DD278331A1 - Vorrichtung zur biologischen reinigung von kommunalen und industriellen abwaessern nach dem belebtschlammverfahren mit horizontalmischreaktor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Reinigung von kommunalen und industriellen Abwaessern nach dem Belebtschlammverfahren mit Horizontalmischreaktor, der als geschlossenes System, vorzugsweise als Rohrleitung ausgebildet ist, bei dem das Abwasser, der Belebtschlamm und der Sauerstoff zugegeben und in der nachfolgenden Reaktorstufe, die aus Mischungszone und Abbauzone besteht, behandelt werden. In der Mischungszone werden ueber am Scheitel angeordnete Duesen Freistrahlen erzeugt, die die intensive Durchmischung und somit eine maximale Sauerstoffanreicherung und Reaktionsgeschwindigkeit garantieren. Das zur Erzeugung der Freistrahlen erforderliche Abwasserbelebtschlammgemisch wird am Anfang der Abbauzone aus dem unteren Teil des Reaktors entnommen. Zur Abfuehrung der nicht geloesten Gase wurden Entlueftungsvorrichtungen nach der Mischungszone, im Scheitel der Rohrleitung angeordnet. Je nach gewuenschter Abbauleistung koennen mehrere Reaktorstufen hintereinander angeordnet werden.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Reinigung von kommunalen und industriellen Abwässern nach dem Belebtschlammverfahren, bei dem Abwasser mit Belebtschlamm gemischt und Sauerstoff in dieser Mischung gelöst wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bekanntesten Verfahren zur Begasung von Flüssigkeiten sind die Oberflächenbegasung, die Druckbegasung und die Begasung in Tiefschachtreaktoren. Bekannte Lösungen der Oberflächenbegasung sind zum Beispiel die Belüftungskreisel. Bei der Druckbegasung wird das Gas in einer bestimmten Tiefe in die Flüssigkeit eingedrückt und steigt in der Regel mit der Zirkulationsströmung der Flüssigkeit nach oben. Folgende Nachteile treten bei beiden Begasungsverfahren auf:

- kurze Aufenthaltszeit der Gasbläschen in der Flüssigkeit (5 bis 1Os), daduich unvollkommene Lösung und damit geringe Ausnutzung des eingetragenen Sauerstoffes (z.B. bei den o.g. herkömmlichen Belebtschlammverfahren etv/a 5 bis 10%),

- hoher Energieeinsatz (z.B. bei o.g. Belebtschlammverfahren für 1kg eingetragenen Sauerstoff 0,4 bis 2kWh),

- großer FLächenbedarf,

- aufgrund der geringen Tiefe und der offenen Bauausführung gelangt das Gas durch Diffussion in die Schlammflocke,

- starke Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der schwankenden Außentemperatur, dadurch hoher Isolierungsaufwand zur Gewährleistung eines gleichmäßigen Abbaues.

Mit dem Tiefschachtverfahren konnte ein Teil der vorgenannten Probleme gelöst werden, jedoch verbleiben auch hier einige Nachteile:

- das unbegaste, reaktionsinaktive Flüssigkeitsvolumen über dem Gaseintritt,

- die verzögerte Gasverteilung durch mangelnde Turbulenzen am Gaseintritt,

- mittlere Aufenthaltszeit der Ga ibläschen in der Flüssigkeit (100 bis 150s),

- häufig instabiles Betriebsverhalten, insbesondere bei dar Naturumlaufversion,

- bestimmte geologische Voraussetzungen am Standort,

- Einsat? von spezieller Bohrtechnik beim Bau.

Entsprec hend der PS DE 2239158 ist eine Vorrichtung bekannt geworden, bei dem in einem länglich horizontalen, geschlossenen Belüftungsbecken das Abwasser und der Belebtschlamm begast werden. Die Form des Belebungsbeckens, vorrangig als Rohrleitung ausgebildet, sowie die Strömungsgeschwindigkeit des Abwassers sind dabei so gewählt, daß das Abwasser das Belüftungsbecken praktisch in Pfropfenströmung (Kolbenströmung) durchfließt. Das vor dem Belebungsbecken mit dem Belebtschlamm zusammengeführte Abwasser wird im Belebungsbecken über Strahldüsen mit Luft bzw. reinem Sauerstoff angereichert. Dabei stellt sich in dem geschlossenen Belebungsbecken ein Zweischichtensystem ein, Abwasser mit einem darüberlieoenden Luftpolster

Entscheidende Nachteile der Vorrichtung sind:

- die eingetragenen Gasbläschen weisen nur eine geringe Aufenthaltszeit (5 bis 10s) in der Flüssigkeit und damit - wie bei den Ijerkömmlichen Begasungsverfahren -nur eine geringe Ausnutzbarkeit des G^cöos (5 bis 10% des eingetragenen Sauerstoffes) auf,

- die verzögerte Gasverteilung durch mangelnde Turbulenzen,

- erhöhter technischer Aufwand durch Gaseintragung entlang des gesamten Reaktors,

- hoher Energieeinsatz, vergleichbar mit herkömmlichen Begasungsverfahren (0,4 bis 2kWh/'<g O₂),

- geringe Kontaktmögiichkeiten der Reaktionspartner untereinander durch ungenügende Turbulenzen, d.h., geringe Reaktionsgeschwindigkeit,

- großer Bauaufwand durch mehrere hintereinander angeordnete Belüftungsbecken.

Ziel der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der eine hohe Kentaktzeit Sauerstoff-Abwasser und eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit erreicht werden und die Art der Belüftung sowohl baulich als auch betriebswirtschaftlich einfacher oder effektiver gestaltet werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß am Anfang des Belüftungsbeckens, im folgenden Horizontalmischreaktor (HMR) genannt, der als geschlossenes System, vorzugsweise als Rohrleitung ausgebildet ist, das Abwasser, der Belebtschlamm und der Sauerstoff zugegeben und in der nachfolgenden Reaktorstufe (RS), die aus Mischungszone (MZ) und Abbauzone (AZ) besteht, behandelt werden. In der Mischungszone werden über am Scheitel der Rohrleitung angeordnete Düsen Freistrahlen erzeugt, die iJie intensive Durchmischung des Abwassers, des Belebtschlammes und der Gasbläschen garantiert, d. h., es muß eine Strömungsform vorliegen, die eine ständige Mischung der Flüssigkeit und der Gasbläschen ermöglicht, und zwar nicht nur im unmittelbaren Gebiet der Freistrahlen. Dazu sind die Parameter der Strömung so zu gewährleisten, daß sich Blasenströmung einstellt. Dies wird dadurch erreicht, daß das Abwasser und der Belebtschlamm durch eine Pumpe aus dem unteren Teil des Reaktors am Anfang der Abbauzone nach Ausbildung eines Zweischichtensystems Gas und Abwasser entnommen, mehrmals umgewälzt und dadurch eine höhere Geschwindigkeit erreicht wird. Dabti ist die durch die Pumpe umgewälzte Menge V so zu bestimmen, daß keine Schichtenströmung auftritt, d. h., die Mischung ist m-mal umzuwälzen. Es kann entsprechend den technischen Möglichkeiten beliebig oft umgewälzt werden, die Anzahl der Umwälzungen sollte jedoch vorrangig zwischen m = 3 bi.s 10 liegen. Es ist vorteilhaft, die Gesamtmenge auf mehrere Einspritzstellen zu verteilen. Hierfür werden η Eintragsstellen gewählt, womit eine η-mal m-malige Durohmischung erreicht wird. Die Anzahl der Durchmischungen hat so zu erfolgen, daß eine optimale Anreicherung des Abwassers mit Sauerstoff gewährleistet wird.

Die Verweilzeit zur Lösung des Sauerstoffes im Abwasse¹', die sich aus Verweilzeit in der Mischungszone des Reaktors und der Umwälzleitung zusammensetzt, liegt je nach Anzahl der Umwälzungen und der Längo des Umwälzsystems sowie der Dimensionierung der Rohrleitung zwischen 200 bis 700 Sekunden. Gegenüber herkömmlichen Verfahren ergibt sich eine Erhöhung der Verweilzeit um das 40- bis 70- und im Vergleich zum Tiefschacht um das 2- bis 5fache Durch die sehr hohe Sauerstoffausnutzung kann die zuzuführende Sauerstoffmenge verhältnismäßig klein gehalten werden.

Die Einströmgeschwindigkeit v_D des Freistrahles ist so zu wählen, daß ti:« Freistrahlwirkung mit dem dazugehörigen Impulsaustausch in der Mittelebene des Reaktors noch Geschwindigkeiten v_Bl gestattet, wobei v_BL die Aufstiegsgeschwindigkei! der Blasen ist. Daraus ergibt sich die Aussage

D_n d_D V2

wobei D_R der Reaktordurchmesser und dp der Düsendurchmesser ist.

Die durch den Freistrahl in der Mischungszone und durch das Umpumpen in den Umwälzleitungen erzeugten Turbulenzen gewährleisten eine innige und vollständige Durchmischung von Abwasser, Belebtschlamm und Sauerstoff, so daß in diesem Bereich eine maximale Reaktionsgeschwindigkeit entsteht. Um den nicht gelösten Gasanteil im Abwasser am Ansaugstutzen dor Pumpe so gering wie möglich zu halten, ist die Entnahmestelle möglichst in der unteren Hälfte des Reaktors anzuordnen. Die Entnahme erfolgt am Anfang der Abbauzone, was garantiert, daß sich der größte Teil der Gasbläschen am Ende der Mischungszone, in der die Turbulenzwirkungen immer mehr nachlassen, am Scheitelpunkt sammeln und zur Ausbildung eines Zweischichtensystems führen.

Am Scheitelpunkt des Reaktors ist am Anfang der Abbauzone nach Ausbildung des Zweischichtensystems und vor dem Ansaugstutzen der Pumpe ein Entlüftungsdom vorzusehen, in dem sich die nichtgelösten Gase sammeln und über ein Entlüftungsventil abgeführt werden. Die Entlüftungseinrichtungen sind dabei so auszulegen, daß sie die gesamte anfallende überschüssige Gasmenge abführen, um das Nutzvolumen des Reaktors nicht unnötig einzuschränken. Zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen können die abzuführenden Gase einer Reinigungsanlage zugeführt werden, was besonders bei hochbelasteten Abwässern vorteilhaft ist. Die Anordnung der Düsen zur Erzeugung der Freistrahlen ist vorzugsweise senkrecht oder tangential in Abwasserfließrichtung im Scheitelpunkt des Reaktors vorzusehen. Die Anordnung der Düsen kann jedoch auch gleichmäßig verteilt über den Umfang der Rohrleitung oder spiralförmig vorgenommen werden. Anstelle der Düsen können auch Ejektoren angeordnet werden, die neben der Turbulenzerzeugung gleichzeitig Sauerstoff einspeisen. Kompressoren oder Gebläse können damit entfallen.

Verwendung finden können sowohl der Luftsauerstoff als auch reiner Sauerstoff, wobei der Verwendung von reinem Sauerstoff durch die hohe Sauerstoffausnutzung besondere Bedeutung zukommt. In Abhängigkeit von der Schmutzfracht des Abwassers können mehrere Reaktorstufen hintereinander angeordnet werden, bis der gewünschte Reinigungseffekt erzielt wird. Jeder Stufe ist am Anfang im untren Teil Sauerstoff neu zuzuführen, falls nicht Ejektoren zum Einsatz kommen. Der Sauerstoff kann jedoch auch hinter der Pumpe in die Umwälzleitung oder im Bereich der Düse eingespeist werden.

Bei niedrigen Fließgeschwindigkeiten des Abwassergemisches in der Abbau- und Streßzone ist durch die Anordnung geeigneter Vorrichtungen die Absetzung des Schlammes zu verhindern. Eine Möglichkeit ist das Eindrücken von Abwasser oder eines Abwasser- Sauerstoffgemisches im unteren Teil des Reaktors über Düsen oder über eine gelochte, dünne Rohrleitung, die auf den Reaktorboden verlegt wird. Die Rohrleitung im Bereich der Abbauzone kann jedoch auch so im Durchmesser verringert werden, daß eine Fließgeschwindigkeit > 12cm/s erreicht wird und somit eine Absetzung des Belebtschlammes verhindert wird.

Am Anfang des Reaktors kann zur Erhöhung der Abbaueffektivität eine Streßzone angeordnet werden, in der die Bakterien einem Sauerstoffmangel ausgesetzt werden.

Da es sich bei dem Horizontalmischreaktor um ein geschlossenes System, vorzugsweise eine Rohrleitung, handelt, kann die Anlage unter erhöhtem Druck gefahren werden, was eine hohe Lösung des Sauerstoffes im Abwasser zur Folge hat. Es können z. B. bei einem Druck von 1 bar und 20⁰C etwa 9 mg O₂/l Wasser und bei einem Druck von 5 bar etwa 40 mg O₂/l Wasser gelöst werden. Durch den höheren Anteil an gelöstem Sauerstoff im Abwasser ergibt sich auch eine Verlängerung der Abbauzone, d. h., es werden für den gewünschten Abbau der Schmutzfracht weniger Reaktorstufen benötigt, was im Endeffekt zur Verringerung des Reaktorvolumens führt.

Besonders vorteilhaft wirkt sich bei Verwendung einer Rohrleitung für den Reaktor die konstante Strömungsrichtung aus. Die Gefahr von Absetzerscheinungen ist damit gegenüber herkömmlichen Belebungsbecken, in denen sich Totzonen ausbilden können, kaum gegeben. Als Baumaterial für das Reaktorrohr kommen vorzugsweise Beton, Kunststoff, Stahl bzw. speziell ausgekleidete Stahlrohre in Frage. Ein weiterer Vorteil von Rohren für den Reaktor liegt in Verwendung von genormten Teilen, was eine unproblematische Bauausführung, Typisierung und Vorfertigung gewährleistet. Die Ausbildung des Reaktors als geschlossenes System ermöglicht einen Erdeinbau und damit verbunden eine Teilnutzung der darüberliegenden Flächen, z. B. als Lager oder Grünfläche. Gleichzeitig wird mit dem Erdeinbau eine Wärmeisolierung erreicht, durch die extreme Temperaturschwankungen vermieden werden. Zusätzlicher Aufwand für Wärmeisolierung kann somit entfallen. Das Reaktorrohr ist an keine speziellen Gestaltungsformen gebunden und kann neben anderen Formen gerade, abgewinkelt. U-förmig oder spiralförmig angpnrdnet werden. Durch Zu- oder Abschalten einzelner Reaktorteile ist eine Anpassung an Qualitätsschwankungen des Abwassers möglich. Eine später erforderlich werdende Erweiterung des Reaktors durch Erhöhung der Abwassermei ige oder der Schmutzfracht ist unproblematisch durch den Anbau von zusätzlichen Reaktorstuferi möglich. Beim Einsatz von verschiedenen Bakterionstämmen zu.· Behandlung des Abwassers müssen getrennte Reaktoren mit eigener Schlammabscheidung und -rückführung vorgesehen werden.

Um den Reaktor so klein wie möglich zu gestalten, kann auch das Schlarninwiederbelüftungsverfahren angewendet werden. Es nutzt den Umstand aus, daß der Belebtschlamm in relativ kurzer Zeit die Schmutzstoffe aus den Abwasser aufnimmt, der Abbau jedoch bedeutend länger dauert. Praktisch erfolgt im ersten Teil des Horizontalmischreaktors die Belüftung des aus dem Nachklärbecken zugeführten Belebtschlammes und in dem sich daran anschließenden Teil des Horizontalmischreaktors die Abwasserzuführung nach der bereits zuvor beschriebenen Art und Weise. Hierdurch kann das Volumen des Reaktors um etwa 30% verringert werden.

Ausführungsbeispiel

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen ausführlich erläutert.

Fig. 1: Schematischer Aufbau einer Reaktorstufe

Fig. 2: Schematisches Fließbild zum Horizontalmischreaktor (HMR)

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Reaktorstufe. Die Reaktorstufe (RS), von denen mehrere im Horizontalmischreaktor (HMR) angeordnet sein können, besteht aus Mischungszone (MZ) und Abbauzone (AZ).

Das Abwasser, der Belebtschlamm und der Sauerstoff werden am Anfang dem Horizontalmischreaktor (HMR), der aus einer geschlossenen Rohrleitung besteht, zugeführt.

Durch am Scheitel des Reaktors schräg in Abwasserfließrichtung angeordnete Düsen (D) werden Freistrahlen erzeugt, die eine intensive Durchmischur " des Abwassers, des Belebtschlammes und des Sauerstoffes garantieren. Die hier erzeugte Blasenstr >mung sichert die ständige Mischung der Gasbläschen mit dem Abwassergemisch und wird deshalb als Mischungszone (MZ) bezeichnet. Durch die ständig erzeugten Turbulenzen wird ein Aufsteigen der Gasbläschen und damit die Ausbildung eines Zweischichtensystems verhindert. In der Mischungszone erfolgt schon ein Teilabbau der Schmutzfraoht.

Am Anfang der Abbauzone (AZ) kommt es durch das Nachlassen der Turbulenzwirkung zum Ausperlen der nicht gelösten Gase und damit zur Ausbildung eines Zweischichtensystems. Um das Nutzvolumen des Reaktors nicht unnötig einzuschränken, soll möglichst der größte Teil der anfallenden nicht gelösten Gase über den Entlüftungsdom (E) und ein dazu gehöriges Entlüftungsventil abgeführt werden.

Hinter dem Entlüftungsdom (E) wird aus dem unteren Teil des Reaktors am Ansaugstutzen (AS) mittels einer Pumpe (P) das Abwasser-Schlammgemisch angesaugt und über die Umwälzleitung (U) und die Düsen (D) zur Erzeugung der Turbulenzen in die Mischungszone (MZ) eingedrückt und somit ein Kreislauf aufgebaut, in dem eine mehrmalige Umwälzung erfolgt. Die Abbauzone (AZ) erstreckt sich dann bis zu einem Bereich, in dem die Sauerstoffkonzentration bis auf 0,5 bis 1,0 mg O₂/l Abwasser atfgebaut ist.

Die Fig. 2 zeigt das schematische Fließbild unter Einbeziehung des Horizontalmischreaktors.

Das im Vorklärbecken (VB) teilweise geklärte Abwasser und der Belebtschlamm werden am Anfang des Horizontalmischreaktors, der aus einer geschlossenen Rohrleitung besteht, zugeführt. In der hier angeordneten Streß.'one (SZ) werden die Bakterien einem Sauerstoffmangel ausgesetzt. Im Anschluß an die Sireßzone (SZ) wird dem Reaktor Sauerstoff zugeführt.

In der Reaktorstufe 1 (RS₁) erfolgt dann die Sauerstoffanreicherung und ein Teilabbau der Schmutzfracht, wie zu Fig. 1 beschrieben, weitere Reaktorstufen (RSj bis RS_n) werden bis zum gewünschten Abbau der Schmutzfracht angeordnet, wobei jeder Reaktorstufe (RS) am Anfang Sauerstoff neu zugeführt werden muß. Der Sauerstoff wird hierbei durch ein Gebläse (G) in Form von Luft zugeführt.

Die Abtrennung des Belebtschlammes vom gereinigten Abwasser geschieht in einem Schlammabsetzbecken (SAB). In Abhängigkeit von der Fahrwpise des Reaktors wird ein Teil des Belebtschlammes erneut der Reaktorstufe 1 (RSi) zur Animpfung des Abwassers wieder zugeführt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur biologischen Reinigung von kommunalen und industriellen Abwässern nach dem Belebtschlammverfahren, indem die gesamte Anlage aus einem oder mehreren Vorklärbecken, Misch- und Belebungsbecken und Schlammabsetzbecken besteht, wobei in dem Misch- und Belebungsbecken, auch Horizontalmischreaktor genannt, der als geschlossenes System, vorzugsweise als Rohrleitung konzipiert ist, die Reaktionspartner organische Verunreingungen des Abwassers, aerobe Bakterien und Sauerstoff vermischt werden, gekennzeichnet dadurch, daß das Abwasser, der Belebtschlamm und der Sauerstoff am Anfang des Horizontalmischreaktors (HMR), der aus ein oder mehreren Reaktorstufen (RS), die wiederum aus Mischungs- (MZ) und Abbauzo'.ie (AZ) bestehen, wobei das Abwasser-Belebtschlammgemisch aus dem unteren Teil der Abbauzone (AZ) mittels Pumpen entnommen und im Bereich der Mischungszone (MZ) über Düsen (D) ein Freistrahl erzeugt wird, der eine optimale Durchmischung der Medien, das heißt eine maximal mögliche Sauerstoffgelöstkonzentration im Abwasser garantiert, der in der Abbauzone (AZ) bis zu einem, für den Belebtschlamm vertretbaren Minimalwert absinkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß am Anfang der Abbauzone (AZ) vor dem Ansaugstutzen (AS) für die Turbulenzerzeugung ein Entlüftungsdom (E) angeordnet wird, in dem die nicht gelösten Gase gesammelt und über eine Entlüftungseinrichtung abgeführt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine mehrfache Umwälzung des Abwasser-Schlammgemisches in der Mischungszone (MZ) erfolgt, um hierin Blasenströmung zu gewährleisten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Eintragsstellen in Form von Düsen (D) im Bereich der Mischungszone (MZ) vorzugsweise senkrecht oder tangential in Abwasserfließrichtung im Scheitelpunkt des Horizontalmischreaktors (HMR), jedoch auch verteilt über die Rohrleitung oder spiralförmig zur Turbulenzerzeugung angeordnet werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Einströmgeschwindigkeit an der Düse (D) so gewählt wird, daß die Freistrahlwirkung mit dem dazugehörigen Impulsaustausch in der Mittelebene der Mischungszone (MZ) des Horizontalmischreaktors (HMR) noch Geschwindigkeiten gestattet, die größer als die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß in Abhängigkeit von der Schmutzfracht des Abwassers ein oder mehrere Reaktionsstufen (RS) hintereinander angefordert werden, bis der gewünschte Reinigungseffekt erzielt wird, wobei jeder Reaktionsstufe (RS) am Anfang wieder Sauerstoff zugeführt werden muß.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß anstelle der Düsen (D)auch Ejektoren eingesetzt werden können.