Christian Wolffson
Denitrifikation von speziellen Abwässern mit externen Kohlenstoffquellen
Zusammenfasssung
Die Denitrifikation oxidierter Stickstoffverbindungen mit Hilfe externer Kohlenstoffquellen wird in Zukunft vermehrt zur Anwendung kommen, da es für alle stickstoffhaltigen Abwässer gesetzliche Auflagen geben wird, die geringe Ablaufkonzentrationen vorschreiben. Dabei wird kein Unterschied gemacht, ob die Denitrifikation mit dem im Abwasser vorhandenen organischen Substrat erfolgen kann oder eine externe Kohlenstoffquelle zudosiert werden muss.
Es kommen, soweit das Kohlenstoffdargebot optimal ausgenutzt werden soll, nur die Verfahren zur Anwendung, bei denen exakt definierte anoxische Zeiten bzw. Zonen vorhanden sind, in die das kohlenstoffhaltige Substrat dosiert werden kann. Die vorgeschaltete Denitrifikation bietet den Vorteil der kontinuierlichen Prozeßführung, erfordert aber in dem Fall, in dem sehr geringe Ablaufkonzentrationen gefordert werden, eine hohe Rezirkulation. Die interrmittierende Denitrifikation erfordert in diesem Fall einen kurzen Zeittakt, der aber beliebig an die jeweils vorhandene Abwasserqualität angepasst werden kann.
Im ersten Teil der Arbeit wurden grundlegende Laboruntersuchungen vorgestellt, die die ablaufenden Prozesse unter anoxischen Milieubedingungen bei Dosierung von Methanol und Essigsäure näher beleuchteten. Sie wurden jeweils den Versuchsergebnissen unter aeroben Bedingungen gegenübergestellt. Der belebte Schlamm wurde einer halbtechnischen Versuchsanlage entnommen, deren Beschickung mit synthetischem Abwasser erfolgte. Das Schlammalter betrug 30 - 40 Tage. Die wichtigsten Ergebnisse werden im folgenden zusammengefasst:
- Die Halbwertkonzentrationen sind mit kS = 0,5 - 1,5 mg CSB/L für das organische Substrat und mit kS < 0,5 mg O2/L für den Sauerstoff bei beiden Atmungsformen gering. Sie liegen unterhalb der Messgenauigkeit der zur Anwendung gekommenen Untersuchungsmethoden.
- Die ermittelte maximale Denitrifikationsgeschwindigkeit stimmt sowohl bei Essigsäure- als auch bei Methanoldosierung mit. 14 - 16 mg N/(goTS * h) bei 20°C gut mit den in der Literatur veröffentlichten Werten überein.
- Das Verhältnis der Nitrat- zur Sauerstoffatmung beträgt für beide Substrate fD = 0,75 - 0,8 unter Betriebsbedingungen.
- Das für eine vollständige Stickstoffelimination erforderliche CSB/N-Verhältnis kann nach den Versuchen mit 4,4 g/g für Essigsäuredosierung und mit 4,0 g/g für Methanoldosierung angegeben werden.
- Bei Essigsäuredosierung liegt das Aktivitätsoptimum bei einem pH-Wert von 8,0 für Sauerstoff- und Nitratatmung. Bei Methanoldosierung divergiert dagegen der Bereich zwischen 7,7 - 8,0 für die aerobe Atmung und 6,5 - 7,0 für die anoxische Atmung, wodurch sich der Faktor fD in Abhängigkeit vom pH-Wert verändert.
- Der Einfluss der Temperatur gehorcht der modifizierten ARRHENIUS-Gleichung. Der Temperaturterm liegt mit q = 1,072 für aerobe Atmung geringfügig unter dem Temperaturterm für Nitratatmung mit q =1,086 (Essigsäuredosierung) und q = 1,077 (Methanoldosierung).
- Die Versuche zur Hemmung ausgewählter Stoffe zeigen durchgehend eine stärkere akute Inhibierung der aeroben Atmung, was sich in den gegenüber der anoxische Atmung geringeren Hemmkonzentrationen ki niederschlägt. Bei Chlorid-, Sulfat-, und, mit Einschränkung, Thiocyanat-Aufstockung wird die Inhibierung durch die Änderung des osmotischen Drucks hervorgerufen. Die Hemmung durch Fluorid-, Cyanid- und Nitritaufstockung beruht auf anderen Mechanismen. Bei den Untersuchungen zur Hemmung durch Nitrit zeigt sich ein eindeutiger Zusammenhang zur Konzentration der salpetrigen Säure im Milieu. Hier werden beide Atmungsformen gleichermaßen beeinträchtigt.
Hemmungen sind bei der Behandlung von den mit Enteisungsmitteln angereicherten Oberflächenabflüssen von Flughäfen nicht zu erwarten, soweit verfahrens- und regeltechnisch sichergestellt wird, dass sich kein Nitrit im System akkumulieren kann. Es zeigte sich, dass bei einer intermittierenden Betriebstechnik, bei der der Zulauf und die Sauerstoffzufuhr wechselseitig erfolgten, ein geringer Stickstoffgehalt im Ablauf erzielt werden kann. Dabei konnte die Dosierung einer externen Kohlenstoffquelle mit Hilfe einer intelligenten Regelung soweit optimiert werden, dass die in den Laborversuchen ermittelten CSB/N-Verhältnisse erreicht werden konnten. Verschiedene Regelstrategien wurden beschrieben und diskutiert.
Auch die Behandlung von in einem Hüttenwerk anfallenden Kokereiabwasser und Gichtgaswaschwasser erfordert einen nicht unerheblichen Regelungsaufwand, will man die Betriebssicherheit auch bei schnell wechselnden Belastungsverhältnissen sicherstellen. Da bei diesen Abwässern inhibierende Inhaltsstoffe in erhöhten Konzentrationen vorliegen, muss sichergestellt werden, dass jederzeit geringe Konzentrationen im Reaktor vorherrschen. Als "Leitparameter" für eine kontinuierliche Überwachung des Prozesses hat sich der Ammoniumgehalt im belüfteten Becken als geeignet erwiesen.
Es zeigte sich bei Versuchen im halbtechnischen Maßstab, dass das organische Substrat im Kokereiabwasser, das zum großen Teil aus Phenol resultiert, zur Denitrifikation des nitrifizierten Gichtgaswaschwassers und Kokereiabwassers nicht genutzt werden kann. Vielmehr musste auch hier extern Kohlenstoff dosiert werden, um geringe Nitrat-Ablaufkonzentrationen zu erzielen. Beeinträchtigungen durch Cyanid, Thiocyanat oder Nitrit wurden nicht beobachtet, soweit diese in geringen Konzentrationen vorlagen.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass eine weitgehende Stickstoffelimination auch bei problembehafteten Abwasserströmen möglich ist, wenn ein erhöhter Aufwand für die Regelungstechnik und die Bereitstellung eines geeigneten organischen Substrates in Kauf genommen wird. Voraussetzung dafür ist eine Verfahrenstechnik, die auf die jeweils spezielle Abwasserqualität und das Reinigungsziel abgestimmt ist.