NL1003866C2 - Biologische zuivering van afvalwater. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Biologische zuivering van afvalwater.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de biologische zuivering van ammoniumrijk afvalwater in ten minste een reactor die een temperatuur bezit van ten minste 25 °C, door het afvalwater, te voeren door de genoemde reactor (s) 5 met een door natuurlijke selectie, in afwezigheid van slibretentie verkregen populatie in gesuspendeerde toestand van nitrificerende en denitrificerende bacteriën ter vorming in een eerste stadium onder toevoer van zuurstof, van een nitrietrijk afvalwater, en door desgewenst in een tweede stadium 10 zonder toevoer van zuurstof, het aldus verkregen nitrietrijke afvalwater te onderwerpen aan denitrificatie in aanwezigheid van een koolstof bron, zoals methanol, zodanig dat de verblijftijd van het ammoniumrijke afvalwater ten hoogste ongeveer drie dagen bedraagt, en de pH van het medium wordt geregeld tussen 6,5 15 en 8,5 door toevoer van de genoemde koolstofbron, en de door groei gevormde overmaat nitrificerende en denitrificerende bacteriën en het door denitrif icatie gevormde effluent worden gewonnen.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit een publikatie 20 in Delft Integraal, 1995, nr. 1, blz. 3-7. Het in deze publikatie weergegeven onderzoek is echter uitgevoerd op laboratoriumschaal. Dit onderzoek geeft echter geen enkele suggestie omtrent de maatregelen die men moet treffen om met een dergelijk proces in praktijk een voldoend hoge zuivering van het betreffende 25 afvalwater te verkrijgen.

Als gevolg van aanscherping van de lozingsnormen, ondermeer voor stikstof, is er een behoefte aan efficiënte, kosten effectieve zuiveringssystemen voor de behandeling van afvalwater. Hierbij kan gedacht worden aan geconcentreerde 30 industriële afvalwaterstromen, afvalwaterstromen zoals deze vrijkomen bij afgasreiniging etc. Een ander voorbeeld van een geconcentreerde stikstofrijke afvalwaterstroom is het zogenaamde rejectiewater. Deze afvalwaterstroom ontstaat na ontwatering van uitgegist zuiveringsslib en bezit naast een hoge ammoniumcon-35 centratie (ca. 1000 mg NH4-N per liter) tevens een hoge j :: - 2 - temperatuur (gewoonlijk ± 30 °C). Het ammonium in het rejectiewater kan voor wel 15% van de totale stikstofbelasting van een afvalwaterzuiveringsinstallatie zorgen, terwijl de volumestroom van het rejectiewater slechts minder dan 1% is 5 van de te verwerken afvalwatervolumestroom. Dit rejectiewater draagt derhalve aanzienlijk bij aan de stikstofbelasting van de zuiveringsinstallatie.

Voor de biologische zuivering van dergelijke afvalwaterstromen worden gewoonlijk zuiveringsprocessen toegepast, waarbij 10 de benodigde hoge slibconcentraties worden verkregen door toepassing van een vorm van slibretentie zoals bezinking, membraanfiltratie, aanhechting aan filtermedia etc. In dat verband kan worden verwezen naar het STOWA-rapport 95-08 dat betrekking heeft op de behandeling van stikstofrijke retourstro-15 men op rioolwaterzuiveringsinrichtingen, alsmede naar de Proc. 18* IAWQ Biennial, Water Quality International '96, 23-28 juni 1996, Singapore, blz. 321-328.

Een overigens vaak toegepast zuiveringsproces staat bekend als het actiefslibsysteem. Een dergelijk systeem wordt enerzijds 20 gekenmerkt door het toepassen van slibretentie door slibbezin-king, en anderzijds doordat de bacteriën hoofdzakelijk in zogenoemde actiefslibvlokken voorkomen. Dergelijke vlokken bezitten gewoonlijk een grootte van 0,1-2 mm.

Opgemerkt wordt dat het onderhavige proces van biologische 25 stikstof verwijdering bij voorkeur in twee op elkaar aansluitende stadia verloopt, een aëroob en een anoxisch stadium. Beide stadia kunnen in de onderhavige uitvinding in één reactor plaatsvinden, gescheiden in de tijd, of in afzonderlijke reactoren waarbij al dan niet sprake is van een retourstroom naar het eerste 30 stadium. In het eerste stadium wordt de stikstof, dat als ammonium aanwezig is, met behulp van zuurstof en nitrif icerende bacteriën hoofdzakelijk omgezet in nitriet. Het tweede stadium omvat de omzetting van nitriet in moleculaire stikstof, welke omzetting anoxisch is en plaatsvindt met behulp van denitrifi-35 cerende bacteriën. Deze denitr if icerende bacteriën hebben een koolstofbron, zoals methanol, nodig om genoemde omzetting uit te voeren.

- 3 -

Op verrassende wijze is nu gevonden dat men de werkwijze, zoals deze in de aanhef is omschreven, op industriële schaal kan uitvoeren onder verkrijging van een aramonium-zuiveringsrende-ment van meer dan 90% door regeling van de behoefte van de 5 denitrificerende bacteriën aan een koolstofbron, in casu methanol.

Meer in het bijzonder heeft men gevonden, dat de methanolbehoefte tijdens de zuivering kan worden geregeld afhankelijk van de in de reactor geproduceerde hoeveelheid 10 warmte. Deze parameters bleken direct evenredig te zijn met elkaar. Zoals hierna zal worden toegelicht, wordt door middel van de methanoldosering tevens de pH van het medium geregeld.

Opgëmerkt wordt dat tijdens de nitrificatie per geoxydeerde mol ammonium, twee mol protonen worden geproduceerd. 15 Hierdoor daalt de pH. De pH wordt meestal geregeld door loog en/of zuur aan de reactor toe te voeren. Tijdens denitrificatie worden daarentegen protonen geconsumeerd. Denitrificatie vindt voorts onder anoxische omstandigheden plaats, waarbij nitriet wordt gebruikt als electronenacceptor. Om denitrificatie mogelijk 20 te maken is naast een electronenacceptor ook een electronendonor nodig. Bijvoorbeeld methanol wordt in het onderhavige proces dan ook tevens toegevoegd als een electronendonor.

Ten aanzien van het onderhavige proces kan nog het volgende worden opgemerkt. Voor de stikstof verwijdering wordt 25 het in het afvalwater aanwezige ammonium niet genitrificeerd tot nitraat, maar slechts tot nitriet. Men spreekt dan ook wel van nitrietificerende bacteriën om duidelijker aan te geven dat er hoofdzakelijk nitrietvorming plaatsvindt. De denitificerende bacteriën die zowel het nitraat als het nitriet anoxisch 30 kunnen omzetten in moleculaire stikstof, verbruiken een koolstofbron zoals methanol, zoals hierboven is toegelicht. De omzetting van nitriet in moleculaire stikstof vereist alleen echter ±40% minder methanol dan de omzetting van nitraat in stikstof. Bovendien kost de oxydatie van nitriet naar nitraat 35 zuurstof. Directe omzetting van nitriet in stikstof geeft dan ook nog eens ±25% besparing op de zuurstof rekening. De omzetting via nitriet in plaats van nitraat is derhalve economisch zeer

1 0 0 3 S 3 S

- 4 - voordelig.

Indien onder omstandigheden de omzetting via nitraat echter meer gewenst is dan de omzetting via nitriet kan dit uiteraard door verlenging van de verblijftijd van het te 5 behandelen afvalwater in het onderhavige proces worden bereikt.

In een doelmatige variant van het onderhavige proces regelt men voorts de groeisnelheid van de nitrificerende en denitrificerende bacteriën door middel van de verblijftijd in de reactor van het toegevoerde, te zuiveren afvalwater. Deze 10 verblijftijd is een belangrijke parameter, omdat de stabiliteit van het nitrificeringsproces in gevaar kan worden gebracht, doordat de maximale groeisnelheid van de biomassa afneemt bij afnemende temperatuur. Dit vereist derhalve een hogere temperatuur ten opzichte van bekende, meer conventionele 15 processen. In praktijkproeven bleek het influent van de reactor een temperatuur van 30 °c te bezitten. Door de biologische omzettingen zoals de nitrificatie zal de temperatuur ongeveer 15 °C stijgen per gram stikstof per liter die wordt verwijderd. Een procesvoeringstemperatuur boven 40 °C is echter niet meer 20 gunstig voor de stabiliteit van het onderhavige proces. Door regeling van de toe te voeren hoeveelheid te zuiveren afvalwater kan men derhalve de groeisnelheid van de biomassa regelen; de temperatuur in het systeem en derhalve de warmteproduktie daarin geeft daarbij een afspiegeling van de omzetting in het systeem. 25 Gevonden werd dat men met een verblijftijd van de toe te voeren hoeveelheid afvalwater van 0,5 - 2,5 dag, bij voorkeur van 1,3 - 2,0 dag, optimale resultaten verkrijgt, dat wil zeggen een overall zuiveringsrendement van meer dan 90%.

Doelmatig is de verblijftijd in de aerobe fase van 0,5 30 tot 2 dagen en in de anoxische fase van 0,4 tot 1 dag.

Een verlaging van de verblijftijd in de aerobe fase kan leiden tot een verbetering in de ammonium-omzetting. Dit wordt veroorzaakt doordat dan een langere verblijftijd voor de denitrif icerende bacteriën wordt bereikt bij eenzelfde cyclus-35 tijd van aerobe en anoxische periode. Dit levert een hogere gemiddelde pH op, waardoor de ammoniumomzettingssnelheid wordt verhoogd. Als de verblijftijd in de aerobe fase wordt verlengd 10 0.' 0 3 - 5 - ten koste van de verblijftijd in de anoxische fase, dan wordt de pH onvoldoende door de denitrificerende bacteriën gestabiliseerd en daalt de omzetting weer. Als de verblijftijd in de aerobe fase echter te veel wordt verkleind, treedt uitspoeling 5 van de nitrificerende bacteriën op, waardoor de omzetting eveneens daalt.

Hoewel de sturing van de pH van het proces volgens de uitvinding plaatsvindt door methanol te doseren afhankelijk van de door de biologische zuivering geproduceerde hoeveelheid 10 warmte, kan een controle op de pH uiteraard plaatsvinden door de pH van het medium direct te meten. Zoals hierboven is toegelicht, ontstaan tijdens het nitrificatieproces protonen (ofwel zuurionen), waardoor de pH van het medium lager wordt overeenkomstig de vergelijking 15 NH/ + 1,5 02 -» N02' + H20 + 2H+

De nitrif icatiesnelheid is derhalve pH-afhankelijk, zodat omgekeerd de pH als een relevante procesparameter kan worden beschouwd. Overigens werd gevonden dat tijdens de nitrificatie buffering kan plaatsvinden door bicarbonaat (HC03), dat in het 20 aan de reactor toegevoerde rejectiewater aanwezig is, of wordt toegevoegd, volgens de vergelijking HCOj' + H+ - H20 + C02

Voor een optimaal effect is het daarbij van belang dat de kooldioxyde wordt getransporteerd (gestript) van de vloei-25 stof fase naar de gasfase. Voor de dimensionering van de in de werkwijze volgens de uitvinding toe te passen reactor werd in verband daarmee dan ook gevonden dat bij een verhouding van het volume tot het bodemoppervlak van de reactor in het traject van 2-10 zeer gunstige resultaten ten aanzien van het 30 nitrificatie/denitrificatieproces volgens de uitvinding worden verkregen.

Kenmerkend voor de uitvinding is dat het proces plaatsvindt zonder toepassing van slibretentie, dat wil zeggen dat de slibverblijftijd gelijk is aan de vloeistof verblijf tijd. 35 Om dit te bereiken dienen zowel de menging als de af voer van het behandelde water doelmatig te zijn. Een goede menging kan worden verkregen door toepassing van bijvoorbeeld beluchting . · -' *.· v' - 6 - in de aerobe fase, en in de anoxische fase bijvoorbeeld door toepassing van mechanische roerwerken, vloeistof inject ie, toevoer van zuurstof arme of -loze gassen etc. Als gevolg van deze maatregelen wordt een zeer actieve bacteriepopulatie verkregen 5 die hoofdZakelijk als losse cellen en/of zeer kleine clusters van een beperkt aantal cellen in de vloeistoffase aanwezig is en niet als actiefslibvlokken.

Opgemerkt wordt voorts dat de denitrificatie in de reactor wordt uitgevoerd onder in hoofdzaak zuurstofloze omstandigheden. 10 Dergeli jke omstandigheden kunnen spontaan worden gevormd doordat de nitrificerende bacteriën de aanwezige zuurstof consumeren, waardoor het milieu vanzelf anoxisch wordt. Doelmatig, en desgewenst ter versnelling van het proces, wordt echter de denitrificatie uitgevoerd onder terugvoeren van de reeds eerder, 15 door denitrificatie gevormde stikstof. Een bijkomend voordeel hiervan is dat door de stikstofstroom door de reactor tevens de kooldioxyde uit de reactor wordt gestript.

Zoals hierboven is aangegeven, worden de door groei gevormde overmaat nitrif icerende en denitrif icerende bacteriën 20 gewonnen. In praktijk houdt dit in dat deze bacteriën door het effluent uit de reactor worden meegevoerd en toegevoegd aan de hoofdstroom van het afvalwaterzuiveringsproces, waarna de verdere zuivering van resten ammonium wordt uitgevoerd.

Opgemerkt wordt dat men het effluent uit de reactor bij 25 voorkeur daaraan onttrekt op een punt onder het in de reactor heersende vloeistofniveau, doelmatig onder plaatselijk intensief mengen. Hoewel vooralsnog niet met zekerheid is vast te stellen, is deze maatregel wellicht essentieel voor een proces zonder slibretentie.

30 Volgens een aantrekkelijke variant van de werkwijze volgens de uitvinding benut men het door nitrificatie gevormde nitrietrijke, zure effluent ten minste gedeeltelijk voor de neutralisatie van ammoniak. Deze ammoniak kan zowel aanwezig zijn in het te behandelen rejectiewater, doch kan ook aanwezig 35 zijn in een processtroom van willekeurige herkomst. De behandeling kan bijvoorbeeld worden uitgevoerd in een op zichzelf bekende gaswas-inrichting, terwijl het na behandeling verkregen 5 - - 7 - effluent voor verdere behandeling kan worden teruggevoerd naar de nitrificatiereactor volgens de uitvinding.

In bijgaande figuren 1 en 2 is schematisch het verloop van het nitrificatie/denitrificatieproces volgens de uitvinding 5 weergegeven. Meer in het bijzonder geeft fig. 1 een schets van het pH-profiel in de reactor, waarbij de pH wordt geregeld tussen 8 en 7 door toevoer van methanol.

In f ig. 2 is tevens het door toevoer van methanol teweeggebrachte nitr iet concentratie- en ammoniumconcentratieverloop 10 weergegeven voor een cyclus.

Opgemerkt wordt dat wanneer het niet of minder gewenst is dat'de in het effluent aanwezige bacteriën bij terugvoeren van het effluent naar de hoofdstroom van het afvalwater zuiveringsproces daarin terechtkomen, men volgens een zeer doelmatige 15 uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding, dit effluent eerst onderwerpt aan een behandeling met protozoën. Een dergelijke variant is in het bijzonder van belang wanneer het influent van de reactor een CZV-houdend afvalwater is. Onder CZV wordt, zoals gebruikelijk, Chemisch Zuurstof Verbruik 20 verstaan; de in oplossing relevante component daarvoor, wordt voornamelijk gevormd door in organische verbindingen gebonden koolstof. Dit materiaal fungeert als voeding voor de in de reactor aanwezige bacteriën. Door het effluent van de biologische zuivering te onderwerpen aan een behandeling met protozoën, 25 bleek het mogelijk om de in het effluent, uit de reactor meegevoerde, gesuspendeerde bacteriën in hoofdzaak te verwijderen.

Opgemerkt wordt voorts dat het in de werkwijze volgens de uitvinding toegepaste principe van afwezigheid van 30 slibretentie eveneens doelmatig kan worden toegepast bij de behandeling van CZV-houdend afvalwater. Meer in het bijzonder betekent dat dan een vervanging van de onderhavige nitrietroute door de CZV-route, waarbij een overall zuiveringsrendement van meer dan 50% werd verkregen.

35 De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van het volgende voorbeeld.

Voorbeeld s V.' - 8 -

In dit voorbeeld werd een reactor met continue doorstrooro en zonder slibretentie toegepast. Een dergelijke reactor maakt het mogelijk om de bacteriepopulatie met de laagste maximale groeisnelheid selectief uit het systeem te spoelen.

5 Dit vindt plaats doordat met een verblijftijd kan worden gewerkt die lager is dan de maximale reciproke groeisnelheid van de ene bacteriepopulatie (in casu de nitrietoxydeerders die de aanwezige nitriet oxyderen tot nitraat), maar hoger is dan de maximale reciproke groeisnelheid van de andere 10 bacteriepopulatie (in casu de ammoniumoxydeerders). De uitspoeling van de nitrietoxydeerders leidt derhalve tot een ophoping van nitriet in de reactor.

De toegepaste reactor bezat een diameter van ± 20 m en een hoogte van 6 m, derhalve een effectief volume van ± 1150 m3. 15 Het influent voor de reactor, het zogenaamde rejectiewa- ter, bezat een temperatuur van ±30 °C en een ammoniakconcentatie van ± 1000 mg N/l, terwijl de totaal toegevoerde hoeveelheid rejectiewater ongeveer 760 m3 per dag bedroeg.

In de reactor was voor de omzetting van ammoniak in 20 nitriet, gevolgd door de omzetting in stikstof ± 120 kg biomassa aanwezig.

De behandeling van het rejectiewater vond plaats in de reactor met een cyclus-opbouw, zoals deze is weergegeven in fig. 2, dat wil zeggen een cyclusduur van ± 2 uur bestaande 25 uit een beluchtingsperiode van ±80 min, gevolgd door een periode met terugvoer van de in een eerste periode gevormde stikstof gas, van ± 40 min.

In stationaire toestand van het proces werd zoveel rejectiewater toegevoerd aan de reactor dat de verblijftijd 30 ±1,5 dag bedroeg. De toevoer van methanol bedroeg ± 1 kg per kg als ammonium gebonden stikstof, en werd zodanig, onder meting van het temperatuursverschil tussen ingang en uitgang van de reactor, uitgevoerd dat de pH van het medium kon worden gehouden tussen ± 7,2 en 7,7.

35 Aldus behandeld rejectiewater bezat nog slechts een stikstof concentratie van ± 80 mg totaal N.l'1, dat ter behandeling aan de hoofdstroom van de zuiveringsinstallatie kon worden / - 9 - teruggevoerd. De behandeling van dit rejectiewater gaf derhalve als resultaat een zuiveringsrendement van ± 90%.

10 0 3j o 5

Claims (9)

1. Werkwijze voor de biologische zuivering van ammoniumrijk afvalwater in ten minste een reactor die een temperatuur bezit van ten minste 25 °C, door het afvalwater, te voeren door de genoemde reactor(s) met een door natuurlijke selectie, in 5 afwezigheid van slibretentie verkregen populatie in gesuspendeer-de toestand van nitrificerende en denitrificerende bacteriën ter vorming in een eerste stadium, onder toevoer van zuurstof, van een nitrietrijk afvalwater, en door desgewenst in een tweede stadium zonder toevoer van zuurstof, het aldus verkregen 10 nitrietrijke afvalwater te onderwerpen aan denitrificatie in aanwezigheid van een koolstof bron, zoals methanol, zodanig dat de contactperiode tussen het ammoniumrijke afvalwater en de nitrificerende bacteriën ten hoogste ongeveer twee dagen bedraagt, en de pH van het medium wordt geregeld tussen 6,5 15 en 8,5 door toevoer van de genoemde koolstof bron, en de door groei gevormde overmaat nitrificerende en denitrificerende bacteriën en het door denitrificatie gevormde effluent worden gewonnen, waarbij de behoefte aan de genoemde koolstofbron tijdens de zuivering afhankelijk van de in de reactor 20 geproduceerde hoeveelheid warmte wordt geregeld.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij voorts de groeisnelheid van de nitrificerende en denitrif icerende bacteriën wordt geregeld door middel van de verblijftijd in de reactor van het toegevoerde, te zuiveren afvalwater.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat een verblijftijd van 0,5 - 2,5 dag, bij voorkeur 1,3-2,0 dag wordt toegepast.

4. Werkwijze volgens een of meer der conclusies l tot 3, met het kenmerk, dat men de verblijftijd van het te zuiveren 30 afvalwater onder nitrificerende omstandigheden verlengt ter vorming van nitraat.

5. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1 tot 4, met het kenmerk, dat de denitrificatie in de reactor wordt uitgevoerd onder in hoofdzaak zuurstofloze omstandigheden.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de i , ’ ’· \ ·: . - 11 - denitrificatie wordt uitgevoerd onder terugvoer van de reeds eerder door nitrificatie gevormde stikstof.

7. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1 tot 6, met het kenmerk, dat men het effluent uit de reactor onttrekt 5 op een punt onder het in de reactor heersende vloeistofniveau.

8. Werkwijze volgens een of meer der conclusies 1 tot 7, met het kenmerk, dat men het effluent van de biologische zuivering onderwerpt aan een behandeling met protozoën.

9. Werkwijze volgens een of meer der conclusies l tot 3, 10 met het kenmerk, dat men het door nitrif icatie gevormde nitrietrijke, zure effluent ten minste gedeeltelijk benut voor de neutralisatie van ammoniak.