-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwässern mit einem verwirbelbaren, mit Mikroorganismen besiedelbarem Trägermaterial. Das Verfahren ist für die Reinigung von kommunalen, gewerblichen und landwirtschaftlichen Abwässern einsetzbar.
-
Verfahren zur Abwasserreinigung mit Biofilm unter Verwendung von verwirbelbarem Trägermaterial sind bekannter Stand der Abwassertechnik.
-
In der
WO 97/22561 und dem
DE 295 19 886 U1 ist eine Biofilmtechnologie zur Abwasserreinigung mit verwirbelbaren und von Mikroorganismen besiedelbaren Aufwuchsträgern mit einem spezifischen Gewicht von mehr als 1,0 g/cm
3 beschrieben.
-
Das Verfahren ist gekennzeichnet durch eine Kopplung der Belebtschlammtechnologie mit der Biofilmtechnologie im Wirbelbett. Der diskontinuierlich betriebene biologische Reinigungsprozess wird zu Zeiten geringen Abwasseraufkommens durch Abschalten der Abwasserzulaufpumpe und der Belüftung beendet. Zugleich setzt eine Sedimentationsphase ein, innerhalb derer die Aufwuchskörper zuerst sedimentieren und sich zwischen und auf diesen Schlamm anreichert und eine Schicht bildet, die nach der Sedimentationsphase in einen Schlammspeicher befördert wird.
-
Das während der Sedimentationsphase zufließende Abwasser wird zeitweilig zurückgehalten und das gereinigte Abwasser nach der Schlammentnahme abgepumpt, so dass der Zyklus erneut beginnen kann. Obwohl die verfahrenstechnische Verbindung von Biofilm- und Belebtschlammtechnologie zu einem höheren Leistungspotential von Kläranlagen führt, sind eine Reihe von Nachteilen dieser Anlage nicht zu übersehen. So ist bei Unterlastbetrieb eine verringerte Reinigungsleistung festzustellen. Zum Teil gelangt Belebtschlamm in das abgezogene gereinigte Abwasser. Bei kleinen Kläranlagen, insbesondere bei Kleinstkläranlagen, sind die Kosten für die Kontrolle des Überschussschlammes als einem sehr wichtigen Prozessparameter unverhältnismäßig hoch. Bei ungünstigen biologischen Gleichgewichtszuständen kann es sogar zum „Abweiden” des Biofilmes durch bestimmte Mikroorganismen kommen.
-
Aus der
DE 199 29 568 A1 und dem
DE 299 23 252 U1 ist ein Verfahren zur Filtrierung von Wasser und Abwasser unter Verwendung eines Schwebebettfilters bekannt, bei dem ein Filtermaterial mit einer Dichte zwischen 0,8 g/cm
3 und 1,0 g/cm
3 eingesetzt wird.
-
Bei diesem Verfahren strömt das zu reinigende Abwasser entweder abwärts oder aufwärts durch das Schwebebettfiltermaterial, wobei die im Rohwasser enthaltenen Feststoffe zurückgehalten werden. Das Verfahren erfordert nach bestimmter Betriebszeit ein chargenweises Waschen des Filtermaterials, damit der gebildete Schlamm sedimentieren und schließlich abgezogen werden kann. Die zum Betreiben des Verfahrens eingesetzte Anlage erfordert keine obere Fangkonstruktion zur Rückhaltung des Filtermaterials, wenn der Zulauf des Rohwassers sich oberhalb des Filterbettes befindet und das Wasser oder Abwasser die Anlage abwärts durchströmt. Der Ablauf des Klarwassers und der Abzug des Schlammwassers erfolgt in diesem Fall unterhalb des Filterbettes. Soll das zu filtrierende Wasser und Abwasser die Anlage aufwärts durchströmen, befindet sich der Zulauf des Rohwassers und der Abzug des Schlammwassers unterhalb des Filterbettes. Für den Ablauf des Klarwassers ist bei dieser Verfahrensführung zwingend eine Fangkonstruktion für das Filtermaterial oberhalb oder im oberen Bereich des Filterbettes anzuordnen.
-
Das Verfahren wird diskontinuierlich betrieben und verlangt daher anlagenmäßig einen hohen Aufwand. Durch das schwebende Filterbett wird zwar eine im allgemeinen aufwendige Filterbodenkonstruktion vermieden, jedoch ist eine aufwendige Filterbettreinigung durch chargenweises Filterwaschen erforderlich.
-
Des weiteren ist als Verfahrensschritt gegebenenfalls ein Klarspülen des Filterbettes mit gereinigtem Wasser oder eine Rezirkulation erforderlich.
-
Die
DE 196 26 592 A1 beschreibt eine Kleinkläranlage für eine Wirbelbett/Biofilmtechnologie unter Einsatz von Aufwuchskörpern mit einer Dichte < 1,0 g/cm
3. Diese Technologie kann jedoch nur in Kombination mit der Belebtschlammtechnologie betrieben werden, wobei der im Nachklärbecken sedimentierte Belebtschlamm teilweise wieder in die Biostufe zurückgeführt werden muss.
-
In der
DE 197 38 033 A1 wird eine klärtechnische Abwasser-Behandlungsanlage offenbart, die zur biologischen Reinigung in einer belüfteten Kammer mit schwimmfähigen Aufwuchskörpern betrieben wird, die auch ein höheres spezifisches Gewicht als Wasser aufweisen können. Nach diesem Verfahren ist vorgesehen, dass die Aufwuchskörper in der biologischen Kammer in einer vom belüfteten Abwasser durchströmbaren Umhüllung, beispielsweise einem sackartigen Gebilde, gehalten werden müssen. In der Praxis hat sich dieses Verfahren jedoch als nicht realisierbar erwiesen. Die in der Umhüllung befindlichen Aufwuchskörper haben sich durch den sich bildenden Belebtschlamm nach gewisser Zeit zusammengeballt, so dass der Biofilm schließlich seine Wirkung verloren hat.
-
Mit der
WO 91/11396 A1 wird ein kontinuierlich zu betreibendes Verfahren zur aeroben Reinigung von Abwasser offenbart, das Trägermaterialkörper für das Ansiedeln von Mikroorganismen mit einer Dichte von 0,90 g/cm
3 bis 1,20 g/cm
3, besonders bevorzugt mit einer Dichte von 0,92 g/cm
3 bis 0,96 g/cm
3, vorschreibt. Durch ununterbrochene Belüftung bzw. mechanische Einbauten, wie Rührwerke, werden die Trägermaterialkörper in einer ständigen ungerichteten Bewegung gehalten.
-
Dieses Verfahren soll zwar gegenüber herkömmlichen Kläranlagen ein kleineres Reaktorvolumen ermöglichen, und vorhandene mit Belebtschlamm arbeitende Anlagen sollen verhältnismäßig leicht auf die Anwendung dieses Verfahrens umgerüstet werden können, jedoch haben sich bei der praktischen Ausführung der in der
WO 91/11396 A1 offenbarten Verfahrenserfindung eine Reihe nachteiliger Probleme gezeigt. So hat sich zum Beispiel die Erfindung für den Fachmann für die Anwendung in Kleinkläranlagen zur Reinigung kommunaler Abwässer als nicht realisierbar erwiesen. Insofern ist nicht nur das Anwendungsgebiet der Erfindung sehr eingeschränkt, sondern die Erfindung muss in der genannten Schrift als nicht ausreichend offenbart angesehen werden. Des weiteren hat sich gezeigt, dass das Abwasser nach der Nachklärung nicht selten einen erhöhten CSB-Wert aufweist, so dass bisweilen dazu übergegangen wird, dieses Verfahren mit einem nachgeschalteten Belebtschlammverfahren oder einem anderen Verfahren zu kombinieren.
-
In der
DE 298 19 446 U1 wird ein Kleinklärwerk mit drei Kammern beschrieben, das ein Schüttung aus einem organischen oder anorganischen Trägermaterial als Aufwuchskörper aufweist. In der Regel soll nach dieser Druckschrift die entsprechende Kammer Zu 30% bis 70% des Kammervolumens gefüllt sein. Zur Klärung wird die Kammer intermittierend belüftet. Aus der Lehre der
DE 298 19 446 U1 geht jedoch nicht her vor, wie diese Anlage kontinuierlich betrieben werden kann, damit die dort erwähnte Schlammrückführung entbehrlich ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Reinigung von kommunalen, gewerblichen und landwirtschaftlichen Abwässern unter Verwendung von verwirbelbarem, mit Mikroorganismen besiedelbarem Trägermaterial mit einer Dichte < 1,0 g/cm3 bereitzustellen, das eine wirtschaftliche Reinigung des Abwassers ohne Belebtschlamm ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 4.
-
Das erfindungsgemäße biologische Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass es überraschend gelungen ist, die Vorzüge der Wirbelbett-Technologie mit der Schwebebett-Technologie in einem Biofilmverfahren auf effektive Weise zur Wirkung zu bringen. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt insofern im Vergleich zu den Biofilmverfahren des bekannten Standes der Technik einen qualitativ neuen Biofilm-Verfahrenstyp dar, die Wirbel-/Schwebebett-Biofilmtechnologie.
-
Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es ohne Belebtschlamm arbeitet und eine Rückführung von Belebtschlamm nicht erforderlich ist. Eine sonst aufwendige Rückführung oder Spülung der Trägermaterialkörper oder deren Reinigung mit Klarwasser sind daher nicht erforderlich.
-
Das Verfahren kann aufgrund seiner variablen Bemessungsdaten, wie der BSB5-Flächenbelastung, der Verweilzeit, der Taktzeiten der intermittierenden Betriebszyklen, der Biofilmfläche in Verbindung mit dem Sauerstoffeintragsvermögen im Abwasser des Bioreaktors, an jede Behälterform angepasst werden.
-
Weitere Vorzüge des Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von mit diesem Verfahren betriebenen Kläranlagen.
-
Es zeigen:
-
1 den Schnitt einer als Einbehälterrundanlage ausgebildeten erfindungsgemäßen Kläranlage in der Belüftungsphase;
-
2 die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kläranlage gemäß 1;
-
3 den Schnitt einer als Einbehälterrundanlage ausgebildeten erfindungsgemäßen Kläranlage in einer Belüftungspause;
-
4 eine tabellarische Übersicht der Ablaufwerte einer 4 EW-Kleinkläranlage nach 8-monatigem Betrieb
-
Wie aus 1 bis 3 ersichtlich, wird das Verfahren in einer Kläranlage betrieben, bestehend aus einem zulaufseitigen Vorklärbecken 1, in dem eine Tauchwand 10 angeordnet und ein Schlammspeicher integriert sein kann, dem intermittierend betriebenen Bioreaktor 2 und der Nachklärkammer 3. Im Bioreaktor 2 kann ein Paraboloidsegment 8 zur Optimierung der Verfahrensführung angeordnet sein. In der Nachklärkammer 3 ist eine kegelstumpfförmige Schlammtasche 11 integriert.
-
1 zeigt das Verfahren in der Belüftungsphase. Für den in geringer Menge sich in der Nachklärkammer 3 ansammelnden Sekundärschlamm kann in diese Kammer ein Schlammspeicher integriert sein, aus dem der Schlamm nach Erfordernissen zur Entsorgung abgezogen werden kann. Der Schlamm kann jedoch auch in das Vorklärbecken 1 gefördert werden.
-
Der Bioreaktor 2 ist zu ca. 50% seines nutzbaren Volumens mit Trägermaterialkörpern 4 befüllt, deren Dichte im Bereich zwischen 0,8 g/cm3 und 0,98 g/cm3 liegt und die eine spezifische Oberfläche für die Ansiedlung der Mikroorganismen im Bereich von 200 m2/m3 bis 500 m2/m3 aufweisen, beispielsweise Trägermaterialkörper der norwegischen Firma KALDNES MILJOTEKNOLOGI A/S auf Polyethylenbasis mit einer Schüttdichte von maximal 180 kg/m3. 1 zeigt die Kläranlage in der Belüftungsphase.
-
Über den Zulauf 5 fließt das zu reinigende Abwasser in die Vorklärung 1, die wie bei anderen Kläranlegen – der Grobentschlammung dient und in der der sedimentierte Schlamm in einem Schlammspeicher zurückgehalten wird. Über den oberhalb der Oberfläche des Abwassers im Bioreaktor 2 angeordneten Überlauf 6 gelangt das vorgeklärte Abwasser in den Bioreaktor 2. An dessen Boden ist ein feinblasig arbeitender Belüfter 7 bekannter Art angeordnet. Der Bioreaktor 2 ist so bemessen, dass das Verfahren bei einer maximalen Flächenbelastung ≤ 2 g BSB5/m2 d sowie einer Verweilzeit des Abwassers im Bioreaktor 2 von mindestens 4 Stunden betrieben wird.
-
Der Verdichter wird so eingestellt, dass die Trägermaterialkörper 4 in der Belüftungsphase bei einer Geschwindigkeit von 20 cm/s bis 80 cm/s und vorzugsweise einer freien mittleren Weglänge ≥ ihres mittleren Durchmessers im Bioreaktor 2 umgewälzt werden und unter Berücksichtigung des maximalen Zulaufes im Tagesgang durch den Lufteintrag zugleich eine Sauerstoffkonzentration von 5 mg O2/l bis 8 mg O2/l eingestellt wird. Die Gesamtbelüftungszeit pro Tag beträgt 9 bis 12 Stunden, womit sich das Verfahren gegenüber bekannten aeroben Verfahren auch durch einen geringeren Energieverbrauch auszeichnet.
-
Der Belüfter 7 ist so angeordnet, dass sich durch den Lufteintrag eine Luft/Wasserwalze mit den darin befindlichen Trägermaterialkörpern 4 bildet, deren Drehrichtung entgegen der Strömungsrichtung des einfließenden vorgeklärten Abwassers verläuft. Durch die Luft/Wasserwalze der Trägermaterialkörper 4 kann sich auf diesen Trägern kein biologischer Rasen bilden, der ansonsten zum Zuwachsen der Trägermaterialkörper 4 zum Verschlammen des Bioreaktors 2 führen würde. Die erfindungsgemäße Kläranlage arbeitet insofern ohne Belebtschlamm. Der sich im μm-Bereich auf den Trägermaterialkörpern 4 bildende Biofilm kann sowohl unter aeroben als auch unter anoxischen Betriebszuständen vollständig seine Wirkung entfalten.
-
Überraschend hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu den bekannten Verfahren mit einer wesentlich geringeren Menge anfallenden Primär- und Sekundärschlamms verbunden ist. Es wird angenommen, dass sich bei einer Rückführung der geringen Menge anfallenden Sekundärschlammes aus der Nachklärkammer 3 in das Vorklärbecken 1 eine Mineralisierung des Schlammes vollzieht, die zu einer wesentlichen Reduzierung des Schlammvolumens insgesamt führt. So betrug das Schlammstapelvolumen bei einer 4 EW Kleinkläranlage bezogen auf 360 Tage nur 0,5 I/E und Tag. Nicht nur dass damit bei der Dimensionierung des Vorklärbeckens 1 wesentliche Kosteneinsparungen erreichbar sind, sondern es ergeben sich zugleich auch positive Effekte für die Betreiber der Kläranlagen. So könnte bei Kleinkläranlagen von der Regelentsorgung des Vorklärbeckens 1 (1 mal pro Jahr) durchaus zu einer Bedarfsentsorgung (1 mal alle 2 Jahre) übergegangen werden. Für die Zuführung des in der Nachklärkammer 3 in geringer Menge anfallenden Sekundärschlammes in das Vorklärbecken 1 ist im vorliegenden Beispiel die Tauchmotorpumpe 12 vorgesehen.
-
3 zeigt eine Kläranlage mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Belüftungspause des Bioreaktors 2. Das Verfahren kann selbstverständlich auch in strömungstechnisch hintereinander angeordneten Kammern der Vorklärung 1, des Bioreaktors 2 und der Nachklärung 3 betrieben werden. Es ist nicht an eine bestimmte Behältergeometrie gebunden.
-
Auf Grund ihrer geringen Dichte von < 1 g/cm3 bilden die Trägermaterialkörper 4 unterhalb der Oberfläche des Abwassers im Bioreaktor 2 ein anoxisch wirkendes schwebendes Filterbett.
-
Über eine asymmetrisch angeordnete Fangvorrichtung 9, die zur Zurückhaltung der Trägermaterialkörper 4 vorzugsweise mit einem Schlitzrohr ausgerüstet ist, gelangt das Abwasser aus dem Bioreaktor 2 entsprechend dem Volumen des Zulaufes des vorgeklärten Abwassers in den Bioreaktor 2 in die Nachklärkammer 3. Die Eintauchtiefe der Fangvorrichtung 9 entspricht höchstens der Schichtstärke des schwebenden Filterbettes.
-
In den Belüftungspausen, die in Abhängigkeit vom Tageszugang des zu reinigenden Abwassers im Bereich zwischen 5 Minuten und 45 Minuten liegen, reduziert sich der Sauerstoffgehalt im Abwasser. Die Belüftungsphase setzt erst wieder ein, wenn die Sauerstoffkonzentration einen Wert von nahezu 0 mg O2/I erreicht.
-
In 4 sind für eine 4 EW-Kleinkläranlage für einen Zeitraum von 8 Monaten, einschließlich der Wintermonate, die BSB5- und CSB-Zulaufwerte und die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielten BSB5-, CSB-, NH4-N-, NO3-N- und Nges-Ablaufwerte sowie die O2-Konzentration in der Belüftungsphase und die Temperaturwerte im Bioreaktor dargestellt. Wie des weiteren aus 4 zu ersehen ist, wurde BSB5-Abbau von 96,3% bis 98,0% erreicht.
-
Als besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich des weiteren erwiesen, dass das Verfahren auch bei Temperaturen im Bereich von 3°C bis 5°C betrieben werden kann und der Biofilm unter diesen extremen Bedingungen seine Wirksamkeit behält. Im Unterschied dazu sind Kläranlagen nach dem Belebtschlammverfahren bei Temperaturen < 5°C nur noch eingeschränkt funktionsfähig.
-
Durch den flexiblen Einsatz von Trägermaterialien 4 unterschiedlicher Materialarten und -qualitäten und wählbarer spezifischer Oberflächen können durch an die jeweiligen Anforderungen angepasste Bemessungsvarianten größere Leistungspotentiale erschlossen werden, und zwar bei im wesentlichen gleichen Beckenvolumina und ohne erhebliche Mehrkosten. Von besonderem Vorteil ist, dass eingesetztes Trägermaterial problemlos gegen anderes Trägermaterial ausgetauscht werden kann. Die erfindungsgemäße Kläranlage ist insofern sehr variabel einsetzbar, und auf extreme Bedingungen kann flexibel und mit geringem Aufwand reagiert werden. Hinzu kommt, dass für die Bemessung der Kläranlagen sowohl das Schlammalter als auch die Schlammkonzentration ohne Bedeutung sind.
-
Zeitdauer und zeitlicher Abstand der intermittierenden Phasen und die Intensität
-
des Lufteintrages können in Abhängigkeit vom Abwasseraufkommen, dessen
-
Last und den Reinigungszielen festgelegt und zum Zwecke der Steuerung der Kläranlage programmiert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorklärbecken
- 2
- Bioreaktor
- 3
- Nachklärbecken
- 4
- Trägermaterialkörper
- 5
- Zulauf
- 6
- Öffnung des Überlaufes
- 7
- Belüfter
- 8
- Paraboloidsegment
- 9
- Fangvorrichtung
- 10
- Tauchwand
- 11
- Kegelstumpf
- 12
- Tauchmotorpumpe
- 13
- Ablaufvorrichtung