Die Erfindung betrifft ein industrielles Verfahren, das zur Nährstoffentfernung von Stickstoff und Phosphor aus industriellen und öffentlichen Abwässern genutzt wird.

Unterschiedliche Verfahren zur Entfernung biologischer Nährstoffe aus Wasser und Abwasser haben herkömmlicherweise eine Kombination von Verfahren durch Behandlung mit aktivierten, eingehängten Feststoffen oder Verfahren mit befestigten Folien verwendet, wie sie in Büchern, Fachzeitschriften und – magazinen beschrieben sind.

Bei der biologischen Stickstoffentfernung enthält das einlaufende domestische unbearbeitete Abwasser Stickstoff in der Form industriellen Ammoniaks, Harnstoffs oder Düngers. Während des Verfahrens wird zunächst Stickstoff durch Bakterien, beispielsweise der Gattung Nitrosomonas, in Gegenwart von Sauerstoff in Nitrite umgewandelt, woraufhin es durch Bakterien, beispielsweise der Gattung Nitrobakter, in Nitrate umgewandelt wird. Um zu denitrifizieren, das bedeutet, Stickstoff aus der Lösung zu entfernen, müssen die Nitrate einem Tank mit Sauerstoffmangel zugeführt werden, in dem das Sauerstoffniveau niedriger als 0,5 mg/l ist. Denitrifizierende Bakterien, beispielsweise der Gattung Pseudomonas, Aktomobakter und Bazillius, reduzieren die Nitrate zu Stickstoffgas, indem sie organischen Kohlenstoff für ihren Metabolismus nutzen.

In allen bekannten Fällen beinhaltet die biologische Entfernung (insbesondere auf Basis von natürlich vorkommenden Bakterien zur Behandlung) des Stickstoffs das Bauen von Tanks, die als anoxische Tanks oder Sauerstoffmangeltanks bezeichnet werden und teilweise sauerstofffrei sind, und das Rückführen eines Anteils nitrifizierter Ausflüsse in sie. Unter Sauerstoffmangelbedingungen mit einer Kohlenstoffquelle werden natürlich vorkommende Bakterien das nitrifizierte Abwasser entnitrifizieren, sodass Stickstoffgas entsteht.

Phosphor ist in domestischen Abwässern aufgrund des Einflusses von Waschmitteln, Düngern und industriellen Ausflüssen enthalten. Biologische Phosphorentfernung benötigt drei unterschiedliche Phasen. 1. Eine Sauerstoffmangelphase, während welcher ein Anteil des eintretenden Polyphosphors durch Phosphor ansammelnde Bakterien aufgenommen wird. 2. Eine anaerobe Phase (vollständig ohne Sauerstoff), während welcher das Polyphosphor von den Bakterien wieder in Lösung zurückfließt und während welcher flüchtige Fettsäuren, die durch gelöstes verwesendes organisches Material entstehen, von den Bakterien in Form von Poly-Beta-Hexabutyrat aufgenommen werden, welches die Verdauungsfähigkeiten der Bakterien für die dritte Phase erhöht. 3. Eine Sauerstoffphase, beispielsweise in einem Sauerstoffanreicherungstank, während welcher Phosphor ansammelnde Bakterien das gelöste wiederausgestoßene Phosphor sowie jede andere verfügbare Form von gelöstem Phosphor in der Form von Ortho-Phosphat aufnehmen.

Die gängigste der bekannten Technologien zur Entfernung von Stickstoff aus Abwasser wird „das Bardenpho-Verfahren" genannt. Im Wesentlichen wechselt dieses Verfahren eine aerobe Zone mit einer Sauerstoffmangelzone in verschiedenen Tanks, um Stickstoffentfernung zu erreichen.

EP-A-302545 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

EP-A-458760 offenbart ebenso ein Verfahren, in dem anaerobe und anoxische Bedingungen existieren, aber die entsprechenden Umgebungen werden durch Aufteilen eines Reaktionsgefäßes erzeugt.

WO-A09313023 beschreibt des Weiteren ein Verfahren, in dem Klärschlamm aus einem abschließenden Klärschritt in anaerobe und anoxische Zonen zurückgeführt wird.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Behandlung von Abwässern zur Entfernung von Stickstoff und Phosphor zu schaffen, das eine reduzierte Anzahl an Schritten aufweist und sowohl kostengünstig als auch effizienter ist.

Dieses Ziel wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 erreicht.

Weitere bevorzugte Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.

Um das Verständnis der Erfindung zu unterstützen, werden nun einige spezielle Ausführungsbeispiele derselben durch Beispiele und unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 ein Flussdiagramm ist, das ein bekanntes Verfahren zur Behandlung von Abwasser zeigt;

2 ein Flussdiagramm ist, das ein mögliches Layout des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt;

3 einen Querschnitt des Ausgleichstanks im Layout des Verfahrens nach 2 darstellt;

4 einen Querschnitt eines umgebauten primären Absetztanks im Layout des Verfahrens nach 2 darstellt;

5 ein Flussdiagramm ist, das die Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung auf ein herkömmliches Belebtschlamm-Verfahren zeigt.

Mit Bezug auf 1 ist ein Flussdiagramm eines bekanntes Verfahrens zur Behandlung von Abwässern dargestellt, welches im Stand der Technik als „das Bardenpho-Verfahren" bekannt ist. Dieses Verfahren umfasst ein Minimum von fünf getrennten Tanks oder Abteilungsphasen für das Entfernen von Stickstoff. Rohe Abwässer oder primärer Ausfluss 1 wird einem Sauerstoffmangeltank 2 (auch anoxischer Tank genannt) zugefügt, wo eine teilweise Denitrifikation ausgeführt werden kann, der sekundäre Ausfluss 9 wird dann zur Behandlung einem aeroben Tank 3 zugeführt, wo sowohl Oxidation als auch Nitrifikation durchgeführt werden, wobei in dieser Stufe einiges des tertiären Ausflusses 10, wie bei 4 angedeutet, in den Sauerstoffmangeltank 2 zurückgeführt werden kann, und der tertiäre Ausfluss 10 wird einem Sauerstoffmangeltank 5 zugeführt, wo die Denitrifikation ausgeführt wird. Da viel organischer Kohlenstoff in den vorherigen Stufen entfernt wurde, kann es notwendig sein, eine weitere Quelle von organischem Kohlenstoff zuzufügen, beispielsweise Methanol, um den Denitrifikationsprozess zu beschleunigen. Der quaternäre Ausfluss 11 wird dann einer aeroben Zone 6 und schließlich einer sekundären Kläreinrichtung 7 zugeführt, wonach der behandelte Ausfluss 8 das System verlässt.

Veröffentlichten Daten zufolge ist die maximale Denitrifikationsrate, die mit „dem Badenpho-Verfahren" erreicht werden kann, unter nichtkohlenstoffbeschränkenden Bedingungen im Bereich von 0,12 Kg.N/kg.VSS.d. Ein simuliertes Beispiel, das dieses Verfahren verwendet, lieferte als Ergebnis eine Denitrifikationssrate von 0.23 mg.N/L.h. für domestische Abfälle und 0,14 mg.N/L.h. für Abwässer mit industriellem Verschmutzungsgrad. Für Abwässer desselben Verschmutzungsgrads, das denselben Umgebungsbedingungen ausgesetzt war, wurde mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine Denitrifikationssrate von 10.26 mg.N/L.h. für domestischen Abfall und 10.95 mg.N/L.h. für Abwässer industriellen Verschmutzungsgrads festgestellt. Dies stellt eine fast 100fache Verbesserung gegenüber bekannten Verfahren dar. Die Vorteile der Denitrifikation umfassen Sauerstoffwiedergewinnung, die Reduzierung der kohlestoffhaltigen Konzentration von Abwässern, die eine Behandlung erfordern, und Basizitätsrückgewinnung. Dies führt dann zu geringeren Leistungsanforderungen an das aerisierende Medium und geringeren Grundflächenanforderungen. Es hat keine bekannten Nachteile. Die Wichtigkeit des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass Behandlungsanlagen nicht mehr so groß oder so teuer sein müssen, wie sie es im Moment sind, um hochqualitativen Ausfluss zu erreichen.

Es wird nun auf die 2 bis 4 Bezug genommen, in denen gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und die ein mögliches Layout des Verfahrens zur Behandlung von Abwasser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. Das System 12 umfasst ein Minimum von drei Schritten oder ein Maximum von vier Schritten, die aus wenigstens drei unterschiedlichen Tanks oder Abteilen bestehen. Dennoch kann offensichtlich vorausgesehen werden, dass bei Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung auf ein existierendes System oder in Kombination mit anderen bekannten Technologien zusätzliche Schritte zur Erfüllung zusätzlicher Funktionen integriert werden können. Rohes Abwasser oder Abwasser 1 wird in den ersten Schritt zugeführt, einen Ausgleichstank oder einen umgebauten primären Absetztank 13. Wenn der erste Schritt einen Ausgleichstank 13 umfasst, wie in 3 dargestellt, ist der Ausgleichstank 13 so dimensioniert, dass eine Sauerstoffmangelzone (anoxische Zone) A um den Eingangspunkt des rohen Abwassers oder Abwassers 1 entsteht, eine anaerobe Zone B im umgebenden Bereich entsteht und eine Sauerstoffzone C in der Oberflächenschicht entstehen kann, üblicherweise etwa 6 cm tief. Der Tank 13 muss so dimensioniert sein, dass diese Zonen entstehen können, wobei, wo nur die Entfernung von Stickstoff benötigt wird, ein kleinerer Tank 13 mit lediglich einer Sauerstoffmangelzone A benutzt werden kann. Die benötigte Größe des Tanks 13 hängt von den Eigenschaften des unbearbeiteten Abwassers und dem Durchfluss ab.

In einer Alternative kann der erste Schritt einen umgebauten primären Absetztank 13 umfassen, von welchem ein Beispiel in 4 dargestellt ist. In einem nicht umgebauten primären Absetztank fließt das Abwasser 1 in den Tank 13, wobei die mittigen Umlenkeinrichtungen 19 in einer ausgefahrenen Stellung, wie durch die gepunktete Linie angedeutet, sind und somit das Abwasser 1 wie durch die gepunkteten Pfeile 20 angedeutet nach unten zwingen, wobei sich Klärschlamm 21 am Boden absetzt und in regelmäßigen Abständen mittels des Auslasses 22 entfernt wird, welcher einen Stophahn 23 aufweist. Der Ausfluss zur weiteren Behandlung fließt über die obere Kante der Seiten des Tanks, wie durch die gepunkteten Pfeile 24 angedeutet. In einem umgebauten primären Absetztank 13 befinden sich die zentralen Umleiteinrichtungen 19 in einer niedrigen Position, sodass das Abwasser 1 über sie fließen kann und eine Sauerstoffmangelzone A erzeugt wird, wo das Abwasser 1 in den Tank 13 einfließt. Die flüssige Oberflächenschicht kann eine Sauerstoffzone C bilden und im Rest des Tanks 13 entsteht eine anaerobe Zone B. Der sekundäre Ausfluss 14 zur Entfernung aus dem Tank 13 zu einem zweiten Schritt im Tank 3 wird durch den Auslass 22 entfernt, mit welchem ein Flusssteuerungsventil (nicht gezeigt) verbunden sein kann. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich einen ersten Schritt umfassen, der aus einem Ausgleichstank 13 besteht, dem ein nicht umgebauter primärer Absetztank folgt, was insbesondere wünschenswert ist, wenn das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in einer existierenden Abwasserbehandlungsanlage verwendet werden soll.

Die folgenden biologischen Reaktionen können in dem Ausgleichstank oder dem umgebauten primären Absetztank 13 erfolgen: In der Sauerstoffmangelzone A treten die Nitrifikation und die Sauerstoffmangelphasen in der Phosphorentfernung auf, während welcher ein Anteil des einströmenden Polyphosphors durch Phosphor ansammelnde Bakterien aufgenommen wird; in der anaeroben Zone B tritt die anaerobe Phase der Phosphorentfernung auf, während welcher das Polyphosphor durch die Bakterien wieder in Lösung ausgestoßen wird und während welcher flüchtige Fettsäuren, die durch gelöstes verwesendes organisches Material entstehen, durch die Bakterien in Form von Poly-Beta-Hexabutyrat aufgenommen werden.

Der sekundäre Ausfluss 14 wird dann einem Belüftungstank oder einer Belüftungsabteilung 3 zugeführt, die eine aerobe Zone darstellt, in welcher kombinierte Oxidation und Nitrifikation und die abschließende Sauerstoffphase der Phosphorentfernung auftreten. Einiges des tertiären Ausflusses oder der nitrifizierten gemischten Flüssigkeit 15 wird dann, wie bei 16 angedeutet, in den Ausgleichs-/primären Tank 13 zurückgeführt, während der verbleibende tertiäre Ausfluss 15 der sekundären Kläreinrichtung 7 zugeführt wird. Vorteilhafterweise wird die nitrifizierte gemischte Flüssigkeit 15 nach der Prozessierung durch den Tank, wie durch den gepunkteten Pfeil 16a angedeutet, entfernt. Weiteres Absetzen findet in der sekundären Kläreinrichtung 7 statt und ein Anteil des Klärschlamms, der Mikroorganismen umfasst, (bekannt rückzuführender Belebtschlamm) kann, wie bei 17a angedeutet, in den Tank 3 zurückgeführt werden, um die Bevölkerung von Mikroorganismen aufrecht zu halten, während überschüssiger rückzuführender Belebtschlamm 17b als Abfall aus dem System 12 entfernt werden kann. Der verbleibende behandelte Ausfluss 18 wird aus dem System 12 entlassen.

In bekannten Verfahren zur Entfernung von Stickstoff kann die Anordnung des Sauerstoffmangeltanks nach der Entstehung der Nitrate unterschiedlich sein. In den meisten bekannten Verfahren wird ein zusätzlicher Tank nach dem abschließenden Absetztank verwendet, wobei man der Tatsache vertraut, dass die denitrifizierenden Bakterien den verbleibenden organischen Kohlenstoff in dem Ausfluss zur Denitrifikation nutzen. Dennoch ist in der Praxis häufig nicht genügend Kohlenstoff im System übrig, weshalb der Prozess der Denitrifikation sehr viel länger als notwendig dauert. Um dieses Problem zu lösen nutzen bekannte Verfahren eine externe Kohlenstoffquelle, beispielsweise Methanol, das in die Lösung eingespritzt wird. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung jedoch wird ein Anteil der gemischten Flüssigkeit mit den Nitraten 15, wie bei 16 angedeutet, in den Ausgleichs- oder primären Tank 13 (der die größte Konzentration organischer Kohlenstoffe in dem System aufweist) zurückgeführt, wodurch eine verringerte absolute Stickstoffkonzentration in dem abschließenden Ausfluss 18 bewirkt wird. Da die aktiven Bakterien einen beträchtlichen Anteil des organischen Kohlenwasserstoffs zur Denitrifikation in der Sauerstoffmangelzone A des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung nutzen, wird das kohlenstoffhaltige Material, das weiterer Behandlung in der Belüftungszone 3 benötigt, verringert und eine beträchtliche Verbesserung in der Qualität des abschließenden Ausflusses erzielt.

Das Entfernen des Phosphors gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt die Notwendigkeit eines Sauerstoffmangeltanks, der einem anaeroben Tank vorgeschaltet ist.

Der Ausgleichstank 13 im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Allgemeinen genutzt werden, um in ein Behandlungswerk einströmende Flüsse auszugleichen und als biologischer Reaktor zu fungieren, der nitrifizierte gemischte Flüssigkeit in große Nähe zu unbearbeitetem Abwasser zu jeder Zeit bringt. Im Fall des Bardenpho-Verfahrens, wie es in 1 dargestellt ist, wird ein getrennter Tank oder ein getrenntes Abteil 2 so dimensioniert, dass es den Denitrifikationsanforderungen entspricht und die Sauerstoffmangelzone definiert. Das beinhaltet, dass eine Grenze für die Wiederzuführungsrate von nitrifizierter gemischter Flüssigkeit erreichbar ist. Im Falle des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird nitrifizierte gemischte Flüssigkeit bei einer optimalen Rate in den Ausgleichstank zurückgebracht, um die Anforderungen des abschließenden Ausflusses zu erfüllen, das bedeutet, die Zurückführungsrate ist veränderlich. Die Notwendigkeit, die Größe der zusätzlichen Behandlungseinheit in Bardenpho-Verfahren zu begrenzen, begrenzt die Zurückführungsraten auf etwa 1 Flussmenge bei trockenem Wetter (DWF-Dry Weather Flow). Werden Ausgleichstanks benutzt, liegt die auszugleichende Flussänderung im allgemeinen zwischen 0,3 DWF und 3 DWF. Im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird das einströmende rohe Abwasser und Abwasser 1 als eine reiche Quelle kohlenstoffhaltigen Materials, das zur Denitrifikation benötigt wird, verwendet. Daher besteht diesem Tank nachgeschaltet keine Notwendigkeit für einen folgenden Wechsel von Sauerstoffmangeltanks 5 und aeroben Tanks 6. Die Form und Größe des Ausgleichs- oder primären Absetztanks 13, die benötigt wird, hängt von der gewünschten Qualität des Ausflusses ab, aber grundsätzlich kann durch Zufuhr in den aeroben Reaktor bei der Ausgleichszufuhrrate plus der Wiederzuführungsrate die notwendige Anforderung des Ausgleichs einströmender Flüsse erhalten werden.

Bekannte Verfahren zur Behandlung von Abwässern sind so ausgelegt, dass sie einen maximalen empfangenen Fluss handhaben können. Wenn ein Ausgleichstank benutzt wird, da die Flussrate gesteuert wird, ist die benötigte Kapazität von Behandlungseinheiten, Tanks oder Abteilen verringert. Der Vorgang des Ausgleichs setzt die Ansammlung unbehandelten Abwassers im Ausgleichstank voraus. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Tank 13 so dimensioniert, dass zusätzlich zur Funktion des Ausgleichs er auch sowohl als ein Sauerstoffmangel- als auch ein anaerober Tank wirkt. Dies wird durch die konstante Wiederzuführung 16 von nitrifizierter gemischter Flüssigkeit oder nitrifiziertem gemischtem Ausfluss ermöglicht, der den unmittelbaren Bereich um das Zuführrohr in den Tank 13 in eine Sauerstoffmangelzone verwandelt und schließlich zu anaeroben Bedingungen führt. Die Möglichkeit, diese drei Stufen in einem einzigen Tank zu realisieren, erlaubt es, die Stickstoff- und die Sauerstoffentfernung zu selben Zeit durchzuführen. Vorteilhafterweise bedeutet demnach die Entfernung von sowohl Stickstoff als auch Phosphor im Ausgleichstank 13 eine Minimierung der benötigten Grundfläche für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.

Es wird nun Bezug genommen auf die 5, in der gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und die ein herkömmliches Belebtschlamm-Verfahren 25 zeigt, in dem unbearbeitetes Abwasser oder Abwasser 1 in primäre Sedimentationstanks zur physikalischen Trennung von Feststoffen 26 eingeleitet wird. Der Ausfluss wird dann zu einem Belüftungstank 27 zur biologischen Oxidation von kohlenstoffhaltigem Material und Nitraten weitergeleitet, wonach der Ausfluss in abschließende Absetztanks 28 geleitet wird. Wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf das herkömmliche Belebtschlamm-Verfahren 25 angewendet wird, wird ein Ausgleichstank (nicht gezeigt) den primären Tanks 26 vorgeschaltet, um einströmende Flüsse auszugleichen und als ein Sauerstoffmangel- oder Sauerstoffmangel- und aerober Tank zu dienen. Im Betrieb wird dieser Tank immer teilweise gefüllt sein. Der Ausfluss des Ausgleichstanks gelangt dann in die primären Tanks 26, von wo primärer Klärschlamm entsorgt wird. Ein Teil dieses Klärschlamms kann in den Belüftungstank 27 zurückgeführt werden, der eine aerobe Zone ist, um eine überlebensfähige Bevölkerung an Mikroorganismen in dem aeroben Tank 27 zu erhalten, was zusätzlich zum Wiederzuführen 17a von rückgeführtem Belebtschlamm geschieht. Der Unterschied im Betrieb der Stickstoffentfernungsphase und des Phosphorentfernungsmodus ist, dass ein Mixer in den primären Tanks benötigt wird, um den Klärschlamm in Suspension zu halten, sodass die Phosphor entfernenden Mikroorganismen die flüchtigen Fettsäuren, die in den primären Tanks 26 gebildet werden, verspeisen können und diese dann in den Belüftungsteil 27 zur Phosphorentfernung überführen können. Die Abfallerzeugung aus den primären Tanks 26 wird minimal sein und in Belebtschlamm-Anlagen mit ausgedehnter Belüftung, das heißt, in denen ein primärer Tank 26 nicht vorhanden ist, wird der Ausgleichstank so dimensioniert sein, dass alle Phasen im Ausgleichstank stattfinden.

Es ist ebenso klar, dass zahlreiche Veränderungen und Modifikationen an dem obigen Verfahren durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, und dass die Erfindung auch auf anderen Arten der Abwasserbehandlung anwendbar ist, beispielsweise SBR-Verfahren (Sequencing Batch Reactor) oder Anlagen mit eingetauchten belüfteten Filtern. Durch Dimensionierung bestehender Ausgleichstanks oder Umwandlung bestehender primärer Absetztanks oder septischer Tanks kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung in bekannten Systemen angewendet werden, um das Entfernen von sowohl Stickstoff als auch Phosphor zu ermöglichen und die Effizienz zu erhöhen, sowie die Kosten bekannter Systeme zu senken. Beispielsweise kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung in einem System mit eingetauchten belüfteten Filtern verwendet werden, in dem der Belüftungstank 3 und die Kläreinrichtung 7 in ein einziges System kombiniert sind, wobei in diesem Fall eine Anpassung durch Wiederzuführung des Klärschlamms 17a vom Boden der Kläreinrichtung 7 zum ersten Schritt 13 erforderlich wäre. Herkömmlicherweise wird in Systemen mit belüfteten eingetauchten Filtern der Klärschlamm in regelmäßigen Abständen abgelassen, jedoch kann bei Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung der Klärschlamm kontinuierlich entfernt werden.