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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der biologischen Nährstoffeliminierung aus Abwasser mit dem Ziel der Erhöhung der Effektivität der Schlammeindickung, -faulung und Schlammentwässerung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in den meisten bestehenden Anlagen mit geringen oder ohne zusätzliche bauliche Maßnahmen, jedoch besonders vorteilhaft in Membran-Bioreaktoren (MBR) angewendet werden.
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Seit Beginn der biologischen Abwasserbehandlung wird der produzierte Überschussbelebtschlamm gemeinsam mit dem Rücklaufschlamm am Ende der technologischen Kette der Abwasserbehandlung nach der Fest-/Flüssigtrennung vor dem Austrag des behandelten Abwassers in den Vorfluter entnommen. Diese Prozessführung wurde auch nach Einführung der biologischen Nährstoffeliminierung und des MBR-Verfahrens beibehalten. Es werden bisher immer nur zusätzliche Prozessschritte vorgeschlagen um die dadurch vorhandenen Nachteile für den Prozess der erhöhten Phosphataufnahme in der anaeroben Zone und für die Prozesse im Faulturm und bei der Schlammentwässerung durch die Ausfällung von Phosphorverbindungen (
DE 101 12 934 A1 ;
DE 196 29 723 C1 ;
DE 698 34 147 T2 ) zu verbessern.
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In
DE 195 47 364 A1 wird beschrieben, dass in einer Extrastufe eine teilweise Schlammabtrennung zur internen anaeroben Rezirkulation aus der anoxischen Zone in die anaerobe Zone, ggf. nach Eindickung des Teilstromes, erfolgt. Der Rücklaufschlamm kann ebenfalls aus dem Nachklärbecken in die anaerobe Zone geleitet werden.
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Bei einem weiteren bekannten Verfahren nach
DE 39 07 734 C1 wird ebenfalls ein Teilstrom des im Nachklärbecken abgetrennten Schlammes zur Rezirkulation in eine anaerobe Dephosphatisierungszone geleitet. Diese wird als Denitrifizierungsstufe mit Dosierung von Methanol betrieben. Der phosphatarme Schlamm wird nach Eindickung in die aerobe Zone des Belebtschlammreaktors geführt. Die flüssige Phase wird in eine Phosphatfällungsstufe geleitet.
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Die Abwasser- und Schlammbehandlung ist eine komplexe Technologie einer Vielzahl von sich überlagernden Gleichgewichtsprozessen, wobei die Gleichgewichtslage dieser Prozesse durch Substanzen, die in den unterschiedlichen Stufen entstehen oder abgebaut werden, ständig verändert wird. Einen erheblichen Einfluss auf die Gleichgewichtslagen haben insbesondere die Temperatur, die Siedepunkte der Amine und Alkane, das Redoxpotenzial, das C:N-Verhältnis und die Wasserhärte, die sich unter Einfluss der Schneeschmelze zeitweilig ändern. Insbesondere seit der Anwendung von Verfahren zur biologischen Eliminierung von Phosphor- und Stickstoffverbindungen aus Abwasser und noch verschärft nach der Anwendung von Membranreaktoren zur Fest-/Flüssigtrennung berücksichtigt die Entnahme von Überschussschlamm entsprechend des Standes der Technik nicht die Notwendigkeit der Berücksichtigung der physiologischen Grundlagen der Mikrobiologie, des Massenwirkungsgesetzes und der Monod-Gleichung.
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Die Verfahren der biologischen Phosphor- und Nitrateliminierung nutzen physiologische Stressbedingungen zur Erzeugung einer „Überproduktion“ oder „Luxusaufnahme“ von Nährstoffen. Während der Abwasserbehandlung wird während der Belüftungsphase Ammonium zu Nitrat oxidiert und zur Vermeidung eines Überdruckes in die Zellen als Energiereserve Polyphosphat (Volutingranula) eingelagert.
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Die Phosphatreserven werden in einer anaeroben Phase von den Mikroorganismen zur Vermeidung einer Überhitzung wieder ausgestoßen und dafür niedermolekulare Fettsäuren in den Zellen gespeichert. Dieser Prozess erfordert ein streng anaerobes Milieu ohne Gelöstsauerstoff oder als Nitrat gebundenen Sauerstoff. Die geringsten Sauerstoffmengen beeinflussen negativ die Effektivität dieses Prozesses. Deshalb wurden verschiedene zusätzliche Behandlungsstufen zur Eliminierung von Restsauerstoff eingeführt. Die Effektivität der Phosphorreduzierung kann noch durch Erhöhung der Konzentration der Mikroorganismen in der anaeroben Zone gesteigert werden.
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Der als Nitrat gebundene Sauerstoff wird in einer Phase, in der kein Gelöstsauerstoff vorhanden ist, von den Mikroorganismen zum Baustoffwechselprozess genutzt. Nach Erschöpfung dieser Energiereserven tritt eine vermehrte Autolyse der Zellen ein. Diese Autolyse der Zellen führt zu einer schwerwiegenden Verschlechterung der Entwässerungseigenschaften des Abwasserschlammes durch die Freisetzung von Ortho-Phosphaten, Fettsäuren und Zellsubstrat (Purine, Histidin, weitere Nukleinsäuren), wodurch die Flockungseigenschaften des Belebtschlammes verloren gehen, weil diese Substrate als Deflockulanten und Detergentien wirken. Während der Denitrifikation werden OH-Gruppen freigesetzt und durch den Übergang der Mikroorganismen zur Nitratatmung wird während der anoxischen Phase aufgrund des Massenwirkungsgesetzes vermehrt biochemisch gebundenes Wasser in die Zellen eingelagert, das mit physikalischen Prozessen nicht entwässert werden kann. Das Zellsubstrat ändert die Gleichgewichtslage des Kohlenstoff – Protein – Verhältnisses in Richtung Proteinüberschuss und führt damit zur Verseifung mit der Bildung von Schaum in weichem Wasser bei Temperaturschift im Bereich der Siedepunkte der freigesetzten Aminosäuren und zur Schaffung von außerordentlich günstigen Wachstumsbedingungen für fädige Bakterien mit dem Ergebnis der Bildung von Blähschlamm.
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Mit der Prozessführung entsprechend des Standes der Technik werden die grundlegenden Probleme der komplexen Technologie nicht gelöst. Es wird kein Überschussschlamm aus der anoxischen Zone abgezogen, sondern lediglich ein Teilstrom für die interne anaerobe Zirkulation. Damit kann keine Kontrolle der Schlammbelastung erfolgen und die Optimierung der „Steuerstufe“ ist nicht möglich. Ebenfalls ist das Problem der Nitratatmung und der Zelllyse nicht behoben. Schaumbildung und Fadenbakterienentwicklung werden nicht beeinflusst und im Fall des MBR-Prozesses wird die Viskosität der Nicht-Newtonschen Flüssigkeit in der aeroben Zone nicht verringert, weshalb der Energieaufwand für das Mischen der Suspension nicht verringert wird und keine Verbesserung des Sauerstoffüberganges in den Aktivschlamm auftritt.
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Wenn Restsauerstoff (gelöst oder als Nitrat gebunden) in den Faulturm verschleppt wird, führt die Freisetzung von Ortho-Phophat zu Betriebsbehinderungen durch Ablagerung von Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP, Struvit) in den Pumpstationen und Rohrleitungen die der Abführung des Abscheidewassers der Schlammentwässerungs-Zentrifugen dienen. Zur Beherrschung dieser Schwierigkeiten werden immer neue zusätzliche Prozessstufen im technologischen Prozess nötig, wodurch die Vorteile der biologischen Nährstoffeliminierung häufig verloren gehen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Optimierung der biologischen Nährstoffeliminierung aus Abwasser in Bioreaktoren. Dabei sollen die Entwässerungseigenschaften des Überschussbelebtschlammes, die durch Nitratatmung und durch Freisetzung von Detergentien und Chelatbildnern ausgelöst werden, verbessert werden. Weiterhin soll eine Reduzierung der Schaumbildung im Bioreaktor und im Faulturm, eine Reduzierung des Wachstums von fadenförmigen Mikroorganismen, eine Erhöhung der Effektivität der Phophorelimination, eine Verringerung der Viskosität der Nicht-Newtonschen Flüssigkeit sowie eine Verhinderung von Ablagerungen in den Pumpen und Rohrleitungen zur Abführung des Abscheidewassers der Schlammentwässerung, erfolgen.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.
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Bei dem Verfahren zur Optimierung der biologischen Nährstoffeliminierung aus Abwasser in Bioreaktoren, bei dem das Abwasser nacheinander einer anaeroben, anoxischen und aeroben Behandlung mit interner Rezirkulation aus der aeroben Beckenzone in die anoxische Beckenzone und einer Rezirkulation von der anoxischen Beckenzone in die anaerobe Beckenzone unterzogen wird und nach der Abwasserbehandlung eine Fest-/Flüssigtrennung stattfindet, erfolgt eine Überschussbelebtschlammentnahme in der anoxischen Zone, getrennt von einer Rücklaufschlammentnahme. Der Überschussschlamm wird eingedickt und/oder entwässert und die dabei entstehende flüssige Phase wird bei weichem Abwasser in die aerobe Beckenzone des Bioreaktors oder bei hartem Wasser, mit Kalzium- und Magnesiumionen, in die anaerobe Beckenzone und/oder die anoxische Beckenzone des Bioreaktors geleitet. Der Rücklaufschlamm wird am Ende der Abwasserbehandlung aus der Fest-/Flüssigtrennung entnommen und in die aerobe Beckenzone rückgeführt.
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In der anoxischen Beckenzone hat das Abwasser die geringste Nitratkonzentration. Die Konzentration von Phosphorverbindungen in den Mikroorganismen der internen Rezirkulation und deren Zellsubstrat werden in dieser Stufe nicht wesentlich verringert, weshalb diese mit dem entwässerten Schlamm aus dem System ausgetragen werden. Der Rücklaufschlamm wird am Ende des Behandlungsprozesses in der aeroben Behandlungszone entnommen, wo er die höchste Phosphorkonzentration und das Abwasser nur die zulässige Nitrat- und Phosphorkonzentration hat.
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Für die Abwasserbehandlung ist das C:N Verhältnis entscheidend für die Art des Metabolismus. Die Mikroorganismen mit kleiner Sättigungskonstante der Monod-Gleichung (Fadenbakterien) sind im Falle einer hohen Protein- und Aminosäurekonzentration im Abwasser den Flockenbildnern überlegen und können bei geringer C-Konzentration in den Proteinstoffwechsel wechseln und so ein Massenwachstum der Fadenbakterien starten, wodurch Blähschlamm entsteht. Das wird durch erhöhte Autolyse am Ende der anoxischen Zone erreicht. Verschärft wird diese Situation im Fall von weichem Abwasser, auch wenn das nur zeitweise im Fall von Mischung mit Schneeschmelzwasser entsteht. Wenn die Abwassertemperatur dann noch in den Bereich der Siedepunkte von einigen Alkanen und Aminen gerät, sind die Voraussetzungen für die Bildung von Alkali- und Amminoseifen gegeben, weshalb in weichem Wasser bei Erreichen der Schwellkonzentration eine spontane Schaumbildung einsetzt. Dadurch, dass der Überschussschlamm aus dieser Zone entnommen wird, kann die Schlammbelastung zur Verhinderung dieser Erscheinungen entsprechend gesteuert werden.
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Die bei der Denitrifizierung freigesetzten OH-Gruppen würden die Konzentration von Alkansäuren überlagern und damit zu einer Verseifung entsprechend des Massenwirkungsgesetzes führen. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung wird weder die anaerobe Zone durch Verschleppung von Gelöstsauerstoff oder Nitrat belastet und dadurch die Phosphatfreisetzung gestört, noch eine übermäßige Autolyse der Zellen durch die OH-Gruppen der Denitrifizierung in der anoxischen Zone verursacht.
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Im Fall von hartem Wasser, wenn Kalzium- und Magnesiumionen vorhanden sind, kann die flüssige Phase der Eindickung und der Schlammentwässerung direkt in den anaeroben und/oder in den anoxischen Reaktorteil eingeleitet werden, weil in diesen Fällen wasserunlösliche Seifen gebildet werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung kann eine anaerobe Rezirkulation von der anoxischen Beckenzone in die anaerobe Beckenzone durch Einleitung der flüssigen Phase der Eindickung und/oder der flüssigen Phase der Schlammentwässerung erfolgen. Dadurch kann die anaerobe Rezirkulation des Abwassers aus der anoxischen Zone in die anaerobe Zone entsprechend verringert werden.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die anaerobe Rezirkulation von der anoxischen Beckenzone in die anaerobe Beckenzone durch Einleitung eines Teilstromes des eingedickten Überschussschlammes in die anaerobe Beckenzone erfolgt. Dadurch wird eine wesentliche Erhöhung der Effektivität der Phosphorelimination erreicht.
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Eine weitere Variante liegt darin, dass der Überschussschlamm mit Primärschlamm und/oder Mikrosiebgut der mechanischen Behandlungsstufe durch Faulung stabilisiert und hygienisiert wird.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass ein Abzug von denitrifiziertem Überschussschlamm ohne zusätzliche Einrichtungen erfolgen kann. Weitere Vorteile sind eine Verbesserung der Eindick- und Entwässerungseigenschaften, eine Verringerung des Chemikalienbedarfs, eine sehr gute Steuerungsmöglichkeit der Schlammbelastung, eine Verhinderung der Massenentwicklung von Fadenbakterien und eine Reduzierung von Schaumbildung im Bioreaktor. Insgesamt erfolgt eine Erhöhung der Effektivität der Phosphorelimination und eine Verringerung der Viskosität der Nicht-Newtonschen Flüssigkeit in der aeroben Zone.
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Nachfolgend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 Membran-Bioreaktor (MBR)
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2 Bioreaktor mit Schlammkonditionierung durch Faulung
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Ein erstes Ausführungsbeispiel beschreibt die Umrüstung eines vorhandenen Membran-Bioreaktors (MBR-Reaktor), bei dem das Abwasser in bekannter Weise nacheinander einer anaeroben, anoxischen und aeroben Behandlung mit einer internen Rezirkulation 3 aus der aeroben Beckenzone V in die anoxische Beckenzone II und einer Rezirkulation 4 von der anoxischen Beckenzone III in die anaerobe Beckenzone I unterzogen wird und nach der Abwasserbehandlung eine Fest-/Flüssigtrennung VI erfolgt.
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Der Zufluss von Rohabwasser 1 wird in die anaerobe Beckenzone I eingeleitet. Es erfolgt eine Einspeisung eines Rohabwasserteilstromes 2 direkt in die anoxische Beckenzone II. Die Funktionsweise ist bei diesem Prozess dadurch gekennzeichnet, dass im Bioreaktor 19 eine Trockensubstanzkonzentration von 6 bis 20 g/l entsprechend der gewählten Schlammbelastung eingestellt werden kann. Diese liegt im Bereich der TS-Konzentration von Überschussschlamm in konventionellen Belebtschlammanlagen. Über die Leitung 14 wird das Belebtschlamm-/Abwassergemisch zur Fest-/Flüssigtrennung VI geführt. Die Fest-/Flüssigtrennung VI erfolgt durch belüftete Mikro- oder Nanomembranen, weshalb das Volumen der Membrankammern zum aeroben Reaktorvolumen in den aeroben Beckenzonen IV und V gerechnet wird. Die Überschussschlammentnahme 6 erfolgt aus der anoxischen Zone III und hat damit die geringste Nitratkonzentration. Die Rücklaufschlammentnahme 5 wird in der Membrankammer der Fest-/Flüssigtrennung VI entnommen. Der Rücklaufschlamm hat die höchste Nitratkonzentration und wird in die aerobe Beckenzone IV rezirkuliert. Das behandelte Abwasser wird über den Abfluss 15 entnommen.
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Vom Ende der aeroben Beckenzone V wird die interne Rezirkulation 3 des Abwassers in die anoxische Beckenzone II geleitet. Die Mikroorganismen dieses Gemisches haben eine sehr hohe Phosphorkonzentration, die, solange Nitrat vorhanden ist, während des Aufenthaltes in den anoxischen Beckenzonen II und III nicht vermindert wird. Der chemisch als Nitrat gebundene Sauerstoff wird von den Mikroorganismen veratmet, weshalb aus dieser Beckenzone der Überschussschlamm entnommen werden kann. Aus dieser Zone wird ebenfalls das Abwassergemisch für die anaerobe Abwasserrezirkulation 4 entnommen und in die anaerobe Beckenzone I geleitet. Dort wird der in den Zellen an Phosphor gebundene Sauerstoff von den Mikroorganismen als Energiequelle zur Einlagerung von Fettsäuren verbraucht und dadurch Ortho-Phosphat in das Abwasser ausgestoßen.
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Durch die anaerobe Rezirkulation 4 wird die Autolyse weitgehend unterdrückt und damit werden keine günstigen Bedingungen für ein Massenwachstum von fädigen Mikroorganismen geschaffen. Eine mögliche Variante liegt darin, dass statt einer separaten anaeroben Rezirkulation 4 die flüssige Phase 7 der Schlammeindickung VII und/oder nach Zuführung von eingedicktem Überschussschlamm 11 zur Schlammentwässerung VIII die flüssige Phase 9 der Schlammentwässerung VIII in die anearobe Beckenzone I geleitet wird. Das ist besonders vorteilhaft bei hartem Wasser, welches Kalzium- und/oder Magnesiumionen enthält. Damit werden keine gesonderten baulichen Anlagen, Pumpen und Rohrleitungen erforderlich.
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Bei sehr weichem Abwasser können die bei der Autolyse von Zellen freigesetzten ortho-Phosphate, Fettsäuren und Zellsubstrat (Purine, Histidin, Nukleinsäuren) bei Erhöhung des pH-Wertes infolge der freigesetzten Hydroxy-Gruppen zur Verseifung und damit zur Schaumbildung führen. Die freigesetzten Zellsubstanzen wirken als Deflockulanten und Chelatbildner. Deshalb ist dieser Prozess durch eine Redoxpotentialmessung 18 zu kontrollieren, die aerobe Beckenzone IV entsprechend zu verkleinern (Steuerstufe) und die Schlammbelastung durch eine Überschussbelebtschlammentnahme 6 anzupassen. Dadurch wird ebenfalls die Viskosität des Belebtschlamm/Abwassergemisches in den aeroben Beckenzonen IV und V herabgesetzt, wodurch ein besserer Sauerstoffübergang und eine Energieeinsparung erreicht werden.
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Eine mögliche Variante liegt darin, dass auch beim klassischen Belebtschlammprozess mit Nährstoffeliminierung die Überschussschlammentnahme 6 aus der anoxischen Beckenzone III erfolgt. Vorteilhaft ist in diesem Fall die Schlammeindickung VII mit Rückführung der flüssigen Phase 7 als anaerobe Rezirkulation in die anaerobe Beckenzone I, wie in 1 gezeigt. Wenn ein weiches Abwasser behandelt wird, auch temporär während der Scheeschmelze, und/oder die Schlammeindickung VII mit Schwerkrafteindickern erfolgt, ist es vorteilhaft, einen Teilstrom der flüssigen Phasen 10 und 12 über eine Sammelleitung 13 in die aerobe Beckenzone IV einzuleiten. In 1 ist dies gestrichelt dargestellt. Im Fall der Einspeisung der flüssigen Phase 7 der Schlammeindickung VII und der flüssigen Phase 9 der Schlammentwässerung VIII kann die anaerobe Rezirkulation 4 des Abwassers aus der anoxischen Beckenzone III in die anaerobe Beckenzone I entsprechend verringert werden.
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Eine wesentliche Erhöhung der Effektivität der Phosphorelimination wird erreicht, wenn bei der Schlammeindickung VII statt der flüssigen Phase 7 ein Teilstrom des eingedickten Überschussschlammes 8 in die anaerobe Beckenzone I und ein Teilstrom der flüssigen Phase 10 in die aerobe Beckenszone III eingeleitet wird.
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Eine weitere optionale Möglichkeit besteht darin, dass die Überschussbelebtschlammentnahme 6 separat oder zusammen mit Primärschlamm oder Mikrosiebgut aus der mechanischen Behandlung X einstufig oder zweistufig mit vorgeschalteter Hochlastfaulung in einem Faulturm IX konditioniert und hygienisiert wird. Das Ausführungsbeispiel ist in 2 beschrieben. Die Prozessführung ist identisch mit der nach 1 beschriebenen, jedoch mit dem Zusatz, dass der eingedickte Überschussschlamm 11 über eine Zuführung 17 gemeinsam mit dem Primärschlamm und/oder dem Mikrosiebgut der mechanischen Behandlung X zur Schlammfaulung in den Faulturm IX geführt wird. Der Faulschlamm wird über die Schlammleitung 16 zur Nacheindickung/Schlammentwässerung VIII zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- I
- anaerobe Beckenzone
- II
- anoxische Beckenzone
- III
- anoxische Beckenzone
- IV
- aerobe Beckenzone
- V
- aerobe Beckenzone
- VI
- Fest-/Flüssigtrennung
- VII
- Schlammeindickung
- VIII
- Schlammentwässerung
- IX
- Faulturm
- X
- mechanische Behandlung
- 1
- Rohabwasser
- 2
- Rohabwassersteilstrom
- 3
- Interne Rezirkulation
- 4
- anaerobe Abwasserrezirkulation
- 5
- Rücklaufschlammentnahme
- 6
- Überschussbelebtschlammentnahme
- 7
- Flüssige Phase
- 8
- Teilstrom des eingedickten Überschussschlammes
- 9
- Flüssige Phase
- 10
- Teilstrom der flüssigen Phase der Schlammeindickung
- 11
- Eingedickter Überschussbelebtschlamm
- 12
- Teilstrom der flüssigen Phase der Schlammentwässerung
- 13
- Sammelleitung
- 14
- Leitung von der aeroben Beckenzone V zur Fest-/Flüssigtrennung VI
- 15
- Abfluss
- 16
- Schlammleitung
- 17
- Zuführung von Primärschlamm und/oder Mikrosiebgut
- 18
- Redoxpotentialmessung
- 19
- Bioreaktor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10112934 A1 [0002]
- DE 19629723 C1 [0002]
- DE 69834147 T2 [0002]
- DE 19547364 A1 [0003]
- DE 3907734 C1 [0004]
