PEUKERT VOLKMAR
| US5503748A | 1996-04-02 | |||
| DE19512907C1 | 1996-06-27 | |||
| GB2138797A | 1984-10-31 | |||
| US5395527A | 1995-03-07 |
| 1. | EinbeckenKläranlage zur biologischen Reinigung organisch belasteter kommunaler, industrieller und land wirtschaftlicher Abwässer, wobei die EinbeckenKläranlage teilweise mit verwirbelbaren und von Mikroorganismen besiedelbaren Aufwuchs¬ trägern (4) mit einem spezifischen Gewicht von mehr als 1,0 g/cm3 gefüllt ist, die Schütthöhe im Reaktor auf weniger als 60 % der Wassersertiefe eingestellt ist, Aufwuchsträger eingesetzt werden, deren Freiraum in ihrer Schüttmasse 400 bis 800 1 pro m3 beträgt, die Aufwuchsträger eine Oberfläche von 300 bis 900 m2/m3 Schüttvolumen besitzen, am Boden der Anlage Belüftungseinrichtungen (5) angeord¬ net sind, der Zulauf zur Einrichtung mit einem Abwasserspeicher oder mit einer Pumpstation mit Abwasserspeicher (1) ge koppelt ist, über den im Ruhezustand der EinbeckenKläranlage sedimen tierten Aufwuchsträgern (4) mindestens eine Pumpe (6) angeordnet ist, die mit einem Schlammspeicher bzw. dem Ablauf verbunden ist. |
| 2. | EinbeckenKläranlage nach Anspruch 1, bei der die Auf¬ wuchsträger (4) walzenförmig ausgebildet sind, eine Länge von 10 bis 25 mm, einen Außendurchmesser von 5 bis 10 mm und einen Innendurchmesser von 2 bis 8 mm besitzen. |
| 3. | EinbeckenKläranlage nach Anspruch 1, bei der die Auf¬ wuchsträger (4) eine Dichte zwischen 1,1 und 1,3 g/cm3 besitzen. |
| 4. | EinbeckenKläranlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei der die Schütthöhe der Aufwuchsträger (4) im Reaktor 10 bis 30 % der Wassertiefe beträgt. |
| 5. | EinbeckenKläranlage nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei der die Belüftungseinrichtungen (5) in Gruppen oder ein¬ zeln über eine Regeleinrichtung mit einem Gebläse (7) verbunden und ansteuerbar sind. |
Die Erfindung betrifft eine Einbecken-Kläranlage zur biolo- gischen Reinigung organisch belasteter kommunaler, indu¬ strieller und landwirtschaftlicher Abwässer mit Belebt¬ schlamm- und Biofilmtechnologie.
Einbecken-Kläranlagen bei denen die Verfahrensschritte Füllen des Reaktors mit Abwasser aus einem Abwasserspei¬ cher, biologische Reinigung durch Belebtschlamm, Sedimenta¬ tion des Belebtschlammes und Entnahme des gereinigten Ab¬ wassers nacheinander in einem Becken ablaufen gehören zum Stand der Abwassertechnik.
Ein wesentlicher Nachteil der Anlagen ist, daß die Sedimen¬ tation von suspendierter Biomasse (Belebtschlamm) sehr zeitaufwendig ist und sich die Biomasse nur unzureichend eindickt. Die Belebtschlammkonzentrationen sind daher wäh- rend der Reinigungsphase relativ gering. Dies begrenzt die
Belastbarkeit bekannter Anlagen.
Höhere Biomassekonzentration können in der Anlage nur auf Kosten des für den Austausch des Abwassers erforderlichen Beckenvolumens erreicht werden.
Ein weiterer Nachteil ist, daß die Beschaffenheit des Be¬ lebtschlammes in Abhängigkeit von Belastung, Wassertempera¬ tur, SauerstoffVersorgung und Turbulenz im Reaktor Schwan- kungen unterliegt, die sich in unterschiedlichem Maße auf Konzentration und Leistung sowie Eindickverhalten und Sedimentationsgeschwindigkeit des Schlammes auswirken.
Die genannten Nachteile haben zur Folge, daß das biologi- sehe Leistungspotential des Reaktors begrenzt und nicht ge¬ nau kalkulierbar ist, und daß das Volumenverhältnis zwi¬ schen sedimentierter Biomasse und nutzbarem Beckenvolumen für den Abwasseraustausch ungünstig ist.
Die biologische Elimination von Stickstoff durch Nitrifika- tion und Denitrifikation sowie von Phosphor durch zelluläre Speicherung ist in derartigen Anlagen in gewissen Maße, je¬ doch mit einem erheblichen Aufwand an Beckenvolumen, Steu- ertechnik und Wartung, möglich.
Die für eine weitergehende Abwasserreinigung erforderlichen anoxischen und anaeroben Verfahrensstufen lassen sich auf¬ grund relativ niedriger Biomassekonzentrationen nur durch zeitaufwendige Zyklen ohne Luftzufuhr realisieren.
Der für die Realisierung anoxischer und anaerober Phasen sowie für Sedimentation des Schlammes und Entnahme des gereinigten Abwassers erforderliche Zeitaufwand wirkt sich bei derartigen Anlagen nachteilig auf die Belastbarkeit und die Effektivität aus.
Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung einer Einbecken- Kläranlage ohne die vorgenannten Nachteile.
Erfindungsgemäß wird eine Einbecken-Kläranlage vorgeschla¬ gen, die eine Kopplung von einer Belebtschlammbiologie mit einer Biofilmbiologie ermöglicht.
Dabei wird ein Teil der für die Abwasserreinigung erforder¬ lichen Organismen auf Aufwuchskörpern angesiedelt. Die Kör¬ per haben ein spezifisches Gewicht von über 1,0 g/cm 3 , vor¬ zugsweise 1,1 - 1,3 g/cm 3 . Sie werden bei Lufteintrag ver¬ wirbelt und sie sedimentieren bei Belüftungspausen deutlich schneller als Belebtschlamm.
Die Körper bilden nach der Sedimentation ein genau begrenz¬ tes biologisch aktives Festbett.
Auf der Oberfläche der Körper siedeln sich in einem Biofilm spezielle Mikroorganismen an, die auch bei der Entnahme von Belebtschlamm in der Anlage verbleiben.
O 97/22561 PO7DE96/02423
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Durch die verfahrenstechnische Kopplung von Biofilm- und Belebtschlammbiologie wird die Konzentration aktiver Bio¬ masse und somit das Leistungspotential der Anlage - ohne weitere Inanspruchnahme von Beckenvolumen - deutlich er- höht. Dadurch wird das Verhältnis zwischen Sedimentations¬ raum und Nutzvolumen für den Abwasseraustausch günstig be¬ einflußt.
Die Volumenverhältnisse im Reaktor und die verfügbare Bio- masse sind konstant und somit verfahrenstechnisch kalku¬ lierbar. Die höheren Biomassekonzentrationen erlauben eine größere Belastbarkeit der Anlage bei gleichbleibenden Rei¬ nigungszielen.
Durch die hohe Sedimentationsgeschwindigkeit der mit Orga¬ nismen bewachsenen Aufwuchskörper kann - nach Abschalten der Belüftung - in kurzer Zeit das aerobe Wirbelbett in ein anoxisches Fest-/Fließbett umgewandelt werden.
Der Lufteintrag in den Reaktor kann auch in einer Weise er¬ folgen, daß sich Zonen mit unterschiedlicher SauerstoffVer¬ sorgung ausbilden. Dadurch laufen räumlich nebeneinander aerobe Prozesse, mit Nitrifikation, und anoxische Prozesse, mit Denitrifikation, ab.
Die Erfindung und deren Funktionsweise wird nachfolgend am Beispiel einer Einbecken-Kläranlage mit einem Volumen von 100 m 3 , einem Durchmesser von 5 m und einer Wassertiefe von 5 m beschrieben.
Der biologische Reinigungsprozeß wird zu einem Zeitpunkt mit geringem Abwasseranfall, z.B. 4 Uhr morgens, durch Abschalten der Abwasserzulaufpumpe und der Belüftung been¬ det und gleichzeitig die Sedimentationsphase eingeleitet. Das danach noch der Kläranlage zufließende Abwasser wird im Speicher der Pumpstation 1 zeitweilig zurückgehalten. Die Anlage ist mit 20 m 3 walzenförmigen Aufwuchskörpern 4 mit einem spezifischem Gewicht von 1,2 g/cm 3 , einer besie-
delbaren Oberfläche von 600 m 2 pro m 3 Schüttvolumen und ei¬ nem Freiraum von 0,7 m 3 pro m 3 Schüttvolumen gefüllt.
Die während der Belüftungsphase verwirbelten Aufwuchsträ- ger 1 sedimentieren nach Abschalten der Belüftung 5 inner¬ halb von 5 Minuten auf den Boden der Anlage und bilden dort ein räumlich definiertes, biologisch aktives Festbett mit einer Schütthöhe von 1,0 m.
Die Sedimentation des Belebtschlammes 3 ist nach etwa 0,5 Stunden beendet. Der Schlamm reichert sich in den Zwischen¬ räumen der Aufwuchsträger 4 an und bildet über dem Festbett eine etwa 0,3 m dicke Schicht.
Das Volumen der Klarphase die sich zwischen Wasserspiegel und Belebtschlammschicht ausbildet beträgt etwa 70 m 3 .
Nach der Sedimentationsphase wird eine Pumpe 6 - die in der Nähe der Schlammschicht angeordnet ist - in Betrieb genom- men. Sie befördert den im Überschuß produzierten Schlamm in einen Schlammspeicher.
Der Entnahmeprozeß wird nach einer vorgebenen Zeit oder durch eine im Zulauf zum Schlammspeicher angebrachte Trü- bungsmeßsonde unterbrochen.
Die im Schlammspeicher verdrängte Klarphase fließt in den Speicher der Abwasserpumpstation zurück.
Nach der Schlammentnahme wird das gereinigte Abwasser über einen Zeitraum von ca. 40 Minuten abgepumpt. Dies erfolgt durch die Schlammpumpe 6 indem der Zulauf zum Schlammspei- cher abgeschiebert und die Leitung zum Ablauf geöffnet wird.
Die Entnahme der Klarphase 2 kann auch durch eine separate Pumpe oder über einen Schieber erfolgen.
N ach der Entnahme der Klarphase werden eventuell auf der Ob erfläche angereicherte Schwimmstoffe in den Schlammspei ¬ cher gepumpt.
Nach Abschluß der etwa 1 - 2 Stunden andauernden Sedimenta- tions- und Entnahmephase wird der Einbecken-Kläranlage das in der Pumpstation gespeicherte und das momemtan zufließen¬ de ungereinigte Abwasser zugeführt.
Während der Sedimentations- und Entnahmephase bilden sich im Festbett anaerob-anoxische Milieuverhältnisse aus. Dabei wird Nitrat-Stickstoff zu gasförmigen Stickstoff denitrifi- ziert.
Nach Abschluß der Denitrifikation setzen anaerob-hydrolyti¬ sche Prozesse ein, die einen Teil der höhermolekularen organischen Stoffe in niedermolekulare aufspalten. Diese Hydrolyseprodukte werden bevorzugt von Phosphor speichern¬ den Organismen als Nährsubstrate aufgenommen.
Die anaeroben Stoffwechselprozesse werden durch die Zugabe frischem Abwassers intensiviert.
Durch kurz bemessenen Lufteintrag werden der Belebtschlamm und die auf den Aufwuchsträgern 4 angesiedelten Mikroorgan¬ ismen in vorgegebenen Zeitabständen mit dem frischen Abwas¬ ser in Kontakt gebracht. Die kurzzeitige Umwälzung durch Luft wird in Abständen von ca. 30 Minuten bis zu einer Zeitdauer von ca. 1,5 - 2,0 Stunden wiederholt.
Nach der Hydrolyse- und Versäuerungsphase, die vor allem dem Wachstum Phosphor speichernder Mikroorganismen dient, wird das anaerobe Festbett durch intensiven Luftsauerstoff in ein aerobes Wirbelbett umgewandelt. Während der Belüftungsphase werden organische Stoffe abge¬ baut, Phosphor biologisch eliminiert und Ammonium-Stick¬ stoff zu Nitrat-Stickstoff oxidiert.
Das Beckenvolumen ist so bemessen, daß danach das gesamte am Tag anfallende Schmutz- und Fremdwasser kontinuierlich - ohne weitere Zwischenspeicherung - der Anlage zugeführt und gereinigt werden kann.
Nach einer mehrstündigen intensiven Belüftungsphase wird der Reaktor so betrieben, daß Nitrifikations- und Denitri¬ fikationsprozesse simultan ablaufen können. Dies erfolgt in der Weise, daß nur bestimmte Belüftergruppen oder einzelne Belüfter 5 mit Luft beschickt werden. Dadurch bilden sich im Reaktor Bereiche, die ausreichend mit Sauerstoff ver¬ sorgt werden und in denen eine Nitrifikation von Ammonium möglich ist, und Bereiche ohne oder nur mit geringen Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff in denen Denitrifi- kationsprozesse ablaufen können.
Im Innern der walzenförmigen Aufwuchskörper 4 werden unab¬ hängig vom Sauerstoffangebot ständig auch Denitrifikations¬ prozesse ablaufen.
Die Zeitdauer und der Zeitabstand von Phasen mit intensivem oder mit reduziertem Lufteintrag werden in Abhängigkeit von der Zulaufbelastung und den Reinigungszielen festgelegt.
Bei erhöhten Anforderungen an die Elimination von Phosphor, wird in vorgegebenen Zeitabständen zusätzlich die Belüftung abgeschaltet. Während der verkürzten Sedimentationsphasen setzen die bereits beschriebenen anoxisch-anaeroben Prozes¬ se ein.
Nach Abschluß der biologischen Prozesse wird durch Abschal¬ ten der Belüftung und der Zulaufpumpe erneut die Sediminta- tions- und Entnahmephase eingeleitet.
Der Vorteil der verfahrenstechnischen Kopplung von Belebt¬ schlammbiologie mit Biofilmbiologie wird nachfolgend an Berechnungεbeispielen dargestellt.
1 . Verhältnisse in einem Reaktor der nur mit Belebtschlamm betrieben wird:
Reaktornutzvolumen 100,0 m 3
Reaktordurchmesser 5,0 m
Reaktortiefe 5,0 m
Eindickzone 30 Vol.% 30 m 3 bei H = 1,5 m
Austauschzone 70 Vol.% 70 m 3 bei H = 3,5 m
Reinigungsziel ist eine Abwasserreinigung mit Schlammstabi¬ lisierung.
Biomassekonzentrationen Belebtschlamm:
während Belüftung 2,5 kgTS/m 3 250 kgTS nach Sedimentation 8,3 kgTS/m 3 250 kgTS
BSB-Schlammbelastung 0,04 kgBSB/kgTS*d
TS im Reaktor 250 kgTS
BSB-Belastung des Reaktors 250 * 0.04 10 kgBSB/d
Einwohnergleichwert (EGW) 0.06 kgBSB/E*d max. Anschluß 170 EGW
2. Verhältnisse in einem Reaktor, der mit Belebtschlamm- und Biofilmbiologie betrieben wird:
Reaktornutzvolumen 100,0 m 3
Reaktordurchmesser 5,0 m
Reaktortiefe 5,0 m
Eindickzone 30 Vol.: = 30 m 3 bei H = 1,5 m
Austauschzone 70 Vol.: = 70 m 3 bei H = 3,5 m
Biofilmbiologie:
Schüttvolumen Aufwuchsträger 20 Vol.% 20 m 3 Oberfläche der Aufwuchsträger 600 m 2 /m 3 Schüttvolumen gesamt = 12.000 m 2 BSB-Oberflächenbelastung 2.0 g BSB/m 2 *d BSB-Oberflächenbelastung gesamt 24 kg BSB/d Einwohnergleichwerte bei 0,06 kgBSB/E*d 400 EGW
Belebtschlammbiologie:
Freiraum zwischen Aufwuchskörpern = 14 m TS zwischen Aufwuchskörpern bei 3 , 5 kg/m 3 = 49 kg TS Schlammschicht über Festbett, 10 Vol.% = 10 m 3
TS in Schlammschicht über Festbett = 8,0 kg/m3
TS in Schlammschicht = 80 kgTS
TS gesamt in Eindickzone = 129 kgTS BSB-Schlammbelastung = 0,04 kgBSB/kgTS*d TS im Reaktor 129 kgTS
BSB-Belastung des Reaktors 129*0,04 5,2 kgBSB/d
Einwohnergleichwerte bei 0,06 kgBSB/E*d = 86 EGW
Summe BSB-Belastung Belebtschlamm + Biofilmbiologie
5,2 + 24 29,2 kg BSB/d
Dies entspricht einem Anschlußwert von ca. 480 EGW.
Der Vergleich zeigt, daß das Reinigungspotential bei Reak¬ toren die mit Belebtschlamm- und Biofilmbiologie betrieben werden mindestens doppelt so hoch ist.