Stickstoffentfernung aus hoch- belasteten industriellen Abwässern

ZUM THEMA
Stickstoffentfernung aus hochbelasteten industriellen Abwässern
Cristian Bornhardt / Christian Antileo // Chile
Die biologische Abwasserreinigung zur Entfernung von organischen Reststoffen und Nährstoffen ist für städtische
Abwässer in Deutschland schon seit mehreren Jahren selbstverständlich. In den Entwicklungsländern jedoch stellt
der nachhaltige Umgang mit Abwässern die Umweltbehörden immer noch vor immense Probleme. Die wachsende
Verstädterung erfolgt weitgehend ohne die Zunahme der Kapazitäten zur Abwasserreinigung, so dass vor allem häusliche Abwässer damit immer mehr zur Bedrohung werden. Eine Bedrohung, die Chile im Vergleich mit anderen Staaten
dieser Region heute bereits gut im Griff hat. Dank einer scharfen Umweltgesetzgebung wurden in Chile in den letzten
15 Jahren durch Privatisierung der Trink- und Abwasserversorgung große Fortschritte erreicht, so dass derzeit mehr als
90 Prozent der städtischen Bevölkerung Zugang zu Abwasserbehandlungsanlagen hat. Mit Hilfe von Forschungsprojekten
sollen nun auch industrielle Abwässer effektiv gereinigt werden können.
In den städtischen Abwässern liegt
Stickstoff üblicherweise als Ammonium
vor und kann über eine Kombination
von Nitrifikation und Denitrifikation
biologisch entfernt werden. In der
Nitrifikation (Abb. 1) wird das
Ammonium unter aeroben Bedingungen
Abb. 1: Nitrifikation
von autotrophen langsam wachsenden
von Ammonium über
Bakterien (Ammonium-oxidierende
Nitrit zu Nitrat
Bakterien, AOB) zu Nitrit oxidiert und
anschließend von weiteren autotrophen
Bakterienstämmen (Nitrit-oxidierende
Abb. 2:
Bakterien, NOB) in Nitrat verwandelt.
Denitrifikation von
Da die autotrophen nitrifizierenden
Nitrat zu Stickstoff
Bakterien deutlich langsamer wachsen
als die üblichen heterotrophen Bakterien,
sind bei Anlagen mit Nitrifikation einerseits höhere Verweilzeiten nötig, d. h.
größere Beckenvolumina, andererseits steigen die Belüftungskosten auf
Grund des erhöhten Sauerstoffbedarfs
an. Darüber hinaus werden bei der
Tab. 1:
Nitrifikation Wasserstoffkationen freiStickstoffgehalt
einiger hochbelasgesetzt, welche eine pH-Absenkung
teter industrieller
des Abwassers bewirken. Die anschlieAbwässer
ßende Denitrifikation wird unter anoxischen (unbelüfteten) Bedingungen
von heterotrophen Bakterien durchgeführt, welche unter Nutzung von organischem Substrat das Nitrat über Nitrit hin zu gasförmigem
molekularen Stickstoff reduzieren (Abb. 2). Ein H+-Proton
wird bei dieser Reaktion wieder aufgenommen, so dass die in
der Nitrifikation erfolgte pH-Absenkung neutralisiert werden
kann.
In häuslichen Abwässern steht normalerweise genügend
organisches Substrat für die Denitrifikation zur Verfügung,
so dass über eine angebrachte Prozessführung eine weitgehende Stickstoffentfernung möglich ist. Bei industriellen Abwässern mit hoher Stickstoffbelastung, wie zum
Beispiel in Tabelle 1 zusammengefasst, würde jedoch die
Notwendigkeit einer zusätzlichen externen C-Quelle einen
Industrieabwasser
Gesamtstickstoff(mg/L)
Koksherstellung
3.300 - 4.100
Ölraffinerie
450 - 630
Düngemittelherstellung
200 - 940
Rinder- und Schweinehaltung
500 - 2.300
Brennerei
114 - 380
Glasherstellung
300 - 650
Pharmaindustrie
475
Fischmehlindustrie
300 - 1.500
weiteren belastenden Kostenfaktor darstellen. In diesen
Fällen ist eine Optimierung der Prozessbedingungen unumgänglich. Das Ziel ist, bei kurzen Verweilzeiten mit minimaler Belüftung und – wenn möglich – ohne Zugabe einer
externen C-Quelle eine vollständige Stickstoffeliminierung zu erreichen. Eine Alternative dazu ist die partielle
„Nitrifikation oder Nitrifikation-Denitrifikation via Nitrit“
(vgl. Abb. 3, Alternative 2). Dabei wird die Nitrifikation
nach dem ersten Schritt bei der Oxidation des Ammoniums
zu Nitrit unterbrochen und dieses direkt denitrifiziert.
Hierfür müssen Prozessbedingungen geschaffen werden, die einerseits die Aktivität der Ammonium-oxiTU INTERNATIONAL 63
| JANUAR 2009
f 15
p ZUM THEMA
dierenden Bakterien (AOB) fördern, jedoch die Nitritoxidierenden Bakterien (NOB) inhibieren. Durch die
unterschiedliche Sensibilität beider Bakterienstämme
gegenüber der Sauerstoffkonzentration und dem pHWert kann ausgehend von den theoretisch-kinetischen
Faktoren vorausgesagt werden, dass es einen optimalen
Bereich im leicht alkalischen Milieu und bei niedrigen
O2
NITRIFIKATION
(AEROB)
Reaktoren − durchgeführt werden kann. Unter bestimmten Prozessbedingungen tritt jedoch auch eine simultane
Nitrifikation-Denitrifikation (SND) auf, wofür nur ein
Reaktor notwendig wäre. Unter diesen Bedingungen können bis zu 25% Belüftungskosten in der Nitrifikation und
bis zu 45% an organischem Substrat in der Denitrifikation
eingespart werden. (Abb. 3)
DENITRIFIKATION
(ANOXISCH)
C
Alternative 1
Alternative 2
25% weniger Sauerstoff, 45% weniger C-Quelle
Alternative 1: konventionelle Nitrifikation – Denitrifikation
Alternative 2: Nitrifikation – Denitrifikation via Nitrit
Abb. 3: Alternativen für die Stickstoffentfernung
WTW Oxi 171
O2 Elektrode
Getauchter Scheibenreaktor
V=8L
Hach EC 310
pH/T° Elektrode
Synthetisches Abwasser
PLC: Datenaufnahme
und Regelung
pH Einstellung
(Karbonatlösung)
[NH4] = 150 mg N/L
[Na2CO3] = 0,5 M
Rückführung
(Homogenisierung)
16
Abb. 5: Gesamtansicht der Versuchsanlage
pH = 7,5 – 8,6
[O2] = 0,6 – 5,0 mg O2/L
T° = 20 °C
Rotationsgeschwindigkeit = 3 - 4 upm
Um die erwähnten komplexen Zusammenhänge experimentell zu untersuchen, wurden an der Universidad de La
Frontera in Chile im Rahmen eines vom
chilenischen Forschungsfond unterstützten Forschungsprogramms mehrere
Reaktorsysteme installiert. Es handelt
sich dabei um automatisch geregelte
Reaktoren mit suspendierter Biomasse,
wie auch um Biofilm-Rotationsscheibenreaktoren, die sowohl kontinuierlich als auch im Sequencing
Batch Modus gefahren werden können. Da auch schwerpunktmäßig das Online-Monitoring und die Regelung der
Reaktoren im Vordergrund stehen, ist eine enge Kooperation
mit Fachleuten aus der Elektronik und Softwaretechnik notwendig. Die Forschungsgruppe besteht aus drei Professoren,
einem Doktoranden und mehreren Studenten, u.a. von der TU
Berlin und der Bauhaus Universität Weimar.
Nach mehreren Vorversuchen wurden die Untersuchungen
in einem Sequencing Batch Biofilm Reactor (SBBR) durchgeführt, der die Vorteile von aeroben und anoxischen Zonen
im Biofilm und die flexible Fahrweise (über Anpassung der
Phasendauer) der Sequencing Batch Reaktoren (SBR) kom-
Trägermaterial = Textil, Polystyrene
Spezifische Oberfläche = 35 m2/m3
Sauerstoffzufuhr
Trägermaterial
Abb. 4: Schema der Versuchsanlage: Sequencing Batch Biofilm Reactor (SBBR)
Sauerstoffkonzentrationen geben müsste. Zusätzlich hängt
die Kinetik der AOB von einer optimalen Konzentration
von freiem Ammoniak ab, welche sich wiederum durch
ein pH-abhängiges NH 3-NH 4+-Gleichgewicht während
der Reaktion verändert und über eine dynamische pHSteuerung geregelt werden kann. Darüber hinaus können
auch Stofftransportlimitierungen (Sauerstoff, Substrat und
Reaktionsprodukte) bei einigen Reaktortypen eine ausschlaggebende Rolle spielen.
Bei der nachgeschalteten Denitrifikation sind anoxische Bedingungen notwendig, so dass eine sequentielle Fahrweise − entweder zeitversetzt in einem Reaktor
oder kontinuierlich in zwei aufeinanderfolgenden
TU INTERNATIONAL 63
| JANUAR 2009
ZUM THEMA
biniert. In Abbildung 4 wird das Schema der Versuchsanlage
zusammengefasst, und Abbildung 5 zeigt eine Gesamtansicht
der Anlage.
Wie oben erläutert, ist die partielle Nitrifikation die kritische
Phase bei der Stickstoffentfernung über Nitrit, wobei eine schnelle
weitgehendeAmmoniumoxidation mit hoher Nitritakkumulierung
angestrebt wird. In den Abbildungen 6 und 7 wird der Einfluss
uDie Ammoniumoxidationsrate nimmt mit der Sauerstoffkon-
zentration stark zu, wohingegen der Einfluss der Sauerstoffkonzentration auf die Nitritakkumulierung eher gering ist.
total ammonia concentration [mg N/L]
160
Abb. 6: Einfluss der
Sauerstoffkonzentration
auf den Ammoniumabbau
0.6 mgO2/L
140
0.8 mgO2/L
1.0 mgO2/L
5.0 mgO2/L
120
100
80
60
40
20
0
time [h]
pH 7.5
pH 8.5
a
a'
6
b'
nitrite accumulation [%]
80
b
60
40
20
0
ammonia oxidation rate [mg N/L/h]
100
a'
5
a
4
3
2
1
b
b'
0
der Sauerstoffkonzentration (Dissolved
0.6
5
0.6
5
Oxygen, DO) und des pH-Wertes auf den
oxygen concentration [mg O 2/L]
Ammoniumabbau im Batch-Verfahren
zusammengefasst. Es wird deutlich, dass Abb. 7: Einfluss der Sauerstoffkonzentration und des pH-Wertes auf die Ammoniumabbaugeschwindigkeit und Nitritakkumulierung
Quellen: Cristian Bornhardt
bei niedrigeren DO-Konzentrationen auch die Abbaugeschwindigkeit markant abnimmt, so dass bei uIm kontinuierlichen Betrieb wurden höhere Ammoniumhöheren Sauerstoffkonzentrationen dementsprechend kürzeoxidationsraten erreicht als im Batch-Betrieb, die Nitritakre Reaktionszeiten erreicht werden. Der Einfluss der DOkumulierung war jedoch geringer und wurde bei höheren
Konzentration auf die Nitritakkumulierung (Abb. 7) ist dagegen
Sauerstoffkonzentrationen instabil.
eher gering. Bei einem pH-Wert von 8,5 werden deutlich bessere uBei der Nitrifikation-Denitrifikation im SBBR trat eine
Ergebnisse erreicht als bei einem pH-Wert von 7,5. Wird der pHdeutlich simultane Nitrifikation-Denitrifikation auf.
Wert während der Nitrifikation jedoch dynamisch geregelt, um uOnline-Messungen zur Bestimmung der Reaktionsphasen
eine optimale Ammoniakkonzentration einzuhalten, werden die
sind für eine Optimierung von großer Bedeutung.
Ergebnisse noch besser.
Die Schlussfolgerungen der gesamten Versuchsphase
können folgenderweise zusammengefasst werden:
uIm Batch-Betrieb kann durch eine Kombination von
Dr.-Ing. Cristian Bornhardt
Sauerstoffkonzentration- und pH-Regelungsstrategien eine
Dr.-Ing. Christian Antileo
stabile partielle Nitrifikation erreicht werden.
Universidad de La Frontera, Cas: 54-D
uÜber eine dynamische pH-Regelung kann eine optimale
Temuco/ Chile
NH3-Konzentration eingestellt werden, so dass eine hohe
[email protected]
Ammoniumoxidationsrate und die Nitritakkumulierung
www.ufro.cl
favorisiert werden sollten.
TU INTERNATIONAL 63
| JANUAR 2009
f 17