DE3534957A1

DE3534957A1 - Verfahren und anlage zur denitrifikation von trinkwasser

Info

Publication number: DE3534957A1
Application number: DE19853534957
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Ing Diering; Andreas Dipl Ing Diering
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-10-01
Filing date: 1985-10-01
Publication date: 1987-04-09
Also published as: DE3534957C2

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zur Denitrifikation von Trinkwasser, wobei das nitratbeladene Rohwasser, ggf. nach Zugabe von Dosierungssubstanzen, in eine biologische Denitrifikationsstufe sowie das behandelte Gemisch aus Wasser und Mikroorganismen in eine Nachklärstufe eingeführt werden, aus der das Reinwasser einem Trinkwassernetz zugeführt wird, wobei außerdem Rückführschlamm aus der Nachklärstufe in die Denitrifikationsstufe eingeführt werden kann. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine Anlage, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens besonders geeignet ist und funktionssicher arbeitet.

Bei den bekannten gattungsgemäßen Maßnahmen ist der Denitrifikationsstufe eine Belüftungsstufe vorgeschaltet, weil man glaubte, im Rohwasser vorhandene, oxidierbare Stickstoffverbindungen, wie Ammonium, zunächst zu Nitrat oxidieren zu müssen. Der Rückführschlamm wurde nicht unmittelbar in die Denitrifikationsstufe, sondern in die Belüftungsstufe eingeführt. Sowohl in der Belüftungsstufe als auch in der Denitrifikationsstufe arbeitet man mit großen, rechteckigen Becken, die strömungsmäßig hintereinander geschaltet sind. Die Verfahrensführung ist durch Flotationsvorgänge gestört. Die erzielten Reinigungsergebnisse befriedigen nicht. Die bekannten Maßnahmen haben daher in die Praxis keinen Eingang gefunden. Die Praxis arbeitet bei der Denitrifikation von Trinkwasser mit Festbett- oder Fließbettreaktoren und nimmt die damit verbundenen Nachteile, einschließlich einer umfangreichen und aufwendigen Nachreinigung sowie die damit verbundenen Kosten, in Kauf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren betriebssicher so zu führen, daß ein einwandfrei denitrifiziertes Reinwasser erhalten wird, welches einer aufwendigen Nachreinigung nicht bedarf, wenn auch eine übliche Trinkwasseraufbereitung, z. B. eine Chlorierung, angeschlossen werden kann. Der Erfindung liegt fernerhin die Aufgabe zugrunde, eine Anlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben, die sich durch Einfachheit und Funktionssicherheit auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Rohwasser unmittelbar in die Denitrifikationsstufe eingeführt wird, daß das behandelte Gemisch aus der Denitrifikationsstufe zuerst ohne Zwischenklärung in eine Nachbehandlungsstufe mit Belüftungseinrichtung für eine aerobe Nachbehandlung und danach in die Nachklärstufe eingeführt wird, und daß in der Denitrifikationsstufe eine hohe Biomassedichte aufrechterhalten wird. Dazu wird das behandelte Gemisch aus der Denitrifikationsstufe in die Nachbehandlungsstufe zweckmäßigerweise über eine Biomassenrückhalteeinrichtung eingeführt. Ohne Schwierigkeiten lassen sich in der Denitrifikationsstufe durch die beschriebenen Maßnahmen und die Einführung von Rückführschlamm Biomassedichten zwischen 4 bis 15 kg TS/m³ aufrechterhalten, Werte, die für das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft sind. Die Betriebsverhältnisse lassen sich ohne Schwierigkeiten funktionssicher einstellen. Das gilt insbesondere dann, wenn nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sowohl in der Denitrifikationsstufe als auch in der Nachbehandlungsstufe mit Pfropfenströmung gearbeitet wird.

Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein einwandfrei denitrifiziertes Reinwasser erhalten wird, welches einer aufwendigen Nachreinigung nicht mehr bedarf. Eine übliche Wasseraufbereitung kann abgeschlossen werden. Von besonderem Vorteil ist fernerhin, daß für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren mit einer sehr einfachen Anlage gearbeitet werden kann.

Eine Anlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem mit Pfropfströmung gearbeitet wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges äußeres Denitrifikationsbecken für die Denitrikfikationsstufe sowie ein ringförmiges inneres Nachbehandlungsbecken mit Belüftungseinrichtung für die Nachbehandlungsstufe konzentrisch zueinander und um ein zentrales Nachklärbecken der Nachklärstufe angeordnet sind, wobei das Denitrifikationsbecken sowie das Nachbehandlungsbecken Propulsionseinrichtungen für die Erzeugung und Aufrechterhaltung der Pfropfströmung aufweisen,
daß die Überführung der Mischung aus behandeltem Wasser und Mikroorganismen aus dem Denitrifikationsbecken in das Nachbehandlungsbecken über ein Überlaufwehr ggf. mit Parallelplattenabscheider für die Biomassenrückhaltung, erfolgt,
daß für die Überführung der Mischung aus dem Nachbehandlungsbecken in das Nachklärbecken eine als Dükerleitung ausgebildete Überführungsleitung vorgesehen ist, die in einem im Nachklärbecken zentral angeordneten Verteiler mündet,
und daß ferner für die Rückführung von Rückführschlamm aus dem Nachklärbecken in das Denitrifikationsbecken sowie für die Abführung von Überschußschlamm eine um das Zentrum der Anlage rotierende, mit Saugräumern ausgerüstete Räumbrücke vorgesehen ist, die einerseits an eine dem Denitrifikationsbecken zugeordnete Rückführrinne und andererseits an eine Abziehrinne anschließbar ist.

Im folgenden werden die Erfindung und die erreichten Vorteile anhand eines Ausführungsbeispiels ausführlicher erläutert.

Ausführungsbeispiel einer Trinkwasseraufbereitungsanlage mit biologischer Nitratbeseitigung

Das nachfolgende Beispiel beschreibt eine Anlage zur biologischen Denitrifikation (Elimination von Nitrat) von nitratbelastetem Grundwasser, das für die Trinkwasserversorgung aufbereitet wird. Das Wasserwerk versorgt eine Kommune mit einem durchschnittlichen täglichen Wasserbedarf von 8.500-10.000 m³/d. Der stündliche Wasserdurchsatz der Anlage beträgt 400 ³/h.

Das Rohwasser ist frei von Feststoffen und hat eine Nitratkonzentration von 133 g NO₃/m³ entsprechend einer Nitratstickstoffkonzentration von
30 g NO₃-N/m³.

Das Nitrat wird weitgehend in der Anlage eliminiert. Das denitrifizierte Rohwasser hat einen Nitratgehalt von 13 g NO₃/m³ entsprechend 3 g NO₃-N/m³.

Das System der Gesamtanlage ist in Zeichnung 1 schematisch dargestellt. Zeichnung 2 zeigt die Denitrifikationsanlage - Denitrifikationsreaktor (DNR), die ªerobe Nachbehandlung (ANB) und das Nachklärbecken - im Detail.

Das aus dem Grundwasserbrunen gepumpte Rohwasser (Zeichnung 1) passiert im Zulauf (1) zunächst eine Meßstelle (2). Neben der Wassermenge sowie den üblicherweise gemessenen Parametern werden hier mit On-Line-Meßverfahren folgende für das weitere Verfahren wichtigen Wasserkennwerte bestimmt:
- pH-Wert
- Trübung
- Färbung
- NO₃-Konzentration.

Die Meßwerte werden über EDV erfaßt sowie zu Steuerimpulsen weiterverarbeitet und regeln die einzelnen Dosierungselemente der Dosierstelle (3).

Hier werden proportional zur Wassermenge je nach Zusammensetzung des Rohwassers 0,2-1 mg Phosphor pro m³ Wasser zugegeben. Weiterhin werden dem aufzubereitenden Wasser bakteriell verwertbare, biologisch leicht zu oxidierende organische Verbindungen zugesetzt.

Hierfür kommen grundsätzlich in Frage:
- einfache Alkohole, wie Methanol und Ethanol,
- Kohlehydrate wie Glucose, Saccharose oder auch Melasse,
- Essigsäure oder deren Natriumsalz (Acetat),
- Methan, Erdgas sowie
- Mischungen dieser Stoffe.

Im vorliegenden Fall erfolgt eine Zudosierung von Acetat. Die Acetatdosierung erfolgt Frachtproportional. Pro kg Nitrat im Zulauf werden 0,95 kg CH₃COOH dosiert. Je nach Rohwasserbeschaffenheit kann diese Dosierung entsprechend varieren.

Das mit Nährstoffen beaufschlagte Rohwasser gelangt in die Denitrifikationsanlage 4 (siehe Zeichnung 2). Die Denitrifikationsanlage besteht aus zwei um das in der Mitte liegende Nachklärbecken konzentrisch angeordneten Belebungsbecken mit Pfropfenströmung (Plug-Flow). Eine Zwischenklärung des Wassers beim Übergang vom ersten zum zweiten Belebungsbecken findet nicht statt. Die Dentitrifiationsanlage arbeitet als Einschlammsystem.

Die eigentliche Nitratelimination findet im äußeren Ringbecken (4.1), dem Denitrifiationsreaktor (DNR) statt. Der DNR hat ein Volumen von 500 m³. Die mittlere Aufenthaltszeit beträgt 1,25 Stunden.

Die Stickstoffraumbelastung beträgt 0,6 kg NO₃-N/(m³ × d), die BSB₅-Raumbelastung 2,7 kg BSB₅/(m³ × d). Belebte Biomasse liegt in eine Konzentration von 4 kg TS/m³ vor. Die Schlammbelastungen betragen somit 0,15 kg NO₃-N/(kg TS × d) bzw. 0,675 kg BSB₅/(kg TS × d).

Das Milieu im DNR (4.1) ist anoxisch, d. h., Sauerstoff liegt nicht in gelöster, sondern nur in gebundener Form als Nitratsauerstoff NO₃ vor.

Zur Umwälzung des Beckeninhalts sowie zur Aufrechterhaltung einer gerichteten Pfropfenströmung sind Propulsionselemente (4.4) über den Beckenumfang angeordnet, so daß die Umlaufgeschwindigkeit des Wassers größer als 25 cm/s ist.

Das Gemisch aus Wasser und Mikroorganismen fließt über die Wehrschwelle (4.11) in das zweite Belebungsbecken (42), die ªerobe Nachbehandlung (ANB). Auf der Wehrschwelle (4.11) sind entgegen der Strömungsrichtung Parallelplattenabscheider angebracht, die mit dazu beitragen, eine hohe Biomassendichte von 4 kg TS/m³ bis zu 15 kg TS/m³ im Denitrifikationsreaktor (4.1) zu gewärleisten.

Weiterhin kann über die Leitung (4.6) der Räumbrücke (4.15) bei Bedarf Rücklaufschlamm aus dem Nachklärbecken (4.3) in den Denitrifikationsreaktor (4.1) gepumpt werden, im Ausführungsbeispiel wird er in die Rückführrinne (4.8) eingeführt. Die Fließrichtung des Rücklaufschlammes in der Rückführrinne (4.8) ist entgegengesetzt zur Laufrichtung der Räumbrücke (4.15) Die Ableitung des Rückführschlammes erfolgt über eine Strecke, die 9/10 oder mehr des Umfanges der Rückführrinne (4.8) ausmacht. Über den verbleibenden Teil der Umlaufstrecke der Räumbrücke (4.15) wird der geförderte Schlamm als Überschußschlamm in die Abziehrinne (4.9) eingeleitet. Arbeitet man in der beschriebenen Weise, so kann für den Rücklaufschlamm eine Laufzeit von 5 bis 10 Minuten eingerichtet werden, was einen gleitenden oder quasi kontinuierlichen Zufluß des Rückführschlammes in den Denitrifikationsreaktor (4.1) hinein bedeutet. Die Sohle des Nachklärbeckens (4.3) ist zweckmäßigerweise eben ausgeführt, und zwar zu besseren Räumung des abgesetzten Schlammes.

Im Belebungsbecken (4.2) erfolgt ein starker O₂-Eintrag [0,95 kg O₂/m³ × d)] mit einer tiefliegenden Druckluftbelüftung (4.5).

Zur Unterstützung der Propfenströmung, zur Erhöhung der longitudinalen Sohlgeschwindigkeit sowie zur Erhöhung der Verweildauer der Luftbläschen im Wasser sind auch hier Propulsionselemente (4.12) eingebaut.

Anstelle einer Druckluftbelüftung mit Propulsionselementen bietet sich auch eine Oberflächenbelüftung z. B. mit Mammutrotoren etc. an, da hierdurch die Belüftung sowie der erforderliche Bewegungseintrag gleichzeitig durchgeführt werden. Durch die starke Turbulenz im ANB (4.2) werden infolge der erhöhten Scherkräfte auf die belebte Flocke neue Grenzflächen zum Wasser geschaffen. Außerdem wird gasförmiger Stickstoff, der sich im DNR angelagert hat, ausgetrieben und kann somit nicht mehr den anschließenden Sedimentationsprozeß im Nachklärbecken (4.3) behindern.

Der verbleibende Rest an zudosiertem Acetat sowie Stoffwechselprodukte des Denitrifikationsprozesses werden unter aeroben Verhältnissen weitgehend abgebaut.

Über eine Dükerleitung (4.7) fließt das Wasser-Bakterien- Gemisch in das Verteilerbauwerk (4.14) des zentralen Nachklärbeckens (4.3). Die abgesetzte Biomasse (Überschuß- und Rücklaufschlamm) wird bei Bedarf über die Rinne (4.8) oder auch direkt als Rücklaufschlamm zur Erhöhung der Biomassenkonzentration in den Denitrifikationsreaktor (4.1) eingeführt oder über die Rinne (4.9) als Überschußschlamm aus dem System entfernt.

Das denitrifizierte Wasser fließt in die konzentrisch angeordnete Ablaufrinne (4.13) zum Ablauf (4.10). Die Ablaufrinne ist durch eine ebenfalls konzentrisch angeordnete Tauchwand gegen Schwimmschlammabtrieb geschützt. Eventuell auftretender Schwimmschlamm wird mit Skimmern abgeräumt und in die Überschußschlammrinne gepumpt. Zur weitergehenden Entnahme suspendierter Stoffe sowie zum weiteren Abbau eventuell vorhandener organischer Restverschnmutzung ist hinter dem Ablauf der Nachklärung ein biologisch arbeitender Schnellfilter (Zeichnung 1, Nr. 8) angeordnet.

Das Filtermaterial besteht aus porösem Blähschiefer mit einer Körnung von 0,7-1,6 mm. Die Höhe der Filterschicht beträgt 1.5 m. Die Bruttofiltergeschwindigkeit (ohne Berücksichtigung der Rezirkulation) beträgt 10 m/h. Die mittlere Rezirkulationsrate liegt bei 100%.

Hinter dem Schnellfilter (8) ist die Kontrollmessung (15) angeordnet. Zusätzlich zu den in Meßstelle (2) bestimmten Parametern wird hier außerdem der Gehalt an organischem Kohlenstoff bestimmt. Im Falle der Überschreitung vorgegebener Grenzkonzentrationen besteht die Möglichkeit, das Wasser wieder in den Zulauf vor die Meßstelle (2) zu pumpen (Leitung 16).

Das gereinigte denitrifizierte Wasser (Zeichnung 1) wird nach der Qualitätskontrolle zur weiteren Aufbereitung (9) geleitet und in das Wasserversorungsnetz eingespeist.

Die tägliche anfallende Überschußproduktion in Biomasse beträgt 500 kg TS. Der Überschußschlamm fällt mit einer TS- Konzentration von 0,8% entsprechend 62 m³/d im Nachklärbecken an. Der Überschußschlamm wird zunächst in dem statischen Eindicker (8) auf 3% TS-Gehalt und anschliesend in der maschinellen Schlammentwässerung (9) auf 10%-40% TS-Gehalt eingedickt.

Der anfallende Schlamm ist frei von Schadstoffen jeglicher Art und wird als proteinhaltiger Rohstoff für die Futtermittelherstellung (10) weiterverarbeitet oder er wird einem Faulbehälter (11) zur Biogaserzeugung zugeführt und/oder nach entsprechender Stabilisierung z. B. mit Kalk landwirtschaftlich als Düngemittel verwendet.

In besonderen Fällen kann es sehr vorteilhaft sein, wenn man denitrifizierende Bakterien, wie z. B. Paracoccus, denitrifikant in einem separaten Becken unter anaeroben Bedingungen mit Zugabe von Nährlösungen, wie z. B. Nitrat und Acetat, züchtet und zur Anreicherung in das System einleitet.

Claims

1. Verfahren zur Denitrifikation von Trinkwasser, wobei das nitratbeladene Rohwasser, ggf. nach Zugabe von Dosierungssubstanzen, in eine biologische Denitrifikationsstufe sowie das behandelte Gemisch aus Wasser und Mikroorganismen in eine Nachklärstufe eingeführt werden, aus der das Reinwasser einem Trinkwassernetz zugeführt wird, wobei außerdem Rückführschlamm aus der Nachklärstufe in die Denitrifikationsstufe eingeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohwasser unmittelbar in die Denitrifikationsstufe eingeführt wird,
daß das behandelte Gemisch aus der Denitrifikationsstufe zuerst ohne Zwischenklärung in eine Nachbehandlungsstufe mit Belüftungseinrichtung für eine aerobe Nachbehandlung und danach in die Nachklärstufe eingeführt wird,
und daß in der Denitrifikationsstufe eine hohe Biomassedichte aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das behandelte Gemisch aus der Denitrifikationsstufe in die Nachbehandlungsstufe über eine Biomassenrückhalteeinrichtung eingeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Denitrifikationsstufe eine Biomassedichte von 4 bis 15 kg TS/m³ aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl in der Denitrifikationsstufe als auch in der Nachbehandlungsstufe mit Propfenströmung gearbeitet wird.

5. Anlage für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges äußeres Denitrifikationsbecken für die Denitrifikationsstufe sowie ein ringförmiges inneres Nachbehandlungsbecken mit Belüftungseinrichtung für die Nachbehandlungsstufe konzentrisch zueinander und um ein zentrales Nachklärbecken der Nachklärstufe angeordnet sind, wobei das Denitrifikationsbecken sowie das Nachbehandlungsbecken Propulsionseinrichtungen für die Erzeugung und Aufrechterhaltung der Propfenströmung aufweisen,
daß die Überführung der Mischung aus behandeltem Wasser und Mikroorganismen aus dem Denitrifikationsbecken in das Nachbehandlungsbecken über ein Überlaufwehr ggf. mit Parallelplattenabscheider für die Biomassenrückhaltung, erfolgt,
daß für die Überführung der Mischung aus dem Nachbehandlungsbecken in das Nachklärbecken eine als Dükerleitung ausgebildete Überführungsleitung vorgesehen ist, die in einem im Nachklärbecken zentral angeordneten Verteiler mündet,
und daß ferner für die Rückführung von Rückführschlamm aus dem Nachklärbecken in das Denitrifikationsbecken sowie für die Abführung von Überschußschlamm eine um das Zentrum der Anlage rotierende, mit Saugräumern ausgerüstete Räumbrücke vorgesehen ist, die einerseits an eine dem Denitrifikationsbecken zugeordnete Rückführrinne und andererseits an eine Abziehrinne anschließbar ist.