DE102009037433B4

DE102009037433B4 - Verfahren und Vorklärbecken zur Optimierung der Vorklärung von Kläranlagen

Info

Publication number: DE102009037433B4
Application number: DE102009037433.7A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Niels Christian Holm
Current assignee: HOLM, NIELS CHRISTIAN, DR., DE
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: DE102009037433A1

Abstract

Verfahren zum Vorklären kommunaler und gewerblicher Abwasser, bei dem
– das Abwasser in ein Vorklärbecken eingeführt wird,
– der sich im Vorklärbecken absetzende Schlamm abgeführt und einer Faulungsanlage zugeführt wird,
– das sich oberhalb des Schlamms befindliche vorgereinigte Abwasser über einen Ablauf abgeführt wird, und
– der in der Faulungsanlage bei der Ausfaulung anfallende Faulschlamm einem Nacheindicker zugeführt wird, in dem eine Trennung des Faulschlamms in eine Schlammfraktion und eine die Stickstofffracht beinhaltende Trübwasserfraktion erfolgt, und
– die Trübwasserfraktion aus dem Nacheindicker in den Vorklärbehälter in Höhe des sich im Vorklärbecken absetzenden Schlamms über einen Zugang flächig eingeführt wird, wodurch das im Nacheindicker anfallende Trübwasser das Abwasser aus dem sich im Vorklärbecken absetzenden Schlamm verdrängt und der Schlamm mitsamt dem ausgefaulten Trübwasser als Überschussschlamm abgeführt und der Faulungsanlage zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Vorklärbecken zur Optimierung der Vorklärung bei Kläranlagen.
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.
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.
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.
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.
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.
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 wird dadurch die Menge an rückgelösten Stoffen (z. B. Stickstoff als Ammonium und Phosphor als Monophosphat) und produzierten Trübwasser erhöht.
Dieses Trübwasser wird zur Endbehandlung in den Zulauf zur Kläranlage zurückgeführt und verursacht einen hohen zusätzlichen Volumen- und Belüftungsbedarf.
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.
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.
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.
Aus der DE 10 2004 043 814 A1 ist ein Verfahren zur Abwasserbehandlung bekannt, in dem ein sog. Selektionsreaktor genutzt wird, aus dem ein Teil des Schlamms als Überschussschlamm einer Schlammnachbehandlung zugeführt und Klarwasser dekantiert wird. Die EP 0 834 474 A2 beschreibt die Weiterbehandlung von Filtrat aus einer Faulung einer SBR-Anlage. Die DE 12 07 294 A zeigt en kreisförmiges Vorklärbecken, dessen Boden trichterförmig geneigt ist und in dessen Zentrum mit einer zylindrischen Zone versehen ist, wobei eine flächige Zufuhr bewirkt wird.
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.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, Anspruch 2 gibt ein Vorklärbecken zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 an. 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.
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.
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.
Nach der Erfindung wird die Wasser/Abwasser Fraktion des sedimentierenden Misch-Schlammes (oder nur des Primärschlammes) ersetzt durch das sich bei der Faulung bildende Trübwasser mittels Verdrängung dieser Wasser/Abwasser Fraktion durch Hineinspülen des Trübwassers im unteren Trichterbereich.
Im Folgenden wird dieses Verfahren beispielhaft anhand einer 20.000 EW (EW: Einwohnerwerte) Kläranlage beschrieben:
Beispiel:
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die erhöhte NH₄-N Konzentration in der proportional verringerten Trübwassermenge erleichtert zudem nachfolgende Nährstoffrückgewinnungsverfahren wie die Ammoniak-Strippung oder zur Phosphorrückgewinnung die Struvit-Fällung.

Claims

Verfahren zum Vorklären kommunaler und gewerblicher Abwasser, bei dem – das Abwasser in ein Vorklärbecken eingeführt wird, – der sich im Vorklärbecken absetzende Schlamm abgeführt und einer Faulungsanlage zugeführt wird, – das sich oberhalb des Schlamms befindliche vorgereinigte Abwasser über einen Ablauf abgeführt wird, und – der in der Faulungsanlage bei der Ausfaulung anfallende Faulschlamm einem Nacheindicker zugeführt wird, in dem eine Trennung des Faulschlamms in eine Schlammfraktion und eine die Stickstofffracht beinhaltende Trübwasserfraktion erfolgt, und – die Trübwasserfraktion aus dem Nacheindicker in den Vorklärbehälter in Höhe des sich im Vorklärbecken absetzenden Schlamms über einen Zugang flächig eingeführt wird, wodurch das im Nacheindicker anfallende Trübwasser das Abwasser aus dem sich im Vorklärbecken absetzenden Schlamm verdrängt und der Schlamm mitsamt dem ausgefaulten Trübwasser als Überschussschlamm abgeführt und der Faulungsanlage zugeführt wird.
Vorklärbecken zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei das Vorklärbecken ein Dortmundbrunnen mit einem zylindrischen Hauptteil und einem trichterförmigen Absetzteil ist, gekennzeichnet durch einen das trichterförmige Absetzteil unterbrechenden Zylindereinschub, dessen unterer Bereich flächig mit Düsen zur Hineinspülung von Trübwasser bestückt ist.