufe beobachtet; die Zahl der Mischstufen betrug 1,6 und der tote Raum 18 %. Anhand der Ergebnisse kann festgestellt werden, daß nach der Durchführung einiger Veränderungen die Fließprofile der einzelnen Stufen sich mit dem erwarteten Muster decken.

Beispiel 2

Nachdem der Reaktor mit Phosphat anreicherndern Schlamm befüllt wurde, wurde die erste Stufe der Versuchsanlage mit nicht vorgeklärtem Abwasser gespeist. Durch Befüllen des Reaktors mit spezifischem Schlamm war die Anlaufphase relativ kurz (eine Woche). Die hydraulische Verweildauer betrug sechs Stunden, und die Schlammbelastung betrug 0,45 kg CSB/kg Trockensubstanz pro Tag. In dieser Stufe sind der CSB und das Phosphat die wichtigsten Komponenten, die entfernt werden müssen. Deswegen wird nur der Gehalt dieser Komponenten im zufließenden Abwasser und im abfließenden Abwasser für die erste Stufe in den Figuren 4 und 5 gezeigt. Die gezeigten Werte sind die Ergebnisse für die nicht filtrierten Proben des zufließenden und abfließenden Abwassers.
Die Phosphatkonzentration des zufließenden Abwassers variierte zwischen 5 und 14 mg P/l, und der Gehalt im abfließenden
Abwasser lag im Durchschnitt unter 1,0 mg P/l. Einige Ergebnisse, die aus dem allgemeinen Muster herausfallen, sind in den Figuren zu sehen; diese Werte sind auf Regen, der das Abwasser wesentlich verdünnte und auf mechanische Fehler bei der Probenahme und in der Testvorrichtung zurückzuführen.
Die Gesamtkonzentration des Phosphats im Abwasser wurde in einigen Messungen aufgrund des Auswaschens von Schiamm nachteilig beeinflußt.
Der CSB-Gehalt im Abwasser betrug weniger als 100 mg O&sub2;/l, und ein Behandlungserfolg von mehr als 85 % wurde erzielt.
Der Versuch zeigt, daß die erste Stufe dazu eingesetzt werden kann, Phosphat und organische Komponenten aus dem Abwasser zu entfernen.

Beispiel 3

Nach dem Befüllen mit nitrifizierendem Schlamm aus einer niedrigbelasteten Belebtschlamm-Testvorrichtung wurde die zweite Stufe mit Abwasser aus der ersten Stufe gespeist. Die hydraulische Verweildauer betrug sechs Stunden und die durchschnittliche Stickstoff-Schlammbelastung 1,1 g Nkj/m² pro Tag. In Figur 6 wird die Veränderung des Kjeldahl-Stickstoffs im zufließenden und im abfließenden Abwasser in Abhängigkeit von der Zeit gezeigt. Die Mischproben sind nichtfiltrierte Proben von 2, 3, 4 Tagen. Die Änderung des Nitratgehalts im Abwasser der zweiten Stufe in Abhängigkeit von der Zeit wird ebenfalls in Figur 6 gezeigt.
Aus Figur 6 ist zu ersehen, daß in der zweiten Stufe der Kjeldahl-Stickstoff in Nitrat umgewandelt werden kann. Es ist deutlich zu sehen, daß eine Anlaufphase von mehreren Wochen nötig war.
Nach einer Anlaufphase bildete sich auf dem Trägermaterial ein dünner Biofilm, der eine hohe Nitrifikationsaktivität aufwies (1 g NH&sub4;-N/m² Tag). Der Nitritgehalt im Reaktor betrug weniger als 1 mg NO&sub2;-N/l während des gesamten Versuchs und wird nicht im Diagramm gezeigt.
Die obigen Ergebnisse zeigten, daß die Testvorrichtung in der eingesetzten Gestaltung zum Einsatz geeignet ist. Das Mischen im Reaktor ist gut, und es fand eine gute Nitrifikation statt.

Beispiel 4

Das in der zweiten Stufe gebildete Nitrat wird in der dritten Stufe hauptsächlich zu elementaren Stickstoff mit Hilfe von denitrifizierenden Mikroorganismen umgewandelt. Methanol wurde als externe Kohlenstoffquelle für die denitrifizierenden Mikroorganismen eingesetzt. Die Ergebnisse eines Versuchs mit dem Denitrierreaktor werden in Figur 7 gezeigt. Für diesen Versuch wurde die dritte Stufe mit denitrifizierendem Schlamm von einem denitrifizierendern STP befüllt, wonach der Reaktor mit Abwasser aus der zweiten Stufe gespeist wurde. Die hydraulische Verweildauer betrug sechs Stunden.
Der Nitratgehalt im zufließenden Abwasser war in der Anfangsphase gering, mit dem Ergebnis, daß die Nitratstickstoffbelastung niedrig war; nach wenigen Wochen jedoch nahm der Nitratgehalt im zufließenden Abwasser zu, wonach eine maximale Nitrat-N-Schlammbelastung von 1,2 NO&sub3;-N/m² pro Tag erreicht wurde.
Der Biofilm, der sich auf dem Trägermaterial bildete, hatte gute Hafteigenschaften. Obwohl regelmäßig ausgewaschener Schlamm im Abwasser auftrat, war festzustellen, daß der Gehalt an suspendierten Stoffen nicht höher als in herkömmlichen STPs war. Es ist möglich, daß anschließend eine Abwasseraufbereitungsstufe stromabwärts integriert werden muß.
Methanol war eine gute Kohlenstoffquelle für denitrifizierende Organismen; Nitratabwasserwerte von 0-1,5 mg/l waren keine Ausnahme. Infolge der Denitrifikationsaktivität stieg der pH-Wert im Reaktor auf Werte von 7,5. Die Erhöhung des pH-Wertes wurde iim wesentlichen durch eine Zunahme des Biocarbonats hervorgerufen.
Dieses Beispiel zeigt deutlich, daß der entworfene Bioreaktor als ein Denitrierreaktor eingesetzt werden kann. Es muß jedoch eine Kohlenstoffquelle zugefügt werden, um die Denitrifikation voranzutreiben.
Die Versuche zeigen, daß die hier beschriebene Erfindung dazu eingesetzt werden kann, kommunales Abwasser gründlich und umfassend zu behandeln.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Abwasser, wobei die Behandlung mit Hilfe von drei verschiedenen Typen von Biomassen in getrennten Bioreaktoren durchgeführt wird und in diesem Verfahren

a) in einer ersten Stufe Phosphat durch biologische Mittel entfernt und gleichzeitig der chemische und biologische Sauerstoffbedarf in einem hochbelasteten Belebtschlammsystem mit einer Schlammbelastung von mehr als 0,15 kg CSB pro kg Trockensubstanz pro Tag reduziert wird,

b) in einer zweiten Stufe eine Nitrifikation in einem Biofilmreaktor durchgeführt wird, bei der Ammonium in Nitrat umgewandelt wird, wobei die Sauerstoffkonzentration in der wäßrigen Phase des Nitrierreaktors nicht unter 1,5 mg O&sub2;/l fallen darf und

c) in einer dritten Stufe eine Denitrifikation in einem Biofilmreaktor unter Einsatz einer Kohlenstoffquelle durchgeführt wird,

wobei die erste Stufe in mehr als einem hochbelasteten Reaktor mit idealer Stromung durchgeführt wird und dabei zuerst eine anaerobe und dann eine aerobe Behandlung in den Reaktoren eingesetzt wird und wobei sich ein Absetztank zwischen der ersten und zweiten Stufe befindet.

2. Verfahren zur Behandlung von Abwasser, wobei die Behandlung mit Hilfe von drei verschiedenen Typen von Biomassen in getrennten Bioreaktoren durchgeführt wird und in diesem Verfahren

a) in einer ersten Stufe Phosphat durch biologische Mittel entfernt wird und gleichzeitig der chemische und biologische Sauerstoffbedarf in einem hochbelasteten Belebtschlammsystem mit einer Schlammbelastung von mehr als 0,15 kg CSB pro kg Trockensubstanz pro Tag reduziert wird,

b') in einer zweiten Stufe eine Denitrifikation in einem Biofumreaktor unter Einsatz einer Kohlenstoffquelle durchgeführt wird,

c') in einer dritten Stufe eine Nitrifikation in einem Biofilmreaktor durchgeführt wird, bei der Ammonium in Nitrat umgewandelt wird, wobei die Sauerstoffkonzentration in der wäßrigen Phase des Nitrierreaktors nicht unterhalb von 1,5 mg O&sub2;/l fallen darf, das Abwasser des Nitrierbioreaktors zum Denitirierbioreaktor zurückgeführt wird und wobei die erste Stufe in mehr als einem hochbelasteten Reaktor mit idealer Strömung durchgeführt wird, wobei zuerst eine anaerobe und dann eine aerobe Behandlung in den Reaktoren eingesetzt wird und wobei sich ein Absetztank zwischen der ersten und zweiten Stufe befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Denitrifikationsstufe mit den in der wäßrigen Phase des angesäuerten Schlamms aus der ersten Stufe zurückgebliebenen Fettsäuren oder mit einer externen Kohlenstoffquelle gespeist wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei das Mischen in der Nitrifikationsstufe durch Belüften unter Packungen von Trägermaterial aufrechterhalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Dicke des Biofilms auf dem Trägermaterial durch das Belüftungssystem oder durch die hydraulische Belastung beeinflußt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zum Mischen im Reaktor der Denitrifikationsstufe ein Rührpropeller oder Rührflügel eingesetzt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei das Abwasser aus der Nitrifikationsstufe in den belüfteten Abschnitt der ersten Stufe zurückgeführt wird, um die Menge des in die erste Stufe eingebrachten Sauerstoffs und um die Denitrifikationsaktivität in der Denitrifikationsstufe zu reduzieren.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei der aus der ersten Stufe abgezogene Schlamm angesäuert wird, um Fettsäuren zu erzeugen, die als Kohlenstoffquelle in der Denitriflkationsstufe eingesetzt werden können.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der angesäuerte abgezogene Schlamm in eine Wasserfraktion und in eine Schlammfraktion aufgeteilt wird und danach die Wasserfraktion einer Flockung/Fällung ausgesetzt wird, um gelöstes Phosphat auszufällen, bevor die wäßrige Phase, die in ihr gelöste Fettsäuren enthält, der Denitrifikationsstufe hinzugefügt wird.