Die Erfindung betrifft eine Kleinkläranlage mit einem ein- oder zweiteiligen Sandfilter und einer Dosiereinrichtung, die eine intervallweise Beschickung des Sandfilters mit vorgereinigtem Abwasser ermöglicht.
Bekannte Sandfilter-Kleinkläranlagen weisen drei Stufen auf, nämlich eine Vorklärstufe mit mindestens einem Vorklärbecken (mechanische Reinigung), einer Dosiereinrichtung zur intervallweisen Beschickung des Filters und einem Sandfilter als biologische Reinigungsstufe. Beim Betrieb gelangt das der Anlage zugeführte Abwasser von den Vorklärbecken über eine Dosiereinrichtung zum Sandfilter, sickert durch diesen hindurch und gelangt danach gereinigt in die Umwelt (Vorfluter, Versickerung). Im Vorklärbecken kann sich ein Teil der im Abwasser vorhandenen Feststoffe absetzen, wobei der Schlamm teilweise abgebaut wird und von Zeit zu Zeit entfernt werden muss.
Die mit dem vorgereinigten Abwasser zum Sandfilter gelangenden, gelösten, organischen Stoffe, werden im Sandfilter hauptsächlich durch fakultativ aerobe Mikroorganismen abgebaut, aber auch physikalisch ausgefiltert und biochemisch umgewandelt.
Sandfilter haben gegenüber Tropfkörpern den Vorteil, dass sie nicht dauernd (mehrmals pro Stunde) beschickt werden müssen, um einwandfrei zu funktionieren, weil sie Beschickungsunterbrüche über Stunden und sogar Tage ertragen, ohne in ihrer Filterleistung nachzulassen. Der Grund dazu liegt in der Tatsache, dass die zur Reinigung notwendige, biologisch aktive, sehr dünne Schlammschicht (biologischer Rasen) auf den Steinen eines Tropfkörpers schnell austrocknen kann, und dadurch zerstört wird. In Sandfiltern wird Wasser in den Feinporen des Filters zwischengespeichert, so dass ein Austrocknen erst nach langer Zeit erfolgt. Bei Sandfiltern treten zudem auch bei hohen Belastungen praktisch keine Geruchsprobleme auf und es entwickeln sich keine Tropfkörperfliegen.
Es werden in der amerikanischen Literatur, z.B. in "Onsite Wastewater Treatment and Disposal Systems", U.S Env. Protection Agency, 1982, zwei verschiedene kompakte Sandfilter-Anlagetypen aufgeführt: Die einfach durchströmten Sandfilter (free access intermittent sand filters) und Sandfilteranlagen mit Rezirkulation (recirculating intermittent sand filters). Beide Anlagetypen gelten als relativ aufwendig bezüglich Wartung und heikel, was die Verteilung des Abwassers auf der Filteroberfläche betrifft. Zudem müssen sie mit einer Pumpe beschickt werden. In der Literatur finden sich auch Hinweise auf Saughebersysteme (z.B. Kanalspüler), mit denen das Abwasser auch ohne elektrische Energie intervallweise auf einen Sandfilter geleitet werden kann.
Die bekannten Saugheber haben aber den Nachteil, dass bei kleinen Abwasserzuflussmengen der Absperrsiphon seine Unterbrecherfunktion einbüsst, und das Abwasser kontinuierlich auf den Filter rinnt, was die Reinigungsleistung erheblich mindert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abwasserreinigung, insbesondere kleiner Abwassermengen, zu schaffen, das Nachteile der bekannten Sandfilter-Verfahren vermeidet, wobei die zur Durchführung des Verfahrens notwendige Anlage mit möglichst geringen Kosten produzierbar und möglichst ohne elektrischen Energieaufwand, sowie mit einfacher, und damit geringer Wartungsarbeit realisierbar sein soll.
Dieses Ziel wird durch eine Kleinkläranlage erreicht, die durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist. Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das Reinigungssystem wird so aufgebaut, dass das Abwasser den vertikalen Sandfilter nur einmal durchströmen, oder, bei höheren Reinigungsansprüchen das gereinigte Abwasser, aus letzterem nochmals rezirkuliert werden kann. Entscheidend ist die intervallweise Beschickung des Filters mit gleichmässiger Verteilung des Abwassers auf der Filteroberfläche, da dadurch mit jedem Intervall Luft in den gesamten Filter gepresst wird und ein weitgehend aerober Abbau der organischen Substanz ermöglicht wird. Insbesondere kann damit auch der Notwendigkeit Folge geleistet werden, in Gewässern unerwünschter Ammonstickstoff weitgehend in Nitratstickstoff umzuwandeln.
Die Anlage funktioniert, dank Ausnützung der Gravitation in geeignetem Gelände mittels eines Spezialsiphons (Saugheber und Gegensiphon), immer auch ohne elektrische Energie. Eine allfällige Rezirkulation mit einer Tauchmotorpumpe erhöht die Reinigungsleistung, wenn das gereinigte Abwasser z.B. versickert werden muss, die Rezirkulationspumpe ist für den Betrieb aber nicht zwingendes Funktionselement. Dies bedeutet, dass die Anlage auch ohne Pumpe reinigt, was eine hohe Funktionssicherheit ermöglicht, sofern der minimale Wartungsaufwand erbracht wird. Damit die kleinen Wartungsarbeiten leicht durchgeführt werden können, ist die Filteroberfläche gut zugänglich und in der Regel mit Brettern abgedeckt.
Der Spezialsiphon leitet aus dem Dosierschacht eine konstante Abwassermenge auf die Oberfläche des Sandfilters, so dass pro Quadratmeter Fläche, je nach Kornverteilung des Sandes, 5-15 Liter Abwasser je Intervall aufgebracht werden. Die Verteilung erfolgt durch Kunststoffrohre mit Sprinklerdüsen, die waagrecht auf der Filteroberfläche verlegt oder drehbar montiert sind. Die Dimensionierung der Rohre und der Düsen richtet sich nach dem Gravitationsdruck des Wassers, der Sandfilterfläche und dem Filtervolumen. Sprinklerdüsen erhöhen die Reinigungsleistung der Sandfilter erheblich, da durch eine gleichmässige Verteilung des vorgereinigten Abwassers auf der Oberfläche das Filtervolumen optimal genutzt wird, und das Abwasser nicht nur örtlich begrenzt durch einzelne Filterbereiche fliesst.
Damit können die Nachteile des sog. preferential Flow im Filter auf ein Minimum reduziert werden.
Kernstück der Anlage ist der Spezialsiphon, der das Abwasser dem Sandfilter intermittierend zuführt und den Sprinklerdüsen zur optimalen Verteilung des Abwassers auf dem Filter. Dies hat zur Folge, dass bei der Entleerung der Dosierkammer, jeweils gerade eine so grosse Wassermenge pro Intervall anfällt, dass das Abwasser gleichmässig über die Sandfilterfläche verteilt wird und der Sandfilter benetzt, aber nicht überflutet wird. Die Wassermenge je Intervall ist so bemessen, dass sie der Wassermenge im Porenvolumen des jeweiligen Sandes entspricht, die zwischen zwei Intervallen wieder aus dem Filter sickert. Diese Wassergehaltsänderung im Filterkörper wird für jeden verwendeten Sandtyp z.B. mit Hilfe von hydrologischen Tracerversuchen ermittelt.
Die Erfindung soll nun anhand der in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Grundriss der Sandfilter-Kläranlage bestehend aus Vorklärung, Dosierkammer, Sandfilter und Kontrollschacht
Fig. 2a einen Längsschnitt durch die Sandfilter-Kläranlage ohne Rezirkulation
Fig. 2b einen Längsschnitt durch den Sandfilter mit Rezirkulation
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Spezialsiphon in grösserem Massstab.
Die in den Fig. 1 und 2a ersichtliche Sandfilter-Kleinkläranlage, weist mindestens zwei Vorklärkammern 1 (Emscherbrunnen mit Absetzschacht oder zwei- bis dreikammrige Faulgrube) auf, eine Dosierkammer 2, ein meist zweiteiliges Sandfilterbecken 3 und einen Kontrollschacht 4. In die Dosierkammer 2 mündet eine Zuleitung 5 des vorgereinigten Abwassers von den Vorklärbecken herkommend. Die aus vorfabrizierten Betonelementen bestehende Dosierkammer enthält den Spezialsiphon 6, der das Abwasser intermittierend auf die tiefer gelegene Sandfilteroberfläche 7 leitet. Der Boden und die Wände des Behälters 3 kann etwa aus Beton bestehen, bei kleinen Anlagen aus vorfabrizierten Betonelementen. Aufbau der Anlage, die Art der Vorklärung, Grösse und Form der Sandfilter wird immer entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen des Standortes und der zugeleiteten Abwassermenge angepasst.
Der Filteraufbau in Behälter 3 besteht zuunterst aus grobem Splitt 8 mit möglichst geringem Kalkanteil, einer Trennschicht aus feinerem Splitt oder Rundkies 9, und einer 60-80 cm mächtigen Sandfilterschicht 10, bestehend aus relativ grobem Sand mit wenig Feinanteil. Das vertikal durch den Filter sickernde Abwasser wird über ein Drainagerohr 11 in den Kontrollschacht entwässert. Am anderen Ende sind die Drainagerohre über dem Sandfilter entlüftet. Die Verteilerrohre 12 werden auf der Sandfilteroberfläche 7 waagrecht verlegt oder drehbar montiert. Die Wasserzuleitung kann auf jedem Filterteil durch einen Absperrhahn 13 unterbrochen werden. Auf den Verteilerrohren sind Flachstrahl-Sprinklerdüsen 14 montiert, die die Verteilung auf der Filteroberfläche optimieren.
Anzahl Sprinkler und die Sprühleistung der Sprinkler wird jeweils bei jeder Anlage dem Gravitationsdruck und der Grösse der Sandfilteranlage, entsprechend der täglichen Abwasserrate, angepasst. Die Sandfilter können etwa mit Holz 15 abgedeckt werden. Im Becken 3 kann bei Bedarf auch eine Rezirkulationspumpe 16 installiert werden (Fig. 2b).
Der Spezialsiphon 6 (Detailzeichnung Fig. 3) besteht aus einer Saugglocke 18 mit Wassereintrittsöffnungen 22 über einem Absaugrohr 19, das in einem Siphon 20 endet. Die Saugglocke 18 ist oben mit einem Entlüftungsrohr 21 versehen, das neben der Saugglocke in das Abwasser eintaucht und über den Wassereintrittsöffnungen 22 endet. Das ableitende Rohr 23 ist zudem mit einer weiteren Entlüftung 24 ausgestattet, die das Verbindungsrohr zum Sandfilter entlüftet. Der Spezialsiphon und die Rohre des Verteilsystems können aus Kunststoff bestehen.
Beim Betrieb gelangt das vorgereinigte Abwasser über Zuleitung 5 in die Dosierkammer.
Das Entlüftungsrohr 21 der Saugglocke unterbricht den Absaugvorgang wenn der Wasserstand unter das Ende des Rohres gelangt, und durch Lufteintritt wird der Hebevorgang unterbrochen. Das Absaugrohr 19 unter der Saugglocke 18 saugt das vorgereinigte Abwasser durch die Wassereintrittsöffnungen 22 in der Saugglocke an, sobald der vorgegebene Wasserstand in der Dosierkammer erreicht ist. Damit auch bei kleinen Zuflussmengen das Abwasser angesaugt wird, und der Siphon nicht zu tropfen beginnt, erzeugt das Eintauchen des Absaugrohrs 19 einen Überstau dH, der bewirkt, dass das Abwasser das Absaugrohr 19 sofort füllt, auch wenn der Zufluss kleiner ist als die Absaugleistung. Die Überstauhöhe dH entspricht etwa der Eintauchtiefe des Absaugrohres 19.
Die Überstauhöhe dH ist immer auf den entsprechenden Absaugrohrdurchmesser abgestimmt, so dass das Absaugrohr 19 rasch gefüllt wird, wenn der Wasserstand in der Saugglocke den oberen Rand des Absaugrohres übersteigt, und der Absaugvorgang ausgelöst wird. Mit der Anpassung der gesamten Absaughöhe H des Spezialsiphons wird die Abwassermenge so dosiert, dass letztere der vorgegebenen Beschikkungsmenge von meist etwa 10 Litern je Intervall entspricht, multipliziert mit der gesamten, in Betrieb stehenden Sandfilterfläche. In der Regel wird nur die Hälfte der Sandfilterfläche beschickt, bei hohem Abwasseranfall können aber auch beide Filtertelle gleichzeitig betrieben werden. Die Abwassermenge die je Beschickungsintervall auf den Filter gelangt, ist dann nur halb so gross (mind. 5 Liter pro Quadratmeter).
Das Abwasser wird auf dem horizontalen Sandfilter mit Sprühdüsen 14 möglichst gleichmässig verteilt und der Sandfilter wird in der Folge vertikal durchströmt. Die Beschickungsmenge je Intervall wird so dosiert, dass kaum Wasser sofort durch den Sandfilter sickert, sondern im Sand etwa eine Stunde oder länger zum biologischen Abbau zwischengespeichert wird. Das derart gereinigte Abwasser wird anschliessend über der Sohle des Sandfilterbeckens 3 gesammelt und durch Ableitung 24 dem Kontrollschacht und anschliessend einem Vorfluter oder der Versickerung zugeführt, oder, bei Rezirkulation, teilweise nochmals durch den Filter gepumpt.
Abwasserreinigungsanlagen der beschriebenen Art eignen sich für die Klärung des Abwassers von einzelnen Gebäuden oder kleinen Gebäudegruppen (Höfe, Ferienhäuser, Restaurants, Weiler), die nicht an eine Kanalisation angeschlossen werden können. Sie können je nach Dimensionierung das anfallende Abwasser von 4 bis etwa 500 Einwohnergleichwerte reinigen.
The invention relates to a small wastewater treatment plant with a one- or two-part sand filter and a metering device which enables the sand filter to be loaded with pre-cleaned waste water at intervals.
Known sand filter small sewage treatment plants have three stages, namely a pre-clarification stage with at least one pre-clarification basin (mechanical cleaning), a metering device for charging the filter at intervals and a sand filter as a biological cleaning stage. During operation, the wastewater supplied to the system reaches the sand filter from the primary clarifier via a metering device, seeps through it and then reaches the environment in purified form (receiving water, infiltration). Some of the solids present in the wastewater can settle in the primary clarifier, whereby the sludge is partially broken down and must be removed from time to time.
The dissolved organic substances that reach the sand filter with the pre-cleaned wastewater are mainly broken down by facultative aerobic microorganisms in the sand filter, but are also physically filtered out and biochemically converted.
Sand filters have the advantage over trickling filters that they do not have to be fed continuously (several times per hour) in order to function properly because they endure feeding interruptions for hours and even days without reducing their filter performance. The reason for this lies in the fact that the biologically active, very thin layer of sludge (organic lawn) required for cleaning can dry out quickly on the stones of a trickling filter and is destroyed as a result. In sand filters, water is temporarily stored in the fine pores of the filter, so that it only dries out after a long time. Sand filters also have practically no odor problems, even under high loads, and no trickling filter flies develop.
American literature, e.g. in Onsite Wastewater Treatment and Disposal Systems, U.S. Env. Protection Agency, 1982, listed two different compact sand filter systems: the single-flow sand filter (free access intermittent sand filters) and sand filter systems with recirculation (recirculating intermittent sand filters). Both types of plant are considered to be relatively complex in terms of maintenance and delicate when it comes to the distribution of the waste water on the filter surface. They also have to be fed with a pump. In the literature there are also references to siphon systems (e.g. sewer flushers) with which the wastewater can be routed to a sand filter at intervals without electrical energy.
However, the known suction lifters have the disadvantage that the shut-off siphon loses its interrupter function when the waste water flow is small, and the waste water runs continuously onto the filter, which considerably reduces the cleaning performance.
The invention is based on the object of creating a method for wastewater purification, in particular small amounts of wastewater, which avoids disadvantages of the known sand filter method, the system required for carrying out the method being producible at the lowest possible cost and, if possible, without using any electrical energy, and with easier, and thus less maintenance work should be possible.
This goal is achieved by a small sewage treatment plant, which is characterized by the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims.
The cleaning system is set up so that the waste water only flows through the vertical sand filter once, or, in the case of higher cleaning requirements, the cleaned waste water can be recirculated from the latter. The decisive factor is the intermittent loading of the filter with an even distribution of the wastewater on the filter surface, since air is pressed into the entire filter with each interval and a largely aerobic decomposition of the organic substance is made possible. In particular, it can also meet the need to largely convert undesirable ammonia nitrogen into nitrate nitrogen in water.
Thanks to the use of gravity in suitable terrain, the system works without a special electrical siphon (siphon and counter siphon). A possible recirculation with a submersible pump increases the cleaning performance if the cleaned wastewater e.g. must be seeped away, but the recirculation pump is not a mandatory functional element for operation. This means that the system also cleans without a pump, which enables a high level of functional reliability if the minimum maintenance effort is achieved. The filter surface is easily accessible and usually covered with boards so that the small maintenance work can be carried out easily.
The special siphon directs a constant amount of wastewater from the metering shaft onto the surface of the sand filter, so that 5-15 liters of wastewater are applied per square meter, depending on the grain size of the sand. The distribution takes place through plastic pipes with sprinkler nozzles, which are laid horizontally on the filter surface or rotatably mounted. The dimensions of the pipes and nozzles depend on the gravitational pressure of the water, the sand filter area and the filter volume. Sprinkler nozzles increase the cleaning performance of the sand filter considerably, since the filter volume is optimally used due to the even distribution of the pre-cleaned wastewater on the surface, and the wastewater not only flows locally through individual filter areas.
The disadvantages of the so-called preferential flow in the filter can thus be reduced to a minimum.
The centerpiece of the system is the special siphon, which intermittently feeds the waste water to the sand filter and the sprinkler nozzles for optimal distribution of the waste water on the filter. As a result, when the dosing chamber is emptied, there is just such a large amount of water per interval that the wastewater is evenly distributed over the sand filter area and the sand filter is wetted but not flooded. The amount of water per interval is dimensioned so that it corresponds to the amount of water in the pore volume of the respective sand, which seeps out of the filter between two intervals. This change in water content in the filter body is e.g. determined with the help of hydrological tracer tests.
The invention will now be explained with reference to the exemplary embodiments shown in the drawings. The drawing shows:
Fig. 1 shows a floor plan of the sand filter sewage treatment plant consisting of preliminary clarification, dosing chamber, sand filter and inspection shaft
2a shows a longitudinal section through the sand filter sewage treatment plant without recirculation
2b shows a longitudinal section through the sand filter with recirculation
Fig. 3 shows a cross section through the special siphon on a larger scale.
The sand filter small sewage treatment plant shown in FIGS. 1 and 2a has at least two primary clarification chambers 1 (Emscher well with settling shaft or two- to three-chamber septic tank), a dosing chamber 2, a mostly two-part sand filter basin 3 and a control shaft 4. The metering chamber 2 opens out a supply line 5 of the pre-cleaned wastewater coming from the primary settling tanks. The dosing chamber consisting of prefabricated concrete elements contains the special siphon 6, which intermittently directs the wastewater to the sand filter surface 7 located below. The bottom and the walls of the container 3 can be made of concrete, in the case of small systems, of prefabricated concrete elements. Structure of the plant, the type of pre-treatment, size and shape of the sand filter is always adapted to the respective needs of the location and the amount of waste water supplied.
The filter structure in container 3 consists at the bottom of coarse grit 8 with the least possible lime content, a separating layer of finer grit or round gravel 9, and a 60-80 cm thick sand filter layer 10, consisting of relatively coarse sand with little fine content. The wastewater that seeps vertically through the filter is dewatered into the control shaft via a drainage pipe 11. At the other end, the drainage pipes above the sand filter are vented. The distribution pipes 12 are laid horizontally on the sand filter surface 7 or mounted rotatably. The water supply line can be interrupted on each filter part by a shut-off valve 13. Flat-jet sprinkler nozzles 14 are mounted on the distributor pipes and optimize the distribution on the filter surface.
The number of sprinklers and the spraying capacity of the sprinklers is adjusted to the gravitational pressure and the size of the sand filter system for each system, according to the daily wastewater rate. The sand filter can be covered with wood 15, for example. If necessary, a recirculation pump 16 can also be installed in the basin 3 (FIG. 2b).
The special siphon 6 (detailed drawing in FIG. 3) consists of a suction bell 18 with water inlet openings 22 above a suction pipe 19 which ends in a siphon 20. The suction bell 18 is provided at the top with a vent pipe 21 which dips into the waste water next to the suction bell and ends above the water inlet openings 22. The drain pipe 23 is also equipped with a further vent 24, which vent the connecting pipe to the sand filter. The special siphon and the pipes of the distribution system can be made of plastic.
During operation, the pre-cleaned wastewater enters the metering chamber via feed line 5.
The vent pipe 21 of the suction bell interrupts the suction process when the water level gets below the end of the pipe, and the lifting process is interrupted by air entry. The suction pipe 19 under the suction bell 18 sucks the pre-cleaned waste water through the water inlet openings 22 in the suction bell as soon as the predetermined water level in the metering chamber is reached. So that the waste water is sucked in even with small inflow quantities and the siphon does not start to drip, the immersion of the suction pipe 19 creates an overflow dH, which causes the waste water to fill the suction pipe 19 immediately, even if the inflow is less than the suction power. The overflow height dH corresponds approximately to the immersion depth of the suction pipe 19.
The overflow height dH is always matched to the corresponding suction pipe diameter, so that the suction pipe 19 is filled quickly when the water level in the suction bell exceeds the upper edge of the suction pipe and the suction process is triggered. By adjusting the total suction height H of the special siphon, the amount of wastewater is metered in such a way that the latter corresponds to the specified charging amount of usually around 10 liters per interval, multiplied by the total sand filter area in operation. As a rule, only half of the sand filter area is loaded, but in the case of high wastewater, both filter points can also be operated at the same time. The amount of wastewater that reaches the filter during each loading interval is then only half as large (at least 5 liters per square meter).
The wastewater is distributed on the horizontal sand filter with spray nozzles 14 as evenly as possible and the sand filter is subsequently flowed through vertically. The feed quantity per interval is dosed so that hardly any water seeps through the sand filter immediately, but is temporarily stored in the sand for about an hour or more for biodegradation. The wastewater purified in this way is then collected over the bottom of the sand filter basin 3 and fed to the control shaft through discharge line 24 and then to a receiving water or infiltration, or, in the case of recirculation, partially pumped through the filter again.
Wastewater treatment plants of the type described are suitable for the treatment of wastewater from individual buildings or small groups of buildings (courtyards, holiday homes, restaurants, hamlets) that cannot be connected to a sewage system. Depending on the dimensions, you can clean the waste water from 4 to about 500 equivalent residents.