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Verfahren und Einrichtung zum kontinuierlichen, biologischen Abbau von metabolisierbaren Stoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum kontinuierlichen, biologischen Abbau von metabolisierbaren, in flüssigen Medien enthaltenen Stoffen mit Hilfe von Aktivschlamm.
Mit der dauernd anwachsenden Entwicklung von Städten und Industrie wächst die Menge der Abfallwässer und verschiedener flüssiger, metabolisierbare Stoffe enthaltender Medien, die von den städtischen, hygienischen Einrichtungen, wie auch von Industriebetrieben produziert werden. Im Hinblick darauf, dass die Durchflussmenge der Wasserläufe im Wesen nicht vergrössert werden kann, steigt ihre Verunreinigung unverhältnismässig, so dass sie in manchen Gegenden kritische Werte erreicht. Diese Verunreinigung bedroht nicht nur das Leben in den Wasserläufen, sonder wird auch zur Bremse einer weiteren Verwendung des Nutzwassers und damit auch zur Bremse der Entwicklung verschiedener Industriezweige.
Ebenso ernst ist auch die Situation durch Bedrohung der menschlichen Gesundheit, der landschafltichen Hygiene und der Versorgung mit Trinkwasser.
Die Abflusswässer enthalten Produkte der technologischen Prozesse je nach deren Charakter. Im Wesen enthalten alle suspendierte und gelöste Stoffe. Zur Entfernung der suspendierten Stoffe werden verschiedene Typen von Reinigungseinrichtungen und Verfahren verwendet. Unter den gelösten Stoffen, welche mit diesen Einrichtungen und Verfahren nicht entfernt werden können, sind am bedenklichsten solche Stoffe, welche in den Läufen sekundäre Verunreinigungen verursachen. Zur Unschädlichmachung solcher Stoffe und zur Beschleunigung des Reinigungsprozesses wurden eine Reihe von Reinigungseinrichtungen auf dem Prinzip der Reinigung mit aktiviertem Schlamm vorgeschlagen.
Der Aktivierungsprozess ist von der Qualität des Schlammes abhängig, d. h. von seiner Fähigkeit gelöste Stoffe im Abflusswasser abzubauen und von den Durchlüftungsbedingungen (Aeration), da es zu einer intensiven Durchlüftung des gesamten Objektes des Aktivierungsbehälters, in welchem die Aktivierung verläuft, kommen muss.
Im Aktivierungsbehälter verlaufen gleichzeitig zwei wichtige Prozesse : a) dieFlocken des Aktivschlammes sorbieren an ihre Oberfläche fein verteilte Kolloide und gelöste Stoffe. Diese Sorption verläuft sehr rasch, so dass schon nach 1/2 h bis zu 2 h vom Augenblick, da das Abfallwasser in denAktivierungsbehälter eingetreten ist, etwa 50% der Verunreinigungen von den Flocken adsorbiert und damit aus dem Wasser entfernt sind. b) Im zweiten, viel langsameren Prozess, geht dann allmählich der Abbau und die Mineralisierung der adsorbierten Stoffe vor sich.
Im Wesen handelt es sich um die Oxydation der kohlenstoffhaltigen Stoffe durch Karbonisierung und der stickstoffhaltigen durch Nitrifizierung.
Insbesondere der zweite Prozess ist von der Qualität der Durchlüftung (Aeration) abhängig. Die Grundeinrichtung für das Verfahren zur Reinigung durch Aktivschlamm besteht vor allem aus dem Akti- vierungsgefäss, das Gefäss für die Sedimentierung des Schlammes und eventuell aus einem Gefäss für die Regenierung des Schlammes. Es wurden verschiedene Verfahren zur Aktivierung und eine Reihe von Einrichtungstypen vorgeschlagen.
Die Form der Aktivierungsbehälter, in denen die eigentliche Aktivierung verläuft, ist verschieden-
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artig. Ihre Grösse muss so dimensioniert sein, dass der Aktivierungsprozess verlaufen kann. Im allgemeinen wird mit einer Verweildauer von 6 h gerechnet.
Da die Organismen, welche sich am Abbau der gelösten Stoffe beteiligen, aerob sind, muss die Zufuhr von genügendem Sauerstoff gesichert sein, da sich ansonsten schwerwiegende Störungen im Reinigungsprozess einstellen können. Es geht bei der Aktivierung darum, die Luft im Wasser möglichst fein zu verteilen, damit möglichst viel Abwasser mit ihr in Berührung kommt und das Wasser mit gelöstem Sauerstoff versorgt ist. Dies wird allerdings bei den gegenwärtig benutzten Einrichtungen nur teilweise erreicht. Die Durchlüftung wird im Wesen in zweifacher Weise durchgeführt :
1. Benutzung von mechanischen Einrichtungen ; der wesentlichste Mangel dieses Verfahrens der Belüftung ist der geringe Wirkungsgrad, da die Oberfläche der beiden Phasen, Wasser-Luft, an denen die Sauerstoffdiffusion vorsichgeht, sich verhältnismässig nur wenig vergrössert.
2. Die zweite Methode besteht in der Durchlüftung mit Druckluft, welche in einer Druckleitung zugeführt wird und in dem Medium mit Hilfe von porösen Platten, porösen Röhren, Diffuseuren oder Düsen verteilt wird. Die porösen Platten sind gewöhnlich zu viert in einen Rahmen montiert. Dieses System hat eine Reihe von Nachteilen, z. B. das Verstopfen der Platten, Zerspringen, schwierige Abdichtung, Reinigung u. ähnl.
Das Bestreben der Konstrukteure ist auf die Ausbildung eines idealen Typs des Durchlüftungsbehälters gerichtet, in welchem die Durchlüftung und das Durchmischen des Abfallwassers auf das Verlässlichste besorgt wird und dies auf möglichst ökonomische Weise, denn die Betriebskosten der Aktivierung sind unter sonst gleichen Bedingungen und gleicher Wasserqualität vom Verbrauch an Luftsauerstoff ab- hängig, d. h. von einer guten Intensität und Ökonomie der Durchlüftung.
Bei den gegenwärtig verwendeten Einrichtungen können folgende Nachteile festgestellt werden :
1. Die Grösse der Aktivierungsbehälter, die auf ein mindestens 6stündiges Verweilen dimensioniert werden müssen.
2. Die gegenwärtigen Durchlüftungssysteme (Aerationssysteme) ergeben keine genügende Durchlüftung, da sich die Oberfläche, an welcher die Berührung der beiden Phasen (Luft-Wasser) und die Diffusion des Sauerstoffes vorsichgeht, verhältnismässig zu wenig vergrössert. Hiebei ergibt sich ein unökonomischer Luftverbrauch, welcher nicht völlig ausgenutzt wird. Dieser Verbrauch zeigt sich dann augenblicklich in dem Betriebsaufwand der Kläranlage.
Bei Systemen, in denen man versucht hat, diese Un-Ökonomie zubeseitigen, kommt es zu bedeutenden Störungen. Dies gilt insbesondere bei Durchlüftungssystemen mit Hilfe von porösen Materialien.
3. Bei allen Aktivierungs-Kläranlagen muss man mit grossdimensionierten Absetzeinrichtungen rechnen, da die Sedimentierung des Schlammes, insbesondere der leichteren Anteile sehr langsam verläuft. Bei den Absetzbehältern muss mit einer Verweildauer von wenigstens 2 h gerechnet werden. Ihre Ausdehnung stellt dann bedeutende Ansprüche an den Raum und die Investitionskosten.
4. Ein teilweises Abschwemmen des aktivierten Schlammes bei Überlastung der Kläranlage hat zur Folge, dass dieser Schlamm in das gereinigte Wasser gelangt, wodurch in bedeutendem Masse der Kläreffekt gestört wird.
5. Durch ein schlechtes Abschlämmregime von der Spitze des Absetzgefässes kommt es zum Faulen des Schlammes, der nicht genügend mit Sauerstoff versorgt ist, hiedurch zu einer Verschlechterung des abfliessenden Wassers mit einer Entwertung des aktivierten Schlammes.
6. Keinesder angeführten Verfahren beeinflusst direkt den metabolistischen Wirkungsgrad des aktivierten Schlammes.
Die angeführten Nachteile werden bei einem Verfahren zum kontinuierlichen, biologischen Abbau von metabolisierbaren, in flüssigen Medien enthaltenen Stoffen mit Hilfe von Aktivschlamm, erfindungsgemäss dadurch beseitigt, dass durch die Einwirkung mechanischer Schwingungen im Gebiete ausserhalb des Kavitationsfeldes bei einer Frequenz von 1,5 bis 45 kHz auf aktivierten Schlamm die Erhöhung seiner metabolischen Aktivität erzielt wird.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus einem Aktivierungsbehälter, der im unteren Teil mit einer Quelle mechanischer Schwingungen versehen ist. Der aktivierte Schlamm wird in den Aktivierungsraum durch ein Zuführungssystem und einen Schlammverteiler in einer Entfernung von 15 bis 20 cm oberhalb der Quelle der mechanischen Schwingungen, jedoch ausserhalb des Gebietes des intensivsten Kavitationsfeldes eingeleitet. Unter dem Verteiler des aktivierten Schlammes mündet das Zuleitungssystem des verarbeiteten Mediums. Durch den Generator der mechanischen Schwingungen wird eine vollkommene Verteilung der Luftdispersion im ganzen Inhalt des verarbeiteten Mediums erzielt.
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Der aktivierte Schlamm, der zum Ablagern weggeführt wird, ist vollendet mit Luft versorgt. Die Luftdispersion wird gleichzeitig zum Flotieren des aktivierten Schlammes ausgenutzt. Durch Einwirkung der mechanischen Schwingungen wird eine Erhöhung des Abbaues der metabolisierbaren Stoffe erzielt,
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wandelt. Durch die Technologie gemäss der Erfindung, sind die toten Räume des Absetzgefässes der gegenwärtig verwendeten Einrichtungen beseitigt, in denen es häufig zum Faulen des Schlammes durch mangelhafte Luftversorgung kommt, wobei diese nicht einmal genügend geliefert werden darf, um den Sedimentationsprozess nicht zu stören.
Das Verfahren und Einrichtung gemäss der Erfindung haben folgende Vorteile :
1. Durch die Wirkung der mechanischen Schwingungen wird die metabolistische Tätigkeit einiger Komponenten des aktivierten Schlammes und auch die Geschwindigkeit des Abbaues der metabolisierbaren Stoffe erhöht.
2. Das Verfahren und die Einrichtung zum biologischen Abbau metabolisierbarer Stoffe aktivierten Schlammes gemäss der Erfindung beseitigt die grossräumigen Sedimentationseinrichtungen. Hiedurch wird der Raum und die Investitionskosten wesentlich herabgesetzt. Die Sedimentation wird durch die Flotation und durch einen Flotationsraum kleinen Ausmasses, der einen Teil des Aktivierungsbehälters bildet, ersetzt. Zur Flotation wird eine feine Luftdispersion und die Durchlüftung (Aeration), die sich aus technologischen Gründen ergeben, benutzt, wobei der Flotationsvorgang viel schneller und intensiver ist als die Sedimentation.
3. Durch eine zweckmässige Durchlüftung (Aeration), bei der Konstruktion des Durchlüftungsraumes gemäss der Erfindung, kann die Verweildauer auf eine wesentlich niedrigere, als bei den gegenwärtigen Systemen (bis um 1 h) herabgesetzt werden, wodurch die Grösse der Aktivierbehälter wesentlich herabgesetzt wird, was gleichzeitig eine wesentliche Verkleinerung des verbauten Raumes und eine Herabsetzung der Investitionskosten bedeutet.
4. Durch das Belüftungssystem (Aerationsystem) gemäss der Erfindung wird eine mikroskopische Dispersion der Luft im Medium erreicht. Hiedurch ist eine maximale Berührungsfläche der beiden Phasen, wie auch dauernder Überschuss an Sauerstoff und dessen vollkommene Ausnutzung zur biologischen Oxydation gegeben. Durch die maximale Ausnutzung der angewendeten Luft kommt es zu keinen überflüssige ökonomischen Verlusten. Infolgedessen erniedrigen sich wesentlich die Kosten der Kläranlage. Die Einrichtung gemäss der Erfindung ist genügend robust, dasDurchlüftungssystem (Aerations- system) arbeitet ohne Störung und beseitigt die Nachteile der gegenwärtigen Systeme.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigt Fig. l ein Schema des Verfahrens gemäss der Erfindung und Fig. 2 die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. In Fig. l bedeutet : l diemechanische Vorreinigung, 2 denAktivierungsbehälter, 3 denFlotationsraum, 4 den Behälter für die Regenerierung des Schlammes, 5 das Filter, 6 den Generator der mechanischen Schwingungen, 7 den Luftkompressor und 8 die Schlammpumpe.
Nach der groben mechanischen Vorreinigung bei 1 wird das verarbeitete flüssige Medium über den Generator der mechanischen Schwingungen 6 in den Aktivierungsbehälter 2 geführt. Durch die Wirkung des Generators 6 kommt es zu einer vollkommenenDurchlüftung (Aeration) und zu einer mikroskopischen Dispersion der Luft im verarbeiteten, flüssigen Medium. Im Aktivierungsbehälter verläuft der erste Teil des Aktivierungsprozesses, d. i. die Adsorption der gelösten Stoffe, an den Flocken des aktivierten Schlammes. Durch den Einfluss der fein verteilten Luft ist der aktivierte Schlamm in maximalem Ausmass mit Sauerstoff versorgt. Die mikroskopischen Bläschen haften an den suspendierten Stoffen und an den Teilchen des Schlammes, welche zu flotieren beginnen. Zur Beendigung der Flotation dient der eigentliche Raum des Aktivierungsbehälters 3.
Durch die Einwirkung der mechanischen Schwingungen auf den aktivierten Schlamm wird eine Erhöhung der metabolischen Aktivität des Schlammes und eine Beschleunigung des metabolischen Abbauvorganges der metabolisierbaren Stoffe erreicht, d. h. die Beschleunigung der zweiten Phase desAktivierungsprozesses. Die Flotation ist schneller und wirksamer als die Sedimentation. Der Flotationsraum ist im Vergleich zu den Räumen der Sedimentierungseinrichtungen klein, ohne dass seine Funktion gestört ist.
Der flotierte Schlamm wird in den Regenerierungsbehälter 4 gerecht, wo er weiter durchlüftet wird. Nach der Regenerierung wird er in den Aktivierungsbehälter zurückgebracht und der überflüssige Schlamm kommt in Faulbehälter, gegebenenfalls auf das Schlammfeld. Das gereinigte Wasser fliesst vom Boden des Flotationsbehälters über das Filter 5 in den Rezipienten. Bei einem Mangel an zulaufendem Abwasser oder im Falle einer Havarie kann dieses Wasser zum Erregen der mechanischen Schwingungen verwendet werden.
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Die Einrichtung zum kontinuierlichen, biologischen Abbau metabolisierbarer Stoffe ist in Fig. 2 gezeigt, in der bedeutet : 2 den Aktivierungsbehälter, 6 den Generator mechanischer Schwingungen, 9 das Zuleitungssystem des aktivierten Schlammes, 10 den Verteiler für aktivierten Schlamm, 11 die Zuleitung des verarbeiteten Mediums.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum kontinuierlichen, biologischenAbbau von metabolisierbaren, in flüssigen Medien enthaltenen Stoffen mit Hilfe von Aktivschlamm, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einwirkung mechanischer Schwingungen im Gebiete ausserhalb des Kavitationsfeldes bei einer Frequenz von 1, 5 bis 45 kHz auf aktivierten Schlamm die Erhöhung seiner metabolischen Aktivität erzielt wird.