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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Vorklärung bei
Kläranlagen.
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Bei
kommunalen, industriellen und gewerblichen Abwasserreinigungsanlagen
fallen im Rahmen der unterschiedlichen Behandlungsschritte unterschiedliche
Mengen an unterschiedlichen Überschuss-Schlämmen an.
Hierzu gehören
die Primärschlämme aus
Vorklärungen
und Sekundärschlämme aus
Belebtschlammbiologien.
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Ein
Vorklärbecken
ist typischerweise ein Durchlaufbecken, in dem die sedimentierbaren
Bestandteile des Rohabwassers sedimentiert und als so genannter
Primärschlamm
entnommen werden. Ist die Kläranlage
mit einer Vorklärung
ausgerüstet,
ist meistens auch eine Faulung vorhanden, in dem alle Überschuss-Schlämme (Primär- und Sekundärschlamm)
zwecks Stabilisierung und Faulgasgewinnung anaerob ausgefault werden.
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Auf
Grund der CO2- bzw Klimaproblematik und
den damit zusammenhängenden
weltweiten Bestrebungen von fossilen auf erneuerbare Energieträger zu wechseln,
besteht einerseits ein steigendes Interesse daran, die Gewinnung
von Faulgas zu maximieren. Andererseits werden Bestrebungen intensiviert,
Kläranlagen
ohne Faulgasgewinnung umzustellen auf Verfahren, die eine Faulgasgewinnung
ermöglichen.
Zur Steigerung der Faulgasgewinnung stehen eine Reihe erprobter
und teilweise schon großtechnisch
mit Erfolg realisierter Verfahren zur Verfügung.
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Zum
einen kann über
eine vermehrte Primärschlammentnahme
aus vergrößerten Vorklärbecken die
Faulgasproduktion deutlich erhöht
werden, da das Faulgaspotential von Primärschlämmen deutlich höher ist
als von Sekundärschlämmen aus
Belebungsbiologien.
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Zum
anderen können
eine Reihe von Verfahren eingesetzt werden mit dem Ziel, vorwiegend
den Sekundärschlamm
aus der Belebungsbiologie in einer Art und Weise vor zu behandeln,
die eine Erhöhung
der Faulgasproduktion mit sich bringt. Diese Vorbehandlung besteht
in einem (Teil)Aufschluss der Bakterien des Sekundärschlammes
beispielsweise mittels Ultraschall oder Hitze.
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Ein
absolut unvermeidlicher Nebeneffekt der Erhöhung der Faulgasproduktion
besteht in einer entsprechenden Veränderung der Zusammensetzung
der ausgefaulten Schlämme:
Die Erhöhung
der spezifischen Faulgasproduktion ist eine unmittelbare Folge eines
erhöhten
Organik-Abbaus. Dadurch wir die im Rahmen der Ausfaulung produzierte
Faulschlammmenge reduziert (durch Verringerung der Rest-Organik).
Allerdings wir dadurch die Menge an rückgelösten Stoffen (z. B. Stickstoff
als Ammonium und Phosphor als Monophosphat) und produzierten Trübwasser
erhöht.
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Dieses
Trübwasser
wird zur Endbehandlung in den Zulauf zur Kläranlage zurückgeführt und verursacht einen hohen
zusätzlichen
Volumen- und Belüftungsbedarf.
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Falls
der Stickstoff im Trübwasser
(hierbei handelt es sich überwiegend
um Ammonium, NH4
+) einen
bestimmten (für
jede Kläranlage
unterschiedlichen) oberen Grenzwert überschreitet, müssen entweder
zusätzliche
externe Kohlenstoffquellen zudosiert werden (zur Denitrifikation
des im Rahmen der Nitrifikation des Ammoniums gebildeten Nitrates) oder
eine separate Trübwasserbehandlungseinheit zur
Stickstoffelimination errichtet werden. Beide Maßnahmen sind mit außerordentlich
hohen zusätzlichen
Invest- und Betriebskosten verbunden.
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Daher
werden auch auf sehr vielen Kläranlagen
mit einer Faulungsstufe die Vorklärbecken klein gebaut, damit
nur gerade so viel Primärschlamm
entnommen wird, so dass im Ablauf der Vorklärung noch Kohlenstoffkonzentrationen
vorliegen, bei denen keine Zudosierung externer Kohlenstoffquellen
zur weitgehenden Denitrifikation erforderlich ist. Manche Kläranlagen
mit Faulungen verzichten auf Grund der oben erläuterten Problematik sogar ganz
auf Vorklärungen,
mit der Folge einer sehr stark verringerten Faulgasproduktion, da
das Faulgaspotential in Sekundärschlämmen aus
Belebungsbiologien deutlich geringer ist als in Primärschlämmen.
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Diese
Problematik der hohen Stickstoffkonzentrationen der zu behandelnden
Trübwässer aus Faulungsanlagen
führt bei
vielen vergleichenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen kleinerer
Kläranlagen
dazu, dass keine Faulungsanlage errichtet wird, was aus Sicht der
globalen Klima- und Energieproblematik sehr bedauerlich ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren bereit zu stellen, bei
dem die anfallenden Trüb-
und Filtratwässer,
ohne dass eine Vorbehandlung erforderlich ist, kostengünstig entsorgt
werden.
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Die
genannte Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, Anspruch
3 gibt eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens an.
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Zur
Erläuterung
der Erfindung wird vorab kurz der Stand der Technik hinsichtlich
der Vorbehandlung der Primär-
und Sekundärschlämme anhand
des weit verbreiteten Verfahrens der gemeinsamen statischen Eindickung
in der/den Trichterspitzen einer Vorklärung dargestellt:
In einem
vom zulaufenden Rohabwasser durchströmten Vorklärbecken (erläutert anhand
eines so genannten runden Dortmundbrunnens mit einer nach unter
verlaufenden Trichterspitze) sinken die sedimentierbaren Partikel
(der so genannte Primärschlamm)
in den Bereich der Trichterspitze hinein und können dort statisch auf einen
TS-Gehalt (TS: Trockensubstanz) von ca. 3–5% eindicken. Der Sekundärschlamm
aus der Belebungsbiologie wird je nach Anfall in den Zulauf einer
solchen Vorklärung hinzu
gegeben. Dadurch sedimentiert der Sekundärschlamm zusammen mit dem Primärschlamm
und es können
Eindickgrade von 3–5%
erreicht werden, je nachdem wie groß der Eindickbereich gebaut
wird.
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Dieser
Misch-Schlamm wird dann direkt oder nach einer Zwischenspeicherung
zwecks Vergleichmäßigung in
die Faulungsanlage gefördert
und dort ausgefault. Ausgehend davon, dass dieser Schlamm z. B. über einen
TS-Gehalt von 4% verfügt,
ist zu beachten, dass der Faulung eine sehr hohe Menge von 96% Wasser
(richtiger: Abwasser mit einer extrem geringen Kohlenstofffracht)
zugeführt
wird. Dieses Wasser wird im Verlaufe der Faulung zu extrem mit Nährstoffen
belastetes Trübwasser.
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Nach
der Ausfaulung wird der entnommene Faulschlamm (der nun nur noch über ca.
2% TS verfügt) üblicherweise
in einen so genannten Nacheindicker gefördert, in dem der Faulschlamm
statisch auf ca. 6% TS eindickt. In diesem Eindicker bestehen somit
ca. 33% aus Faulschlamm mit einem TS-Gehalt von ca. 6% TS und ca.
67% aus nahezu feststofffreiem Trübwasser.
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Nach
der Erfindung wird die Wasser/Abwasser Fraktion des sedimentierenden
Misch-Schlammes
(oder nur des Primärschlammes)
ersetzt durch sich das bei der Faulung bildende Trübwasser
mittels Verdrängung
dieser Wasser/Abwasser Fraktion durch Hineinspülen des Trübwassers im unteren Trichterbereich.
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Im
Folgenden wird dieses Verfahren beispielhaft anhand einer 20.000
EW (EW: Einwohnerwerte) Kläranlage
beschrieben:
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Beispiel:
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Es
sei eine Kläranlage
mit Vorklärung,
Belebung und Faulung gegeben mit 20.000 EW. In der Vorklärung sedimentieren
40 g TS/(EW × d)
Primärschlamm
und durch Zugabe des Sekundärschlammes
aus der Belebung weitere 40 g TS/(EW × d). Diese in Summe 20.000 × 0,08 kg
TS/d = 1.600 kg TS/d sedimentieren in der Trichterspitze des Dortmundbrunnens
und dicken statisch auf 4% TS ein. Das ergibt eine Mischschlammmenge
von 40 m3/d mit 4% TS, die täglich in
die Faulung gefördert
wird. Der Stickstoff – Gehalt
dieses Schlammes beträgt
5% (= 80 kg/d N) und bei der Ausfaulung wird der TS-Gehalt um die
Hälfte
reduziert auf 2% TS. Dabei wird die Hälfte des Stickstoffes als Ammonium
freigesetzt, mit der Folge von 1.000 mg/l NH4-N
im Trübwasser.
Im Nacheindicker werden somit 13 m3/d Faulschlamm (in
dem sich 13 kg/d N aus dem Trübwasser
sowie 40 kg/d N organisch gebunden im Faulschlamm als solchem befindet:
= 53 kg/d N) mit 6% TS produziert und 27 m3/d
nahezu Feststoff – freies
Trübwasser
mit einer Stickstoffbelastung von 1.000 mg/l (= 27 kg/d N).
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Diese
27 m3/d Trübwasser werden im Bereich der
Trichterspitze des Dortmundbrunnens über die Zuleitung 12 flächig in
den sedimentierenden Misch-Schlamm hineingespült. Dabei werden 27 m3/d Abwasser (mit üblicherweise weniger als 100 mg/l
N) verdrängt.
Bei besonderer Güte
und Effektivität
des flächigen
Hineinspülens
wird die Trübwasservermischung
mit Abwasser so gering sein, dass keinerlei Stickstoff aus dem Trübwasser
mit verdrängt wird.
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Somit
enthalten die in die Faulung geförderten
40 m3/d Misch-Schlamm die 27 m3/d
in der Faulung produziertes Trübwasser.
Entsprechend wird die NH4-N Konzentration
im Trübwasser
ansteigen, bis sich der ganze Stickstoff aus dem freien Trübwasser (die
27 m3/d mit ursprünglich 1.000 mg/l NH4-N) im Trübwasser der 13 m3/d
Faulschlamm befindet. Nach Erreichung des Gleichgewichtszustandes
befinden sich im Trübwasser
dann nicht mehr 1.000 mg/l NH4-N sondern
ca. 3.000 mg/l NH4-N.
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In
den 13 m3/d 6% TS Faulschlamm befinden sich
dann die ganzen 80 kg/d Stickstoff aus den 40 m3/d
Misch-Schlamm und zwar verteilt auf 40 kg/d organisch gebundener
Stickstoff im ausgefaulten Schlamm und 40 kg/d als Ammonium im Trübwasser des
Faulschlammes.
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Im
Ergebnis wird eine Rückbelastung
der Kläranlage
mit hochbelastetem Trübwasser
vollständig
vermieden. Da in allen technischen Ausführungsformen von Vorklärungen der
Primärschlamm
in einen oder mehreren Trichterbereichen hinein sedimentiert, lässt sich
dieses Verfahren in allen Vorklärbeckentypen
wie oben beschrieben integrieren.
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Bei
weitergehenden Schlammbehandlungsverfahren, wie der maschinellen
Entwässerung
auf z. B. 24% TS, ist dieses Verfahren auch integrierbar. Die maschinelle
Entwässerung
führt zwar
zu einer Vergrößerung der
Trübwassermenge,
diese wird jedoch nie die Menge des zu verdrängenden Abwassers aus dem sedimentierenden
Schlamm im Vorklärbecken
erreichen können,
da eine gewisse Faulschlammmenge immer anfällt. Allerdings kann diese Trübwassermenge
jedoch so groß werden,
dass im Rahmen der Verdrängung
ein kleiner Anteil der N-Fracht
aus dem Trübwasser
mit verdrängt
wird; einer großer
Anteil wird aber auf jeden Fall in der Faulung entsorgt werden können.
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Auch
wenn nur der Primärschlamm
im Vorklärbecken
sedimentiert und der Sekundärschlamm aus
der Belebung in einer maschinellen Eindickung aufkonzentriert wird,
kann ein bedeutender Teil des Trübwassers über dieses
Verfahren entsorgt werden und die Kläranlage wird zumindest teilentlastet.
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1 stellt
ein Schnitt durch einen Dortmundbrunnen nach dem Stand der Technik
dar. Deutlich wird, dass der Trichterbereich ununterbrochen verläuft bis
in die Trichterspitze, aus der der Überschuss-Schlamm-Abzug 1 stattfindet.
Der Zulauf 2 erfolgt zentral wie dargestellt, das vorgereinigte Abwassers
fließt über einen
Ablauf (3) ab, im Trichterbereich bildet sich eine Schlammschicht 4 aus,
der Schlamm kann übe
einen Abzug 1 entnommen werden.
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2 stellt
eine bevorzugte Art der Erfindung für einen Dortmundbrunnen dar
(der, wie oben aufgeführt,
für alle
anderen Vorklärbeckentypen
analog ausgeführt
werden kann). Der Unterschied zur bekannten Ausführung besteht darin, dass der
Trichterbereich durch einen zylindrischen Einsatz 5 unterbrochen
ist, dessen unterer Bereich flächig
mit Düsen 6 zur
Hineinspülung
von Trübwasser
bestückt
ist. In diesem Beispiel beträgt
das Volumen des Zylindereinschubes 10 m3.
Erfolgen nach Beispiel 1 z. B. vier Schlammentnahmen pro Tag mit
je 10 m3, werden nach dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
vier mal am Tag je 6,6 m3 Trübwasser über das Düsensystem
flächig
dem Dortmundbrunnen zugeführt,
bevorzugt jeweils direkt nach einer Schlammentnahme. Dadurch werden
27 m3/d Abwasser durch 27 m3/d
Trübwasser
ersetzt. Die Anzahl an Entnahmen/Trübwasserhineinspülungen pro
Tag ist unerheblich, bedeutsam ist nur, dass die Trübwasserzufuhrchargen
nicht größer sind
als das Volumen des Zylindereinschubes, da sonst eine größere Vermischung
von Trübwasser
mit Abwasser stattfinden würde.
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Falls
eine Kläranlage
schon über
eine konventionelle Vorklärung
verfügt
(wie z. B. nach 1), ist eine externe Realisierung
des Einschubes inklusive des unteren Trichterbereiches möglich. Dann
wird der sedimentierte Schlamm aus der vorhandenen Vorklärung chargenweise
in die externe Einheit gefördert
nachdem oder bevor die Trübwassercharge zugegeben
wird. Vor der nächsten
Trübwasser-
bzw. Schlammchargenzufuhr erfolgt die kombinierte Schlamm-/Trübwasserentnahme,
die der Menge an zugeführtem
Schlamm entspricht. Der Überlauf
dieser externen Einheit wird vorzugsweise zurück in den Zulauf der vorhandenen
Vorklärung
gefördert.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgen
die Schlammentnahmen bzw. Trübwasserhineinspülungen chargenhaft
und zyklisch, so dass immer unmittelbar nach einer definierten Entnahmemenge
eine darauf abgestimmte Trübwassermenge
hineingespült
wird. Dadurch wird der Eindickgrad des Schlammes maximiert. Die
Mengenabstimmungen ergeben sich aus den insgesamt täglich zu
verarbeitenden Schlamm- und Trübwassermengen.
Nach dem obigen Beispiel mit 40 m3/d Schlamm
und 27 m3/d Trübwasser ergeben sich somit
beispielsweise vier Schlammchargen/d a' 10 m3 mit unmittelbar
nachfolgen vier Trübwasserchargen/d a' 6,7 m3.
Genau so wären
auch acht Schlammchargen/d a' 5
m3 mit unmittelbar nachfolgenden acht 8 Trübwasserchargen
a' 3,4 m3 möglich.
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Wenn
dagegen nach dem obigen Beispiel der Überschuss-Schlamm aus der Belebung
maschinell auf 6% TS eingedickt wird auf dann nur 13 m3/d, würden nur
noch 20 m3/d Trübwasser anfallen. Diese müssten dann
in die 20 m3/d Primärschlamm hineingewaschen werden,
beispielsweise in vier 5 m3 Chargen mit
gleich großen
Schlamm- und Trübwasserchargen.
Dabei würde
eine gewisse, geringe Menge an Stickstoff aus dem Trübwasser
mit dem Abwasser verdrängt
werden, die weitaus größere Stickstoffmenge
würde allerdings
immer noch mit dem Primärschlamm
entnommen werden und somit nicht zu einer Zusatzbelastung der Biologie
führen.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgen
die Schlammentnahmen mit dem Trübwasser
aus dem Vorklärbecken Schlammspiegel 7 und/oder
TS 8 geregelt mit den entsprechend dargestellten Sonde 8 wie
folgt: Nur wenn der Schlammspiegel 4 eine definierte Soll-Höhe erreicht
hat, erfolgt eine chargenhafte Schlammentnahme und/oder nur wenn
der TS-Gehalt einen Soll-TS Gehalt überschritten hat, erfolgt eine
chargenhafte Schlammentnahme. Damit wird erreicht, dass die vorher
zugeführte
Trübwassercharge
so weitgehend wie möglich
mit Überschuss-Schlamm aufgefüllt ist.
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In
dem in 2 rechts dargestellten Nacheindicker erfolgt die
statische Trennung in die Trübwasserfraktion
(10) und die Faulschlammfraktion, die durch den Schlammspiegel 9 von
der Trübwasserfraktion
getrennt ist und über
den Abzug 11 abgezogen werden kann Die komplette mit dem Misch-Schlamm
zugeführte
Stickstofffracht befindet sich in der eingedickten Faulschlammfraktion 11,
die über
den Abzug (11) abgeführt
wird. Gemäß obigem Beispiel
ist dieses Gleichgewicht bei ca. 3.000 mg/l NH4-N
erreicht. Dann enthält
die Faulschlammfraktion die ganzen 80 kg/d Stickstoff verteilt auf
ca. 40 kg/d organisch gebundenen Stickstoff im Faulschlamm und ca.
40 kg/d Stickstoff im Ammonium des Trübwassers im Faulschlamm mit
einer Konzentration von ca. 3.000 mg/l. Der ganze Prozess läuft somit
darauf hinaus, die Ammonium-Konzentration im Trübwasser so weit zu erhöhen, dass
die ganze N-Fracht des in die Faulung geförderten Mischschlammes in der
Trübwasserfraktion
des eingedickten Faulschlammes entsprechend aufkonzentriert vorhanden
ist. Somit wird nachdem das Gleichgewicht erreicht ist, Trübwasser
mit ca. 3.000 mg/l NH4-N über die
Zuleitung 12 das Düsensystem 6 der optimierten
Vorklärung
in den sedimentierenden Schlamm hineingespült. Die Wasserfraktion dieses Schlammes
ist somit durch eine NH4-N Konzentration von
etwas über
2.000 mg/l gekennzeichnet, auf Grund der ca. 3.000 mg/l NH4-N der 2/3 Trübwasserfraktion und der ca.
70 mg/l NH4-N der 1/3 Abwasserfraktion.
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Ein
großer
Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass nicht nur der Stickstoff
aus dem Gesamttrübwasser
in der viel geringeren Trübwasserfraktion des
eingedickten Faulschlammes hineinkonzentriert wird, sondern auch
alle anderen mineralischen Bestandteile (insbesondere die Pflanzennährstoffe Phosphor,
Kalzium, Kalium und Magnesium) als auch alle anderen nicht im Verlaufe
der Ausfaulung zu Faulgas konvertierten Substanzen wie Mikroschadstoffe,
Schwermetalle und pathogene Bakterien und Viren. Die Funktion des Überschuss-Schlammes
als Schadstoffsenke wird mit diesem neuen Verfahren somit verbessert.
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In
Kombination mit diesem Verfahren können bekannte Verfahren zur
Steigerung der Faulgasproduktion (wie z. B. Vergrößerung der
Vorklärung)
kombiniert werden, ohne dass es zu Mehrbelastungen der Kläranlage
führt.
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Die
erhöhte
NH4-N Konzentration in der proportional
verringerten Trübwassermenge
erleichtert zudem nachfolgende Nährstoffrückgewinnungsverfahren
wie die Ammoniak-Strippung oder zur Phosphorrückgewinnung die Struvit-Fällung.