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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Abwasser, bei dem wiederholt folgende Schritte ausgeführt werden : - Zufuhr von Abwasser in einen Reaktor ; - Belüften des Reaktorinhaltes ; - Beenden der Belüftung, um Schlamm absetzen zu lassen ; - Abzug von Klarwasser und Schlamm.
Es sind seit geraumer Zeit biologische Kläranlagen bekannt, die nach dem sogenannten SBR (Sequence Batch Reactor) Verfahren arbeiten. Im Gegensatz zu kontinuierlich arbeitenden Kläranlagen, bei denen der jeweilige Zufluss und Abfluss der augenblicklich anfallenden Abwassermenge entspricht, wird bei dem SBR-Verfahren eine vorbestimmte Abwassermenge gesammelt und dann in kurzer Zeit in einen Reaktor eingepumpt. Die Behandlung des Abwassers in dem Reaktor erfolgt dabei im wesentlichen ohne weitere Zufuhr von Abwasser Nach der Beendigung eines Behandlungszyklus wird der Reaktor teilweise entleert. Im oberen Bereich des Reaktors wird dabei Klarwasser abgezogen, und aus einem unteren Bereich des Reaktors wird eine geringe Menge Schlamm abgezogen, der einer Entsorgung zugeführt wird.
Im Vergleich zu kontinuierlich beschickten Belebtschlammverfahren bietet das SBR-Verfahren einige entscheidende Vorteile. Der Reinigungsprozess findet bei diesem Verfahren losgelöst von hydraulischen Zulaufschwankungen statt. Weiters kann die Dauer der Reaktionszeiten auf einfache Weise und ohne bauliche Veränderungen an variable Zulaufkonzentrationen angepasst werden.
Dadurch werden die Schwankungen der Ablaufkonzentrationen minimiert. Die zeitweilig erhöhten Substratkonzentrationen bewirken eine Steigerung der bakteriellen Stoffumsatzgeschwindigkeiten Ferner kann die Vermeidung von Blähschlamm und die Selektion von flockenbildenden Bakterien durch den periodischen Wechsel zwischen Nährstoffangebot während der Füllphasen und Nährstoffmangel zum Ende der Reaktionsphasen erreicht werden. Dabei findet die Sedimentation des Belebtschlammes unter strömungsfreien Bedingungen statt und kann gegebenenfalls gut überwacht werden.
Wesentlich bei jeder Art des SBR-Verfahrens ist, dass in dem Reaktor stets eine vorbestimmte Menge Belebtschlamm verbleibt, so dass der Nutzinhalt des Reaktors, d. h die pro Behandlungszyklus zuzugebende Abwassermenge, nur einen Bruchteil des Gesamtinhalts des Reaktors ausmacht. Bei herkömmlichen SBR-Verfahren wird etwa die Hälfte bis zwei Dnttel des Gesamtinhalts des Reaktors als Belebtschlamm ständig zurückgehalten, während der übrige Teil für die Zufuhr von Abwasser vorgesehen ist. Nach der Zufuhr von Abwasser wird der Reaktor in üblicher Weise belüftet, um eine Nitrifikation durchzuführen. Gegebenenfalls kann vor der Belüftung durch einen anaeroben Verfahrensabschnitt eine Denitrifikation durchgerührt werden Nach der Beendigung der Belüftung folgt eine Absetzphase, um oberhalb des Belebtschlamm eine Schicht von Klarwasser auszubilden.
Danach wird das Klarwasser abgezogen. Um die Menge der Biomasse und des Schlammes im Reaktor konstant zu halten, ist jedoch auch gleichzeitig ein Abzug einer gewissen Schlamm-Menge erforderlich.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass eine relativ lange Verweilzeit des Abwassers im Reaktor erforderlich ist, um eine zufriedenstellende Qualität der Reinigung zu gewährleisten.
Daher ist für eine vorgegebene Anlagengrösse der mögliche Durchsatz beschränkt.
Um diese Nachteile zumindest zu mildern, ist es bekannt, belüftete und unbelüftete Zonen innerhalb eines Batch-Reaktors räumlich zu trennen. Dabei muss jedoch der Belebtschlamm durch Umpumpen zwischen aeroben und anaeroben Bereichen hin-und hergeführt werden. Ein solches Verfahren ist jedoch aufwendig und sensibel gegenüber Störeinflüssen.
Die EP 0453 881 A1 betrifft ein Verfahren zum biologischen Reinigen von Abwasser und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens. Der in dieser Druckschrift beschriebene Reaktor wird im Schlaufenbetrieb gefahren. Dabei ist ein zylindrischer Reaktor vorgesehen, in dem ein oben und unten offenes Rohr eingeführt wird. Durch eine Düse wird eine Umwälzströmung in dem Reaktor erzeugt. Es ist jedoch bei einer solchen Lösung nicht möglich, zwei grundsätzlich unterschiedliche Verfahrensschritte in unterschiedlichen Bereichen des Reaktors auszuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte Verfahren so weiterzubilden, dass bei hohen Reinigungsgraden eine grosse Durchsatzmenge erzielbar ist. Das Verfahren soll dabei einen möglichst geringen Regelungsaufwand besitzen und robust sein.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Zufuhr des Abwassers in den Bereich einer Düse erfolgt, die zwei durch eine Trennwand getrennte Räume des Reaktors verbindet, um durch die Zufuhr des Abwassers eine Zirkulationsströmung zwischen den Räumen des Reaktors hervorzurufen.
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Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass in unterschiedlichen Bereichen des Reaktors gleichzeitig zum Teil unterschiedliche Prozesse ablaufen Auf diese Weise kann die Verweilzeit des Abwassers deutlich verringert werden. Während des Befüllens des Reaktors herrschen in dem ersten Raum, in dem der Zulauf erfolgt, anaerobe Bedingungen, so dass eine Denitrifikation durchgeführt wird. Im oberen Bereich der Trennwand befindet sich eine Verbindung zwischen den beiden Räumen. Der untere Bereich dieser Verbindung ist als Überströmkante ausgebildet. Zu Beginn des Arbeitszyklus liegt der Wasserspiegel im Reaktor im Bereich dieser Überströmkante oder geringfügig darunter. Im letzteren Fall muss jedenfalls sichergestellt sein, dass der Abzug aus beiden Räumen gleichzeitig erfolgen kann.
So lange der Wasserspiegel im Reaktor unterhalb der Überströmkante liegt, versucht das einströmende Abwasser durch die Düsenwirkung Abwasser vom zweiten Raum in den ersten Raum mitzureissen. Da auf diese Weise jedoch der Wasserspiegel im ersten Raum über den im zweiten Raum ansteigen würde, bildet sich an der Düse ein Druckunterschied aus, der anfänglich ein nennenswertes Überströmen vom zweiten Raum in den ersten Raum verhindert. Unter Umständen kann sogar eine geringfügige Strömung in der entgegengesetzten Richtung auftreten.
Auf diese Weise liegen in der ersten Phase im ersten Raum vollständig anaerobe Bedingungen vor, die zusammen mit der Kohlenstoff-Fracht des frischen Abwassers eine hohe Denitrifikationsgeschwindigkeit gewährleisten.
Sobald der Wasserspiegel in dem ersten Raum die Überströmkante erreicht hat, findet ein völliger Ausgleich des Wasserspiegels in den beiden Räumen statt. Da die Zulauföffnung in einer Düse zwischen den beiden Räumen angeordnet ist, wird dann gleichzeitig mit dem zugeführten Abwasser Schlamm aus dem zweiten Raum in den ersten Raum mitgerissen. Als Schlamm wird hier der mit Biomasse angereicherte Teil des Reaktorinhalt verstanden. Je nach Ausbildung der Düse kann die mitgerissene Schlamm-Menge ein Mehrfaches der eingedüsten Abwassermenge ausmachen.
Durch diese Zirkulationsströmung kommt es zu einer Anreicherung des Belebtschlamm im ersten Raum. In Zusammenhang mit einer entsprechenden Steuerung der Belüftung kann auf diese Weise eine arbeitsteilige und hochwirksame Reinigung des Abwassers erreicht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Zufuhrmenge des Abwassers in jedem Arbeitszyklus zwischen 10 und 30%, vorzugsweise zwischen 15 und 20% des Gesamtinhalts des Reaktors entspricht. Bei herkömmlichen SBR-Verfahren ist man davon ausgegangen, dass die Leistung einer Anlage gesteigert werden kann, indem das Verhältnis des nutzbaren Reaktorinhalt zum Gesamtinhalt möglichst gross gemacht wird.
In überraschender Weise hat sich bei der vorliegenden Erfindung herausgestellt, dass bei kleineren Nutzinhalten die Verweilzeit im Reaktor in einem solchen Ausmass verkürzt werden kann, dass bei vorgegebener Reaktorgrösse ein insgesamt grösserer Durchsatz bei verbesserter Reinigungsleistung gegenüber herkömmlichen Anlagen möglich ist Diese Wirkung beruht teilweise auf der anfänglich schnelleren Absetzgeschwindigkeit des Schlamms und auf der durch das erfindungsgemässe Verfahren möglichen Schlammkonzentration, die grösser ist als bei herkömmlichen Verfahren
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Zufuhr von Abwasser so lange erfolgt, bis der Pegel des Reaktonnhalts eine Überströmöffnung erreicht,
und dass ein geringer Teil des Reaktorinhalt über die Überströmöffnung ausströmen gelassen wird. Eine solche Verfahrensführung hat einerseits den Vorteil, dass die pro Arbeitszyklus zugeführte Abwassermenge nicht genau gemessen werden muss, da es unerheblich ist, ob etwas mehr oder weniger Reaktorinhalt über die Überströmöffnung ausströmt Um den diskontinuierlichen Betrieb überhaupt aufrecht erhalten zu können, ist in jedem Fall ein Pufferbehälter oder dgl. vor dem Reaktor vorzusehen, in welchen Pufferbehälter der aus der Úberströmöffnung austretende Reaktorinhalt rückgeführt wird. Ein weiterer Vorteil einer solchen Verfahrensführung besteht darin, dass sich in vielen Fällen an der Oberfläche des Reaktors Schwimmschlamm ausbildet, der nicht mit dem gereinigten Abwasser abgezogen werden darf.
Dieser Schwimmschlamm wird in der vorliegenden Ausführungsvariante einfach über die Überströmöffnung in den Pufferbehälter rückgeführt und kann dort abgebaut werden.
Eine besondere Steigerung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemässen Verfahrens durch Verkürzung der Verweilzeit kann dadurch erreicht werden, dass während der Zufuhr von Abwasser In einen ersten Raum des Reaktors die Belüftung eines zweiten Raums des Reaktors begonnen wird. Während in dem ersten Raum dabei unter anaeroben Bedingungen eine Denitrifikation durchgeführt wird, wird in dem zweiten Raum unter Sauerstoffzufuhr eine Nitrifikation durchgerührt
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Durch die gleichzeitig bewirkte Zirkulationsströmung wird erreicht, dass das Abwasser zumindest einmal sowohl der Denitrifikation als auch der Nitrifikation unterzogen wird. Je nach Stärke der Zirkulationsströmung können Teile des Abwassers dieses Zyklus auch mehrfach durchlaufen.
Eine weitere Steigerung der Qualität der Umsetzung kann dadurch erreicht werden, dass nach Beendigung der Zufuhr von Abwasser eine Belüftung des ersten Raumes durchgeführt wird.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Verhältnis der Abzugsmenge von Klarwasser zu der Abzugsmenge von Schlamm über 10 : 1 beträgt. Durch das obige Verhältnis wird die Menge der Biomasse festgelegt, die in jedem Arbeitszyklus aus dem Reaktor abgezogen wird. Wird zu wenig Biomasse abgezogen, so kann sich bei Beendigung des Arbeitszyklus keine ausreichende Klarwasserzone im oberen Reaktorbereich ausbilden. Es besteht somit die Gefahr, dass das Klarwasser durch mitgerissene Biomasse verunreinigt wird. Im umgekehrten Fall wird das Inventa des Reaktors an Biomasse zu stark verringert, so dass die Umsetzungsgeschwindigkeit undqualität leidet. Ausserdem wird letztlich eine grössere Menge Wasser im Kreis geführt, was die Leistungsfähigkeit der Gesamtanlage verringert.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Zirkulationsströmung erst nach dem Einbringen einer vorbestimmten Abwassermenge erzeugt Der Zeitpunkt, an dem die Zirkulation beginnt, ist dadurch gegeben, dass der Pegelstand die Überströmkante erreicht. Auf diese Weise kann anfänglich eine besonders wirksame Denitrifikation bewirkt werden
Weiters betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Reinigung von Abwasser mit einem Reaktor, der über einen vorgeschalteten Pufferbehalter diskontinuierlich mit dem zu reinigenden Abwasser beschickt wird, wobei der Reaktor eine Zufuhröffnung, eine erste Abzugsöffnung zum Abzug von Klarwasser und eine zweite Abzugsöffnung zum Abzug von Schlamm aufweist, und wobei der Lüfter zur Belüftung des Reaktorinhalt vorgesehen sind Erfindungsgemäss ist diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Reaktor eine Trennwand vorgesehen ist, die den Reaktor in zwei Räume unterteilt, dass in einem unterem Bereich der Trennwand eine Düse ausgebildet ist, die die beiden Räume verbindet, wobei die Zufuhröffnung im Bereich der Düse angeordnet ist, und dass im oberen Bereich der Trennwand eine Überströmkante vorgesehen ist, die eine weitere Verbindung der beiden Räume begrenzt Die Form des erfindungsgemässen Reaktors ist grundsätzlich keiner besonderen Beschränkung unterworfen. Zumeist wird der Reaktor eine allgemein zylindrische Form aufweisen, was kreisförmige, quadratische, rechteckige oder vieleckige Grundrisse umfasst.
Eine optimale Abwasserreinigung ergibt sich dann, wenn die beiden Räume des Reaktors im wesentlichen gleich gross ausgebildet sind. Dabei ist eine besonders einfache Herstellung des erfindungsgemässen Reaktors möglich, wenn der Reaktor zylindrisch oder vieleckig ausgebildet Ist, wobei die Trennwand im wesentlichen eben ist und durch den Mittelpunkt des Reaktors hindurchgeht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Düse als Lavaldüse ausgebildet ist, und dass die Zufuhröffnung am Ende eines Rohres ausgebildet ist, das koaxial zur Düse angeordnet ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Umwälzung des Reaktorinhaltes ein Vielfaches der eingedüsten Abwassermenge ausmacht.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Überströmkante der Trennwand in einer Höhe angeordnet ist, die 70 bis 90 %, vorzugsweise 80 bis 85 % des Reaktorinhalts entspricht. Bei einen im wesentlichen zylindrischen Reaktor ist das Füllvolumen proportional zur Füllhöhe, so dass die obigen Angaben direkt die Höhe der Trennwand betreffen. Bel anderen Reaktortypen müssen die Höhenangaben entsprechend der Querschnittsform umgerechnet werden.
Es ist an sich ausreichend, wenn m oberen Bereich der Trennwand eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Raum geschaffen ist. Besonders einfach ist jedoch, wenn die Überströmkante als Oberkante der Trennwand ausgebildet ist. In einer Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Abzugsöffnung im wesentlichen in der Höhe der Überströmkante ausgebildet ist. Durch die Höhe der Abzugsöffnung wird die maximale Klarwassermenge definiert, die in einem Arbeitszyklus abgelassen werden kann.
Wenn die Abzugsöffnung auf der Höhe der Überströmkante liegt oder darüber angeordnet ist, dann wird das Klarwasser automatisch aus beiden Räumen abgezogen
Alternativ dazu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die erste Abzugsöffnung in einer Höhe unterhalb der Überströmkante im Bereich der Verbindung der Trennwand mit einer Aussenwand des Reaktors angeordnet ist, so dass die erste Abzugsöffnung mit beiden Räumen des Reaktors in Verbindung steht. Auf diese Weise kann die Trennung zwischen den beiden Räumen
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verbessert werden und trotzdem wird gewährleistet, dass das Klarwasser aus beiden Räumen gleichmässig abgezogen wird.
Es ist weiters besonders günstig, wenn die zweite Abzugsöffnung in einer Höhe angeordnet ist, die einem Reaktorinhalt zwischen 20 und 50 %, vorzugsweise zwischen 30 und 40 % des Gesamtinhalts des Reaktors entspricht. An sich ist es wünschenswert, den Belebtschlamm in möglichst hoher Konzentration abzuziehen, um den Klarwasseranteil pro Arbeitszyklus gross zu halten. Dementsprechend wäre es am günstigsten, die zweite Abzugsöffnung möglichst weit unten im Reaktor anzuordnen. Es kann jedoch der Fall eintreten, dass zufolge einer Verunreinigung oder dgl. das Ventil, das die zweite Abzugsöffnung steuert, nicht vollständig schliesst. In diesem Fall läuft der gesamte Reaktorinhalt bis auf die Höhe der zweiten Abzugsöffnung aus.
Um auch in einem solchen Störfall ein bestimmtes Mindestinventar an Biomasse im Reaktor zu halten, ist die obige Höhe der zweiten Abzugsöffnung erforderlich.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsvananten näher erläutert Es zeigen : Fig. 1 ein generelles Verfahrensschaubild, Fig. 2 einen Grundriss eines erfindungsgemässen Reaktors, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 111-111 in Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 2, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4 und Fig. 6 ein schematisches Zeitdiagramm über einen erfindungsgemässen Verfahrenszyklus.
In der Flg. 1 ist das grundsätzliche Schaltschema zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt. Ein Pufferbehälter 101 wird über einen Zulauf 102 mit Abwasser versorgt Der Pufferbehälter 101 dient zum Ausgleich des kontinuierlich mit unterschiedlichen Raten zuströmenden Abwassers. Eine Pumpe 103 fördert über eine Leitung 104 das Abwasser aus dem Pufferbehälter 101 in einen Reaktor 1. Ein elektromagnetisch betätigbares Ventil 104a verhindert die Rückströmung des Reaktorinhalt in den Pufferbehälter 101. Im obersten Bereich des Reaktors 1 ist eine Überlauföffnung 6 vorgesehen, die über eine Überlaufleitung 106 mit dem Pufferbehälter 101 verbunden ist. Eine Belüftungsöffnung 4a des Reaktors 1 steht mit der Umgebung In Verbindung.
Eine Entleerungsleitung 111 dient zum völligen Entleeren der Reaktors I bei einer Stillegung oder dgl.
Im oberen Bereich des Reaktors 1 ist eine erste Abzugsöffnung 15 vorgesehen, die zum Abzug von Klarwasser dient. Über ein elektromagnetisches Ventil 115a wird das Klarwasser in eine Klarwasserleitung 115 abgezogen, die in eine Probeentnahmevorrichtung 114 mündet und weiter zu einem Klarwasserablauf 113 führt.
Unterhalb der ersten Abzugsöffnung 15 ist im Reaktor 1 eine zweite Abzugsöffnung 16 vorgesehen, die über ein elektromagnetisch betätigbares Ventil 116a und eine Schlammabzugsleitung 116 mit einem Schlammlager 105 in Verbindung steht. Trübwasser kann aus dem Schlamm lager 105 über eine Trübwasserteitung 107 in den Pufferbehälter 101 übergerührt werden. Eine Entnahmeleitung 108 ermöglicht die Leerung des Schlammlagers 105.
Der Reaktor 1 besteht aus einer zylindrischen Aussenwand 2, die oben durch eine Abdeckung 3 abgeschlossen ist In der Mitte der Abdeckung 3 ist ein Mannloch-Deckel 4 mit einer Belüftungsöffnung 4a vorgesehen. Die Abdeckung 3 besitzt weiters rippenartige Vorsprünge 5, von denen einer eine Überlauföffnung 6 aufweist. Eine senkrechte Trennwand 7 unterteilt den Reaktor 1 in einen ersten Raum 8 und einen zweiten Raum 9. Die Oberkante der Trennwand 7 ist als Überströmkante 7a ausgebildet Im Bodenbereich der Räume 8,9 sind Lüfter 10, bzw lla, llb vorgesehen, die dazu ausgebildet sind, Luft durch die Räume 8 bzw. 9 hindurchzuleiten. Weiters ist im unteren Bereich der Trennwand 7 eine Düse 12 angeordnet, die die Räume 8,9 miteinander verbindet und in der Form einer Lavaldose ausgebildet ist.
Dies bedeutet, dass sich die Düse zunächst verengt und dann wieder erweitert. Ein Rohr 13 ist von einem Anschluss 13a an der Aussenseite des Reaktors 1 koaxial zur Düse 12 in diese hineingerührt und endet n einer Zufuhröffnung 14 innerhalb der Düse 12. Weiters sind in der Aussenwand des Reaktors 1 eine erste Abzugsöffnung 15 und eine zweite Abzugsöffnung 16 vorgesehen Die Höhe h der ersten Abzugsöffnung 15 entspricht etwa 80% der Höhe H des gesamten Reaktorvolumens, die durch die Überlauföffnung 6 gegeben ist. Die erste Abzugsöffnung 15 ist in der Ebene der Trennwand 7 angeordnet, so dass sie mit beiden Räumen 8, 9 in Verbindung steht. Auf diese Weise wird das Klarwasser gleichmässig aus beiden Räumen 8, 9 abgezogen.
Die Höhe t der Trennwand 7 ist grösser als die Höhe h der ersten Abzugsöffnung 15, und sie entspricht etwa 90% der Höhe H des gesamten Reaktorvolumens. Wenn nun der Reaktor 1 bis auf die Höhe der ersten Abzugsöffnung 15 entleert wird, dann bedeutet dies, dass während der ersten Hälfte des folgenden Befüllungsvorganges ohne Zirkulationsströmung in dem ersten Raum 1 vollkommen anaerobe Bedingungen vorliegen. Erst wenn der Wasserspiegel die Überströmkante
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7a erreicht, bildet sich eine Zirkulationsströmung entsprechend den Pfeilen 17 aus, die durch die Strömung in der Düse 12 angetrieben wird. Es ist jedoch nicht notwendig, das Klarwasser in jedem Zyklus bis auf die Höhe der ersten Abzugsöffnung 15 abzulassen.
Im allgemeinen wird die Öffnungszeit des Ventils 115a von einer Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit der anfallenden Abwassermenge und Schmutzfracht eingestellt. Ein Schliessen des Ventils 115a vor dem Erreichen der Höhe der Abzugsöffnung 15 hat auch den Vorteil, dass allfälliger Schwimmschlamm im Reaktor 1 nicht in das gereinigte Abwasser gelangen kann.
Die Höhe s der zweiten Abzugsöffnung 16 entspricht etwa 40% der Höhe H des gesamten Reaktorvolumens. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch bei einer Fehlfunktion des Ventils 116a etwa 40 % des Reaktorinhalt vor dem Auslaufen geschützt wird.
Die Lüfter 10 ; 11 a, 11 b werden über Leitungen 18 ; 19 mit Druckluft versorgt, die Anschlüsse 18a, 19a aufweisen.
In der Folge wird der Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung anhand eines Zeitdiagramms der Fig. 6 näher erläutert. Zu Beginn des Arbeitszyklus, zum Zeitpunkt to, ist der Reaktor bis auf die Höhe h der ersten Abzugsöffnung 15 entleert. Der im Reaktor 1 befindliche Schlamm enthält die zur Reinigung des Abwassers notwendige Biomasse. Zum Zeitpunkt to beginnt der Zustrom von Abwasser über die Zufuhröffnung 14. In der Kurve 51 ist die Füllmenge des Reaktors 1 in Prozent dargestellt. Es ist ersichtlich, dass zum Zeitpunkt t2 die maximale Füllhöhe von 100 % erreicht ist Die Zufuhr von Abwasser wird noch eine kurze Zeit weiter fortgesetzt, so dass Abwasser über die Überlauföffnung 6 ausfliesst und in den Pufferbehälter 101 zurückgerührt wird.
Die Kurven 52 bzw 53 bezeichnen die Belüftung durch die Lüfter 10 bzw. 11 a und 111b, wobei mit 0 keine Belüftung und mit 1 Belüftung bezeichnet ist.
Zu einem Zeitpunkt t1, der zwischen to und t2 liegt, wird in dem zweiten Raum 9 mit der Belüftung über die Lüfter 11 a, 11 b begonnen. Im ersten Raum 8 liegen anaerobe Verhältnisse vor, so dass eine Denitrifikation stattfindet. Im zweiten Raum 9 findet unter aeroben Verhältnissen eine Nitrifikation statt. Das nitrifizierte Abwasser aus dem zweiten Raum 9 wird durch die Düsenwirkung des zuströmenden Abwassers in den ersten Raum 8 mitgerissen und dort der Denitrifikation unterworfen, sobald der Pegelstand im ersten Raum 8 die Höhe t der Überströmkante 7a erreicht Da sich die Düse 12 im unteren Bereich des Reaktors 1 befindet, reichert sich der Schlamm Im ersten Raum 8 an, was die Denitrifikation begünstigt.
Zum Zeitpunkt ts wird auch der Lüfter 10 im ersten Raum 8 zugeschaltet, um auch hier eine Nitrifikation durchzuführen. Zu einem Zeitpunkt 4 wird die Belüftung beendet, um in einer Retentionsphase im oberen Bereich des Reaktors 1 eine Klarwasserzone zu bilden. Zwischen den Zeitpunkten te und te wird über die erste Abzugsöffnung Klarwasser abgezogen, während über die zweite Abzugsöffnung Schlamm abgezogen wird. Die Zeitdauer zwischen to und te ist die Zykluszeit.
Die Länge der einzelnen Zeitabschnitte ist je nach Auslegung des Reaktors und den unterschiedlichen Betriebsbedingungen sehr unterschiedlich. Über nicht dargestellte Sensoren werden in an sich bekannter Weise Messwerte ermittelt, um die Steuerung des Reaktors optimal zu gestalten. Generell kann davon ausgegangen werden, dass bei einer Auslegung für weniger verschmutzte Abwässer bei Nennlast Zykluszeiten von etwa 1, 5 Stunden oder darunter realisierbar sind. Bei Anlagen für schwierig zu behandelnde oder sehr stark verschmutzte Abwässer geht man von einer Zykluszeit von etwa 3 Stunden aus.
Es muss jedoch festgehalten werden, dass diese Werte Richtwerte darstellen, die von der Steuerung der Anlage veränderbar sind
Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass keine mechanischen Mischaggregate im Reaktor erforderlich sind, um das erfindungsgemässe Verfahren auszurühren, wobei Nitrifikation und Denitrifikation im wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden Die Füllung des Reaktors kann dabei in einem Zug erfolgen, so dass Teilfüllungen nicht erforderlich sind Das erfindungsgemässe Verfahren ist ausserordentlich robust und es sind keine zusätzlichen Steuer- und Messeinrichtungen im Reaktor notwendig. Bei Bedarf kann derselbe Reaktor ohne Änderung auch zur getrennten Schlammbehandlung verwendet werden.
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The present invention relates to a process for the purification of waste water, in which the following steps are carried out repeatedly: feed of waste water into a reactor; - aeration of the reactor contents; - stop ventilation to let sludge settle; - Discharge of clear water and sludge.
Biological wastewater treatment plants have been known for some time, which operate according to the so-called SBR (Sequence Batch Reactor) process. In contrast to continuously operating wastewater treatment plants, in which the respective inflow and outflow correspond to the current amount of wastewater, the SBR process collects a predetermined amount of wastewater and then pumps it into a reactor in a short time. The treatment of the waste water in the reactor takes place essentially without further supply of waste water. After the end of a treatment cycle, the reactor is partially emptied. Clear water is drawn off in the upper region of the reactor, and a small amount of sludge is drawn off from a lower region of the reactor, which is then disposed of.
Compared to continuously fed activated sludge processes, the SBR process offers several decisive advantages. In this process, the cleaning process takes place independently of hydraulic inlet fluctuations. Furthermore, the duration of the reaction times can be easily adapted to variable feed concentrations without structural changes.
This minimizes the fluctuations in the run-off concentrations. The temporarily increased substrate concentrations cause an increase in the bacterial metabolic rate. Furthermore, the avoidance of bulking sludge and the selection of flocculating bacteria can be achieved through the periodic change between nutrient supply during the filling phases and nutrient deficiency at the end of the reaction phases. The sedimentation of the activated sludge takes place under flow-free conditions and can be monitored well if necessary.
It is essential for each type of SBR process that a predetermined amount of activated sludge always remains in the reactor, so that the useful content of the reactor, i. h the amount of wastewater to be added per treatment cycle is only a fraction of the total content of the reactor. In conventional SBR processes, about half to two-thirds of the total content of the reactor is continuously retained as activated sludge, while the rest is intended for the supply of waste water. After the supply of waste water, the reactor is aerated in the usual way to carry out nitrification. If necessary, a denitrification can be carried out before the aeration by means of an anaerobic process section. After the aeration has ended, a settling phase follows in order to form a layer of clear water above the activated sludge.
Then the clear water is drawn off. In order to keep the amount of biomass and sludge in the reactor constant, a certain amount of sludge has to be taken off at the same time.
A disadvantage of the known methods is that a relatively long residence time of the wastewater in the reactor is required in order to ensure a satisfactory quality of cleaning.
The possible throughput is therefore limited for a given plant size.
To at least alleviate these disadvantages, it is known to spatially separate aerated and non-aerated zones within a batch reactor. However, the activated sludge must be moved back and forth between aerobic and anaerobic areas by pumping. However, such a method is complex and sensitive to interference.
EP 0453 881 A1 relates to a process for the biological purification of waste water and a plant for carrying out the process. The reactor described in this publication is operated in loop mode. A cylindrical reactor is provided in which a tube open at the top and bottom is introduced. A circulating flow is generated in the reactor through a nozzle. With such a solution, however, it is not possible to carry out two fundamentally different process steps in different areas of the reactor.
The object of the present invention is to develop the known method in such a way that a large throughput can be achieved with high degrees of cleaning. The method should have as little control effort as possible and be robust.
According to the invention, this object is achieved in that the wastewater is fed into the area of a nozzle which connects two spaces of the reactor which are separated by a partition, in order to cause a circulation flow between the spaces of the reactor through the wastewater supply.
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It is essential to the present invention that different processes take place simultaneously in different areas of the reactor. In this way, the residence time of the waste water can be significantly reduced. During the filling of the reactor, there are anaerobic conditions in the first room in which the feed takes place, so that a denitrification is carried out. In the upper area of the partition there is a connection between the two rooms. The lower area of this connection is designed as an overflow edge. At the beginning of the working cycle, the water level in the reactor is in the area of this overflow edge or slightly below. In the latter case, it must be ensured that the withdrawal from both rooms can take place simultaneously.
As long as the water level in the reactor is below the overflow edge, the inflowing wastewater tries to sweep wastewater from the second room into the first room. However, since in this way the water level in the first room would rise above that in the second room, a pressure difference forms at the nozzle, which initially prevents any significant overflow from the second room into the first room. There may even be a slight flow in the opposite direction.
In this way, in the first phase, there are completely anaerobic conditions in the first room, which, together with the carbon load in the fresh wastewater, ensure a high rate of denitrification.
As soon as the water level in the first room has reached the overflow edge, the water level in the two rooms is completely balanced. Since the inlet opening is arranged in a nozzle between the two rooms, sludge is then carried away from the second room into the first room at the same time as the waste water supplied. The sludge here means the part of the reactor content enriched with biomass. Depending on the design of the nozzle, the amount of sludge entrained can be a multiple of the amount of wastewater injected.
This circulation flow leads to an enrichment of the activated sludge in the first room. In connection with an appropriate control of the ventilation, a division of labor and highly effective cleaning of the waste water can be achieved in this way.
In a particularly preferred embodiment variant of the present invention, it is provided that the feed quantity of the waste water in each work cycle corresponds to between 10 and 30%, preferably between 15 and 20% of the total content of the reactor. With conventional SBR processes, it has been assumed that the performance of a plant can be increased by making the ratio of the usable reactor content to the total content as large as possible.
Surprisingly, it has been found in the present invention that, with smaller useful contents, the residence time in the reactor can be shortened to such an extent that, for a given reactor size, an overall greater throughput with improved cleaning performance compared to conventional plants is possible. This effect is based in part on the initial faster sedimentation rate of the sludge and on the sludge concentration possible by the method according to the invention, which is greater than in conventional methods
In a further preferred embodiment variant of the method according to the invention it is provided that the supply of waste water continues until the level of the reactor contents reaches an overflow opening,
and that a small part of the reactor content is let out through the overflow opening. On the one hand, such a procedure has the advantage that the amount of wastewater supplied per work cycle does not have to be measured precisely, since it is irrelevant whether a little more or less reactor content flows out through the overflow opening. In order to be able to maintain discontinuous operation at all, one is essential Provide buffer tanks or the like in front of the reactor into which buffer tanks the reactor contents emerging from the overflow opening are returned. Another advantage of such a procedure is that in many cases floating sludge forms on the surface of the reactor, which must not be drawn off with the cleaned waste water.
In the present embodiment variant, this floating sludge is simply returned to the buffer tank via the overflow opening and can be removed there.
A particular increase in the performance of the method according to the invention by shortening the residence time can be achieved in that the ventilation of a second room of the reactor is started while wastewater is being fed into a first room of the reactor. While denitrification is carried out in the first room under anaerobic conditions, nitrification is carried out in the second room while supplying oxygen
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As a result of the circulation flow which is effected at the same time, the waste water is subjected to both denitrification and nitrification at least once. Depending on the strength of the circulation flow, parts of the wastewater can go through this cycle several times.
A further increase in the quality of the implementation can be achieved by ventilating the first room after the supply of waste water has ended.
It is particularly preferred if the ratio of the amount of clear water to the amount of sludge is more than 10: 1. The above ratio determines the amount of biomass that is withdrawn from the reactor in each work cycle. If too little biomass is withdrawn, a sufficient clear water zone cannot form in the upper reactor area at the end of the working cycle. There is therefore a risk that the clear water will be contaminated by entrained biomass. In the opposite case, the inventory of the reactor of biomass is reduced too much, so that the implementation speed and quality suffer. In addition, a large amount of water is ultimately circulated, which reduces the performance of the overall system.
In a preferred variant of the method according to the invention, the circulation flow is only generated after a predetermined amount of waste water has been introduced. The point in time at which the circulation begins is given by the water level reaching the overflow edge. In this way, a particularly effective denitrification can be brought about initially
Furthermore, the present invention relates to a device for purifying waste water with a reactor which is fed batchwise with the waste water to be purified via a buffer tank connected upstream, the reactor having a feed opening, a first discharge opening for removing clear water and a second discharge opening for removing sludge and the fan is provided for ventilating the reactor contents. According to the invention, this device is characterized in that
that a partition is provided in the reactor that divides the reactor into two spaces, that a nozzle is formed in a lower region of the partition that connects the two spaces, the feed opening being arranged in the region of the nozzle, and that in the upper region an overflow edge is provided in the partition wall, which limits a further connection of the two spaces. The shape of the reactor according to the invention is in principle not subject to any particular restriction. Most of the time the reactor will have a generally cylindrical shape, which includes circular, square, rectangular or polygonal floor plans.
Optimal wastewater treatment results when the two rooms of the reactor are essentially of the same size. A particularly simple manufacture of the reactor according to the invention is possible if the reactor is cylindrical or polygonal, the partition wall being essentially flat and passing through the center of the reactor.
In a particularly preferred embodiment variant of the invention it is provided that the nozzle is designed as a Laval nozzle and that the feed opening is formed at the end of a tube which is arranged coaxially to the nozzle. In this way it can be achieved that the circulation of the reactor contents is a multiple of the amount of wastewater injected.
It is preferably provided that the overflow edge of the dividing wall is arranged at a height which corresponds to 70 to 90%, preferably 80 to 85%, of the reactor content. In the case of an essentially cylindrical reactor, the filling volume is proportional to the filling height, so that the above information relates directly to the height of the partition. For other reactor types, the height information must be converted according to the cross-sectional shape.
It is in itself sufficient if a connection between the first and the second space is created in the upper region of the partition. However, it is particularly simple if the overflow edge is designed as the upper edge of the partition. In a variant of the present invention it is provided that the first discharge opening is formed essentially at the height of the overflow edge. The height of the drain opening defines the maximum amount of clear water that can be drained in one work cycle.
If the drain opening is at the level of the overflow edge or is arranged above it, the clear water is automatically drawn off from both rooms
Alternatively, however, it can also be provided that the first discharge opening is arranged at a height below the overflow edge in the region of the connection of the partition wall to an outer wall of the reactor, so that the first discharge opening is connected to both spaces of the reactor. In this way, the separation between the two rooms
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be improved and nevertheless it is ensured that the clear water is drawn off equally from both rooms.
It is also particularly advantageous if the second discharge opening is arranged at a height which corresponds to a reactor content between 20 and 50%, preferably between 30 and 40% of the total content of the reactor. As such, it is desirable to draw off the activated sludge in as high a concentration as possible in order to keep the proportion of clear water high per work cycle. Accordingly, it would be most advantageous to arrange the second discharge opening as far down in the reactor as possible. However, it may happen that the valve that controls the second exhaust opening does not close completely due to contamination or the like. In this case, the entire reactor contents run down to the level of the second discharge opening.
In order to maintain a certain minimum inventory of biomass in the reactor even in such an accident, the above height of the second exhaust opening is required.
The invention is explained in more detail below with reference to the embodiment vanant shown in the figures. FIG. 1 shows a general process diagram, FIG. 2 shows a plan view of a reactor according to the invention, FIG. 3 shows a section along line 111-111 in FIG. 2, FIG 4 shows a section along the line IV-IV in FIG. 2, FIG. 5 shows a section along the line VV in FIG. 4 and FIG. 6 shows a schematic time diagram over a process cycle according to the invention.
In the Flg. 1 shows the basic circuit diagram for carrying out the method according to the invention. A buffer tank 101 is supplied with waste water via an inlet 102. The buffer tank 101 serves to compensate for the waste water flowing in continuously at different rates. A pump 103 conveys the waste water from the buffer tank 101 into a reactor 1 via a line 104. An electromagnetically actuated valve 104a prevents the reactor contents from flowing back into the buffer tank 101. In the uppermost region of the reactor 1, an overflow opening 6 is provided, which is via an overflow line 106 is connected to the buffer tank 101. A ventilation opening 4a of the reactor 1 communicates with the environment.
An emptying line 111 is used for the complete emptying of the reactor I during a shutdown or the like.
In the upper area of the reactor 1, a first drain opening 15 is provided, which is used to draw off clear water. The clear water is drawn off via an electromagnetic valve 115 a into a clear water line 115, which opens into a sampling device 114 and further leads to a clear water drain 113.
Below the first discharge opening 15, a second discharge opening 16 is provided in the reactor 1, which is connected to a sludge storage 105 via an electromagnetically actuated valve 116a and a sludge discharge line 116. Turbid water can be stirred from the sludge storage 105 via a turbid water line 107 into the buffer tank 101. A removal line 108 enables the sludge storage 105 to be emptied.
The reactor 1 consists of a cylindrical outer wall 2, which is closed at the top by a cover 3. In the middle of the cover 3, a manhole cover 4 with a ventilation opening 4a is provided. The cover 3 also has rib-like projections 5, one of which has an overflow opening 6. A vertical partition 7 divides the reactor 1 into a first space 8 and a second space 9. The upper edge of the partition 7 is designed as an overflow edge 7a. Fans 10 or 11a, 11b are provided in the bottom region of the spaces 8, 9 and are designed for this purpose To pass air through rooms 8 and 9, respectively. Furthermore, a nozzle 12 is arranged in the lower region of the partition 7, which connects the rooms 8, 9 with one another and is designed in the form of a Laval can.
This means that the nozzle initially narrows and then widens again. A pipe 13 is coaxially stirred into the nozzle 12 from a connection 13a on the outside of the reactor 1 and ends in a feed opening 14 inside the nozzle 12. Furthermore, a first discharge opening 15 and a second discharge opening 16 are provided in the outer wall of the reactor 1 The height h of the first discharge opening 15 corresponds to approximately 80% of the height H of the total reactor volume, which is given by the overflow opening 6. The first discharge opening 15 is arranged in the plane of the partition 7, so that it is connected to both rooms 8, 9. In this way, the clear water is drawn off evenly from both rooms 8, 9.
The height t of the partition 7 is greater than the height h of the first discharge opening 15, and it corresponds to approximately 90% of the height H of the total reactor volume. If the reactor 1 is now emptied to the level of the first discharge opening 15, this means that completely anaerobic conditions are present in the first space 1 during the first half of the following filling process without a circulation flow. Only when the water level reaches the overflow edge
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7a reached, a circulation flow is formed according to the arrows 17, which is driven by the flow in the nozzle 12. However, it is not necessary to drain the clear water to the level of the first drain opening 15 in each cycle.
In general, the opening time of the valve 115a is set by a control device depending on the amount of waste water and dirt load. Closing the valve 115a before reaching the height of the discharge opening 15 also has the advantage that any floating sludge in the reactor 1 cannot get into the cleaned waste water.
The height s of the second discharge opening 16 corresponds to approximately 40% of the height H of the total reactor volume. This ensures that even if valve 116a malfunctions, about 40% of the reactor content is protected against leakage.
The fans 10; 11 a, 11 b are via lines 18; 19 supplied with compressed air, which have connections 18a, 19a.
The operation of the device according to the invention is explained in more detail below on the basis of a time diagram in FIG. 6. At the beginning of the working cycle, at time to, the reactor is emptied to the height h of the first discharge opening 15. The sludge in the reactor 1 contains the biomass necessary for the purification of the waste water. At the time to, the inflow of wastewater begins via the feed opening 14. The filling quantity of the reactor 1 is shown in percent in curve 51. It can be seen that the maximum fill level of 100% is reached at time t2. The supply of waste water is continued for a short time, so that waste water flows out via the overflow opening 6 and is stirred back into the buffer tank 101.
Curves 52 and 53 denote the ventilation by fans 10 and 11a and 111b, respectively, 0 denoting no ventilation and 1 ventilation.
At a time t1, which lies between to and t2, ventilation in the second room 9 is started via the fans 11a, 11b. Anaerobic conditions exist in the first room 8, so that denitrification takes place. In the second room 9, nitrification takes place under aerobic conditions. The nitrified waste water from the second space 9 is entrained by the nozzle effect of the inflowing waste water into the first space 8 and is subjected to denitrification there as soon as the level in the first space 8 reaches the height t of the overflow edge 7a since the nozzle 12 is in the lower region of the Reactor 1 is located, the sludge accumulates in the first room 8, which promotes denitrification.
At time ts, the fan 10 in the first room 8 is also switched on in order to carry out nitrification here as well. At a point in time 4, the aeration is ended in order to form a clear water zone in a retention phase in the upper region of the reactor 1. Between the times te and te, clear water is drawn off via the first discharge opening, while sludge is drawn off via the second discharge opening. The time between to and te is the cycle time.
The length of the individual periods is very different depending on the design of the reactor and the different operating conditions. Measured values are determined in a manner known per se via sensors (not shown) in order to optimally design the control of the reactor. In general, it can be assumed that cycle times of around 1.5 hours or less can be achieved with a design for less polluted waste water at nominal load. In plants for wastewater that is difficult to treat or very heavily polluted, a cycle time of around 3 hours is assumed.
However, it must be noted that these values represent standard values that can be changed by the control system
The particular advantage of the present invention is that no mechanical mixing units are required in the reactor in order to carry out the process according to the invention, nitrification and denitrification being carried out essentially at the same time. The reactor can be filled in one go, so that partial fillings are not necessary The method according to the invention is extremely robust and no additional control and measuring devices are required in the reactor. If necessary, the same reactor can also be used for separate sludge treatment without modification.