DE102015002395A1

DE102015002395A1 - Verfahren und Anlage zur Abwasserreinigung

Info

Publication number: DE102015002395A1
Application number: DE102015002395.0A
Authority: DE
Inventors: Waldemar Ganagin; Kirsten Loewe
Original assignee: Hawk Hochschule fur Angewandte Wissenschaft und Kunst Fachhochschule Hildesheim/holzminden/gottingen; Hawk Hochschule fur Angewandte Wss und Kunst Fachhochschule Hildesheim/holzminden/gottingen
Current assignee: Hawk Hochschule fur Angewandte Wissenschaft und Kunst Fachhochschule Hildesheim/holzminden/gottingen; Hawk Hochschule fur Angewandte Wss und Kunst Fachhochschule Hildesheim/holzminden/gottingen
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-08-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Abwasserreinigung unter Gewinnung von Biogas mit einer Vorrichtung unter Nutzung von nur zwei Reaktoren, die miteinander verbunden sind, und bei dem eine Teilstromrückführung aus dem zweiten in den ersten Reaktor stattfindet. Das Verfahren kann in drei Phasen eingeteilt werden: 1. Prozessphase: Organikabbau und Biogasproduktion im Festbettreaktor (anaerob); 2. Prozessphase: Nitrifikation und Abbau der restlichen Organik sowie Entfernung von Phosphorverbindungen in einem Tropfkörper (aerob); und 3. Prozessphase: Denitrifikation und Belebungsschlammabbau durch Teilstromrückführung in den Festbettreaktor (anaerob). Gleichsam betrifft die vorliegende Erfindung eine Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser, die zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abwasserreinigung unter Gewinnung von Biogas mit einer Vorrichtung unter Nutzung von nur zwei Reaktoren, die miteinander verbunden sind, und bei dem eine Teilstromrückführung aus dem zweiten in den ersten Reaktor stattfindet. Dabei herrschen im ersten Reaktor anaerobe und im zweiten Reaktor aerobe Verhältnisse.
Hintergrund der Erfindung
Durch die gewerbliche Verarbeitung landwirtschaftlicher Produkte sowie deren Nutzung durch den Verbraucher fallen große Mengen von organisch belasteten Abwässern an. Grundsätzlich ist für industrielle und gewerbliche Abwässer eine weitgehende Kohlenstoffentfernung und Nitrifikation gesetzlich vorgeschrieben. Deshalb werden die organisch belasteten gewerblichen und industriellen Abwässer i. d. R. direkt in betrieblichen (Direkteinleiter) oder in kommunalen Kläranlagen (Indirekteinleiter) kostenintensiv behandelt. Hohe Investitionskosten zentraler Großanlagen sowie die ökologische Notwendigkeit, kleinere Abwassermengen speziell zu behandeln, führen zudem in zunehmendem Maße zum Einsatz von dezentralen Kläranlagen. Daher entscheiden sich immer mehr Kommunen, gewerbliche und landwirtschaftliche Betriebe für eine dezentrale Abwasserbehandlung. Alle biologischen Abwasserreinigungssysteme basieren auf der Stoffwechseltätigkeit von Mikroorganismen. Dabei werden hochmolekulare, energiereiche Stoffe zu niedermolekularen, energiearmen umgesetzt. Dies erfolgt jedoch nur dann, wenn die beteiligten Bakterien Energie für ihren eigenen Stoffwechsel daraus gewinnen können. In der Abwasserreinigung werden aufgrund der Abbaugeschwindigkeit häufig aerobe Prozesse eingesetzt. Dabei setzen Mikroorganismen mit Hilfe von Sauerstoff unter hohem Eigenenergiegewinn (ΔG°' = –1.100 kJ/mol) den vorhandenen organischen Kohlenstoff um. Jedoch muss bei diesen Verfahren viel Energie zur Belüftung bereitgestellt werden. Gerade im Hinblick auf die mögliche Energiegewinnung und Vermeidung von Klärschlamm wurde der anaerobe Prozess in den letzten Jahrzehnten immer interessanter. Hierbei wird unter Abwesenheit von Sauerstoff der eingetragene organische Kohlenstoffes im Wesentlichen zu energiereichem Methan (CH₄) überführt. Den Organismen steht für die eigene Biomassebildung wesentlich weniger Energie (ΔG°' = –58 kJ/mol) zur Verfügung. Daraus ergibt sich bei den beiden unterschiedlichen Prozessen eine grundlegend andere Verteilung in der allgemeinen Kohlenstoffbilanz (Saake 1986).
Anaerobe Abwasserbehandlung
Für einen vollständigen Abbau organischer Substanzen in anorganische Endprodukte wie Methan und Kohlendioxid ist das Ineinandergreifen mehrere Abbauschritte und damit das Zusammenwirken unterschiedlicher Mikroorganismen notwendig (Mudrack und Kunst 2005). Die von den Mikroorganismen ausgeschiedenen Enzyme zerlegen im ersten Schritt des Abbaus, der sogenannten Hydrolyse, langkettige und oft ungelöste Stoffe wie Kohlenhydrate, Fette und Eiweiß in niedermolekulare Verbindungen. Dazu gehören die Einfachzucker, langkettige Fettsäuren und Aminosäuren. Diese Verbindungen sind in Wasser löslich und können von Mikroorganismen interzellular aufgenommen werden. In der Acidogenese, auch Versäuerungsphase genannt, werden von fakultativ und obligat anaeroben Bakterien die Produkte der Hydrolyse zu niedermolekularen organischen Säuren, Alkoholen, Wasserstoff und Kohlendioxid reduziert. Den beteiligten Organismen steht dabei kein Sauerstoff zur Verfügung, weshalb sie die organischen Substanzen umbauen müssen, damit sie den freiwerdenden Wasserstoff zur eigenen Energiegewinnung aufnehmen können. Die dabei entstehenden Zwischenprodukte hängen unter anderem von der Bakterienpopulation, dem pH-Wert und dem Wasserstoffpartialdruck ab. Gerade bei einer hohen Wasserstoffkonzentration werden die Substanzen zu Propionsäure umgebaut. Hydrolyse und Acidogenese werden meist durch einen Mikroorganismus direkt hintereinander durchgeführt und lassen sich so verfahrenstechnisch nicht voneinander trennen. Die Generationszeit ist die Zeitdauer, in der sich die Bakterien durch Zellteilung verdoppeln. Acidogenese-Mikroorganismen reproduzieren sich in kurzen Zeitabständen. Die minimale Generationszeit ist, aufgrund des Energieumsatzes, substratabhängig und kann einen minimalen Zyklus von ca. 30 min erreichen. Die optimalen Bedingungen liegen für diesen Abbauschritt bei einer Temperatur von 30°C und einem pH-Wert von 5,2 bis 6,3 (Weiland 2001). Die entstandenen niederen Carbonsäuren werden in der Acetogenese durch Bakterien unter der Bildung von Wasserstoff und Kohlendioxid zu Essigsäure umgewandelt. Unter normalen Bedingungen wird bei diesem Abbauschritt keine Energie freigesetzt. Die Organismen werden somit schnell durch ihr eigenes Stoffwechselprodukt gehemmt. Weil Methanbildner diesen Wasserstoff zur eigenen Produktion aufnehmen, leben die acetogenen Bakterien mit ihnen in einer Symbiose, so dass sich insgesamt dennoch eine geringe Energiefreisetzung ergibt. Da diese aber relativ klein ist, haben die Bakterien eine lange Regenerationszeit von 1,5 bis 4 Tagen. In der letzten Phase des Abbauprozesses, der Methanogenese, erzeugen Mikroorganismen aus den bisher gebildeten Abbauprodukten Methan. Diese Mikroorganismen sind strikt anaerob und können als Substratspezialisten nur wenige Stoffe zur Umwandlung nutzen. Der größte Energiegewinn kann dabei durch die Bildung von Methan aus Kohlendioxid und Wasserstoff entstehen. Dieser Gewinn wird aber nur bei einem Partialdruck des Wasserstoffes von 100 bis 1000 mbar erzielt. Im Gegensatz dazu ist der Abbau von Essigsäure und Kohlendioxid vom Wasserstoffpartialdruck unabhängig. Aus diesem Grund wird das meiste Methan, obwohl energetisch ungünstiger, über diesen Abbauweg gebildet (Brunstermann 2010). Entsprechend dem Energiegewinnungsweg haben wasserstoffverarbeitende Populationen eine Generationszeit von bis zu 20 h. Kulturen der Essigsäureverwertung haben dagegen eine Generationszeit von 2 bis 3 Tagen. Die Generationszeit ist gerade in Hinsicht auf einen Wechsel des Substrates von großer Bedeutung. Bei einer kurzen Generationszeit wachsen die Mikroorganismen schneller und die Biozönose kann sich somit in kürzerer Zeit den wechselnden Nährstoffbedingungen und Prozessparametern anpassen. Die optimalen Bedingungen liegen für die Methanogenese bei einem pH-Wert zwischen 6,7 und 7,5 (Weiland 2001). Die einzelnen Abbauschritte sind aufeinander aufgebaut und teils voneinander abhängig. Dadurch ergibt sich eine Notwendigkeit für die Ausbildung von Biozönosen, die in Form von komplexen Flocken/Pellets aus spezialisierten Mikroorganismen frei im Biogasreaktor vorliegen oder an Trägermaterial im Biofilm fixiert sind (Kozariszczuk 2002). Für die an den Stoffwechselprozessen beteiligten Bakteriengruppen existieren unterschiedliche Temperaturoptima. Mit steigender Prozesstemperatur zeigt sich in der Regel ein Ansteigen der Stoffwechselaktivität, was mit der Temperaturabhängigkeit und der Ablaufgeschwindigkeit der chemischen bzw. biochemischen Reaktionen im Zusammenhang steht. Das Verlassen der optimalen Temperaturbereiche führt zur Hemmung und schlimmstenfalls zum Absterben der beteiligten Mikroorganismen. Nach Bischofsberger et al. (2005) sind versauernde Bakterien hinsichtlich ihrer Umgebungstemperatur unempfindlich und flexibel. Lediglich die methanogenen Mikroorganismen sind temperaturempfindlich und vertragen auch keine kurzzeitigen Überschreitungen bestimmter Temperaturgrenzen. Ein Aktivitätsverlust tritt ein, sobald eine Änderung der Fermentationstemperatur bei einer über einen längeren Zeitraum an eine bestimmte Temperatur adaptierten Mischpopulation stattfindet (um mehr als 2°C für mesophile und 1°C für thermophile Bakterien pro Tag). Jedoch können sich die methanogenen Bakterien bei langsamer Temperaturänderung an unterschiedliche Temperaturniveaus anpassen. Die einzelnen Bakteriengruppen lassen sich auf Grund ihrer Temperaturoptima drei unter-schiedlichen Temperaturbereichen zuordnen. Es wird zwischen psychrophilen, mesophilen und thermophilen Bakterien unterschieden. Die Zuordnung der einzelnen methanogenen Bakterienstämme zu einem bestimmten Temperaturbereich ist nicht eindeutig, was sich insbesondere durch unterschiedliche Angaben in der einschlägigen Literatur bemerkbar macht. Methanogene Mikroorganismenstämme lassen sich- bei Temperaturen bis etwa 25°C als psychrophil, um 35°C als mesophil und bei Temperaturen um 57°C als thermophil einteilen. Anaerobe Mikroorganismen können in drei Temperaturbereiche hinsichtlich ihres Optimums unterteilt werden: < 20°C psychrophiler, 25–40°C mesophiler und > 45°C thermophiler Bereich. Kroiss et al. (2005) geben den optimalen Bereich für mesophile Mikroorganismen mit 30 bis 40°C an. Die in der Praxis am weitesten verbreiteten Biogasanlagenkonzepte arbeiten im mesophilen Bereich und werden häufig bei Temperaturen von 35 bis 45°C betrieben (Linke et al. 2006). In diesem Temperaturbereich wird eine relativ hohe Gasausbeute bei guter Prozessstabilität erreicht. Die thermophile Betriebsweise eignet sich, wenn eine Inaktivierung seuchenhygienisch relevanter Organismen notwendig ist oder Substrate eingesetzt werden, die mit hoher Eigentemperatur anfallen. Ein wesentlicher Vorteil der thermophilen Betriebsweise ist die schnellere Umsetzung des Substrates, einhergehend mit höheren Gasausbeuten bei gleicher Verweilzeit im Fermenter. Diese Anlagen erfordern jedoch einen größeren Aufwand in der Prozessführung wegen erhöhter Störanfälligkeit gegenüber Temperaturschwankungen oder Unregelmäßigkeiten in der Substratzufuhr oder der Betriebsweise des Fermenters (Linke et al. 2006). Die sogenannten Kaltanlagen, die im psychrophilen Temperaturbereich bei unter 25°C arbeiten und insbesondere in den 80er Jahren untersucht wurden, spielen in der heutigen Praxis der Biogasproduktion in Deutschland keine Rolle mehr (Linke et al. 2006; BAG BIOGAS 1983). Im Bereich der anaeroben Abwasserbehandlung funktioniert der anaerobe Abbau auch bei Temperaturen unter 30°C. Lettinga et al. (1999) beschreibt Vergärungsversuche mit einem EGSB-Reaktor (Expanded Granular Sludge Bed, Schlammbettreaktor) im psychrophilen Temperaturbereich von 4 bis 8°C. Dabei wurden Abbauleistungen von über 90% der im Abwasser enthaltenen Organik innerhalb von wenigen Stunden erreicht. In Anbetracht der häufig geringen Energiegewinnung aus Abwasser und hohen Heizkosten rechnet sich die anaerobe Abwasserbehandlung unter mesophilen Prozessbedingungen oft nicht.
Belebungs-/Belüftungsverfahren
Das Belebtschlammverfahren ist ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung in Kläranlagen, bei dem das organisch belastete Abwasser durch die Stoffwechsel-Aktivität von aeroben chemoorganoheterotrophen Mikroorganismen weitestgehend von organischen Verunreinigungen gereinigt wird. Anlagen nach dem Belebtschlammverfahren können sowohl kontinuierlich (im Durchlaufbetrieb) als auch diskontinuierlich (im Batch-Betrieb) betrieben werden. Gemeinsam ist allen Varianten, dass im Wasser suspendierte Bakterienmasse (Belebtschlamm) die biologische Reinigung des Abwassers übernimmt. Bei der klassischen Konfiguration mit kontinuierlichem Betrieb besteht das Belebungsverfahren aus drei Hauptkomponenten: Dem Belebungsbecken, dem Nachklärbecken sowie der Rücklaufschlammförderung (vgl. 1). Zur Sauerstoffversorgung und um die Organismen in Schwebe zu halten, wird belüftet und umgewälzt, wobei die Umwälzung oft mit der Belüftungseinrichtung gekoppelt ist. Neben der biologischen Oxidation von Kohlenwasserstoffverbindungen wird der Sauerstoff auch bei der Oxidation von Stickstoff- und Phosphorverbindungen verbraucht. Die Bemessung der Anlagen erfolgt nach dem Schlammalter, das ist die mittlere Aufenthaltsdauer des Bakterienschlammes im System. Damit kann sichergestellt werden, dass ausreichend Zeit besteht, um auch langsam wachsende Bakterien, wie die Nitrifikanten, zu halten. Das Schlammalter ist grundsätzlich nicht die hydraulische Aufenthaltsdauer, da es durch die Rückhaltung des Schlammes im Nachklärbecken und Schlammrückführung von der Hydraulik entkoppelt ist. Die ausreichende Belüftung und Schlammrückführung ist bei Belebungsverfahren ausschlaggebend für die Leistung der gesamten biologischen Stufe. Derzeit werden verschiedene sog. Belebtschlammverfahren als klassische intensive Aufbereitungsverfahren als bevorzugte Lösungen angesehen. Ihre Vorteile sind die allgemeine Verwendbarkeit und die gute Reinigungswirkung für Abwässer zur Verminderung der Gehalte an Schwebstoffen, gelösten organischen Verbindungen und den Stickstoffverbindungen. Ihre Nachteile sind hohe Investitionskosten, hoher Energiebedarf, die Empfindlichkeit gegenüber hydraulischer Überlastung und der Anfall großer Mengen an Überschussschlamm zur Entsorgung. Die Kohlenstoffverbindungen des Abwassers werden bei der rein aeroben Abwasserbehandlung durch Mikroorganismen hauptsächlich zu CO₂ (ca. 50%) veratmet und als Überschussschlamm (ca. 45–50%; abgestorbene Bakterienmasse) ausgeschieden. Diese Nachteile vermeidet der Einsatz von moderner Anaerobtechnik. Bei der anaeroben Abwassertechnik wird hingegen der Kohlenstoff im Abwasser fast ausschließlich von Mikroorganismen in Biogas (ca. 90–92%) umgewandelt. Dabei kann das Biogas einerseits energetisch genutzt werden und andererseits kann die Masse des anfallenden Schlamms um ca. 90% reduziert werden. (Warthmann et al. 2010; van Lier 2008; Gleixner u. Reitberger 1999) Die anaerobe Behandlung kommunaler Abwässer wird in der Fachliteratur nur mit einem eingeschränkten Einsatzfeld bzw. punktuell betrachtet. In den Standardwerken der Abwasserreinigung sind die neuesten technologischen Entwicklungen wie anaerobe Verfahren und Möglichkeiten zur Nährstoffrückgewinnung kaum berücksichtigt. Vielmehr handelt es sich dort um Einzelbetrachtungen von Verfahren oder Anlagenteilen, die unter sehr verschiedenen Rahmenbedingungen untersucht wurden und die eine große Streubreite in den Ergebnissen aufzeigen. Die Regelwerke der Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA), früher ATV und DVWK, stellen zahlreiche Merk-, Arbeitsblätter und Regeln bereit, die für Bau, Betrieb und Unterhalt der wasser- und abfallwirtschaftlichen Anlagen als anerkannter Stand der Technik gültig sind und als Orientierungshilfe bei Umsetzung der Abwasserreinigungsanlagen gelten. Auch die genaue Betrachtung dieser Regelwerke macht deutlich, dass dort die anaerobe Abwasserbehandlung bislang eine untergeordnete Rolle spielt. So empfiehlt die DWA eine anaerobe Schlammstabilisierung (Überschussschlamm-Faulung/-Vergärung) ab einer Anschlussgröße von 20.000 Einwohnern. Die Betrachtung der anaeroben Abwasserbehandlung des Rohabwassers im Hauptstrom für kommunale Kläranlagen ist in gängigen Regelwerken nicht gegeben, obwohl festzustellen ist, dass auch diese Möglichkeit aufgrund von zahlreichen Vorteilen (Klärschlammreduktion, geringer Energiebedarf, Energiegewinnung) in Betracht gezogen werden muss (Warthmann et al. 2010; Horn et al. 2009; Jakob u. Siekmann 2008; ATV-DVWK-M 368 2003). EP 593 834 und EP 247 212 offenbaren ein Verfahren einer dreistufigen Denitrifikation/Nitrifikation unter Verwendung eines ersten anaerob-aeroben Mischreaktors, eines zweiten aeroben Reaktors und einer Teilstromrückführung aus dem zweiten aeroben in den ersten anaeroben-aeroben Mischreaktor. Beide Systeme arbeiten nicht mit einem rein anaeroben System. Es besteht ein fortlaufendes Bedürfnis für effektive Abwasserreinigungsverfahren mit positiver Energiebilanz und geringen Betriebskosten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind eine effektive Abwasserreinigung unter Gewinnung von Biogas. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die kompakte und robuste Bauweise sowie geringe Betriebskosten aus. Das Analgenkonzept eignet sich zur effizienten Reinigung der organischen Belastungen sowie zur Entfernung der Stickstoff- und Phosphorverbindungen von schwach bis sehr stark belasteten Abwässern. Weiterer Vorteil ist die modulare Bauweise der Abwasserreinigungsanlage, deren kleinste Einheit bereits ab 1.000 Einwohnergleichwerten (Abk.: EGW, Referenzwert der Schmutzfracht in der Wasserwirtschaft) angeboten werden soll und damit für einen dezentralen Einsatz geeignet ist.
Im Gegensatz zum Belebtschlammverfahren zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch einen niedrigen Prozessenergiebedarf bzw. einen hohen Energieüberschuss (kein Strombedarf für die Belüftung, zusätzliche Strom- und/oder Wärmeproduktion aus Biogas), eine robuste Bau- und Betriebsweise, Unempfindlichkeit gegenüber Schwankungen der hydraulischen und organischen Last (sich ändernder Verschmutzungsgrad des Abwassers), hervorragende Raum-Zeit-Produktivität (kleinere Reaktoren bei guter Reinigungsleistung) sowie ein deutlich reduziertes Klärschlammaufkommen aus. Die Besonderheit des entwickelten Verfahrens betrifft somit insbesondere folgende Aspekte:

• Schnelle und hocheffektive Reduktion der organischen Fracht
– Geringerer Energieeinsatz als bei den herkömmlichen Verfahren
– Kleines Reaktorvolumen
• Flexibilität, Möglichkeit der bedarfsgerechten Fütterung/Beschickung
• Geringer Wärmebedarf bzw. keine Beheizung der Anaerobstufe notwendig: Psychrophile Behandlungstemperatur (10–25°C)
• Drei prozessbiologische Behandlungsschritte erfolgen in lediglich zwei Verfahrensstufen: Kohlenstoffabbau im anaeroben Festbett, nachgeschaltete Nitrifikation im Tropfkörper und Denitrifikation im anaeroben Festbettreaktor durch Rückführung
• CSB-Reduktion in erster Stufe (Festbett) von über 80% bei Verweilzeiten von 6 Stunden und über 95% bei Verweilzeiten von 24 Stunden möglich
• Bei Nachbehandlung im Tropfkörper wird CSB-Abbau von über 97% erreicht
• Geringer Schlammanfall zur Entsorgung durch überwiegend anaerobe Behandlung
• Rückführung des Überschussschlammes aus dem Tropfkörper in anaeroben Festbett
• Positive Energiebilanz durch Biogasnutzung

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit einem Hochleistungsreaktor (Festbettreaktor) als zentrale Einheit, auch als Anaerobfilter bekannt, der um eine Nachbehandlungsstufe erweitert ist. Das Verfahren kann in drei Phasen eingeteilt werden:

1. Prozessphase: Organikabbau und Biogasproduktion im Festbettreaktor (anaerob);
2. Prozessphase: Nitrifikation und Abbau der restlichen Organik sowie Entfernung von Phosphorverbindungen in einem Tropfkörper (aerob); und
3. Prozessphase: Denitrifikation und Belebungsschlammabbau durch Teilstromrückführung in den Festbettreaktor (anaerob).

a) Abbauen der organischen Belastung mittels Mikroorganismen in einem anaeroben Reaktionsbehälter unter Erzeugung von Biogas;
b) Abbauen der restlichen organischen Belastung und Nitrifizierung des Ammonium in einem aeroben Reaktionsbehälter; und
c) Denitrifizieren und Belebungsschlammabbau durch Teilstromrückführung von nitrathaltigem Wasser und Belebungsschlamm in den anaeroben Reaktionsbehälter von Schritt (a).

a) einen ersten Reaktionsbehälter, der ausgestaltet ist, unter anaeroben Bedingungen betrieben zu werden, umfassend (i) einen Einlass für Abwasser; (ii) ein Trägermaterial, das für die Besiedelung und Rückhaltung von anaeroben Mikroorganismen und Nitrifikanten geeignet ist; (iii) einen Auslass auf der Kopfseite, der ausgestaltet ist, dass das bei dem anaeroben Betrieb durch Mikroorganismen erzeugte Biogas abgeführt werden kann; und (iv) ein Absetzbecken, mit (1) einem Überlauf für das im ersten Reaktionsbehälter behandelte Abwasser, und (2) einem unteren Ablauf für sedimentierten Klärschlamm; wobei der Überlauf (1) mit
b) einem zweiten Reaktionsbehälter verbunden ist, der ausgestaltet ist, unter aeroben Bedingungen betrieben zu werden und umfassend (i) ein Trägermaterial, das für die Besiedelung von Mikroorganismen und Nitrifikanten geeignet ist; sowie (ii) ein Absetzbecken, mit (1) einem Überlauf für das gereinigte Wasser und (2) einem unteren Ablauf für sedimentierten Belebungsschlamm aus dem zweiten Reaktionsbehälter, der in Form einer Teilstrom-Rückführung in den Einlass des ersten anaeroben Reaktionsbehälters rezirkuliert wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 grafisch dargestellt.
Neuartig sind insbesondere folgende Aspekte:

1. die Anlagenkonstellation/Anlagenkombination: Anaerober Festbettreaktor als Hauptkomponente, nachgeschaltete Nachbehandlung mittels Tropfkörper sowie Rückführung/Kreislaufführung des Teilstrom
2. Abwasserbehandlung im anaeroben Festbettreaktor bei Temperaturen unter 25°C und Verweilzeiten unter 24 h
3. Denitrifikation im anaeroben Festbettreaktor durch Teilstrom-Rückführung (Denitrifikation und Methanbildung in einem Verfahrensschritt)
4. Verwendung vom sedimentierten Überschussschlamm aus dem Tropfkörper im anaeroben Festbettreaktor und Umsetzung zu Biogas durch Rückführung

₂

₇

ISO 6060:1989

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Verweilzeit im anaeroben Reaktionsbehälter von Schritt (a) zwischen 24 h und 0,5 h. Des weiteren wird Schritt (a) im Allgemeinen bei einer Temperatur von 5–55°C durchgeführt, vorzugsweise bei einer Temperatur von 5–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 10–20°C, und am stärksten bevorzugt bei 15°C. Die Reduktion an organischer Belastung (CSB) liegt nach Schritt (a) im Bereich von 75–95% der anfänglichen Belastung, vorzugsweise im Bereich von 80 bis mehr als 95%, wie mindestens 85%, mindestens 86%, mindestens 87%, mindestens 88%, mindestens 89%, mindestens 90%, mindestens 91%, mindestens 92%, mindestens 93%, mindestens 94%, mindestens 95%, und bis zu 96%, oder sogar 97%. Während des Schritt a) beträgt die Biogasproduktivität mehr als 0,3 m³/h pro m³ Volumen des anaeroben Reaktionsbehälters, vorzugsweise mehr als 0,2 m³/h und am stärksten bevorzugt 0,16 m³/h. Der Methangehalt des Biogases beträgt dabei mehr als 60%, vorzugsweise mehr als 65%, wie 66%, 67%, 68% oder 69%, stärker bevorzugt mehr als 70%, wie 71%, 72%, 73% oder 74%, noch stärker bevorzugt mehr als 75%, wie 76%, 77% oder sogar 78%. Das in Schritt (a) erzeugte Biogas kann zur Wärmegewinnung genutzt oder verstromt werden. Schritt (b) wird im Allgemeinen bei einer Temperatur von 10–30°C durchgeführt, vorzugsweise bei einer Temperatur von 10–25°C, und stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 15–20°C. Die Reduktion an organischer Belastung (CSB) beträgt nach Schritt (b) mehr als 95% der anfänglichen Belastung, vorzugsweise mehr als 96%, und am stärksten bevorzugt mehr als 97%, wie 98%, oder sogar 99%. Die Teilstromrückführung in Schritt (c) wird anhand von Grenzwerten für CSB-, Ammonium- und Nitratkonzentrationen im gereinigten Wasser eingestellt. Dabei kann die Teilstromrückführung mit einer bis zu zweifachen Zulaufmenge erfolgen. Das hydraulische Durchsatzvolumen beträgt für das erfindungsgemäße Verfahren 10–200 m³, wie 50–150 m³, 75–175 m³, 100–190 m³, oder 125–180 m³. Dabei ist das Verfahren für Raumbelastungen von mehr als 20 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag, bevorzugt von mehr als 10 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag und am stärksten bevorzugt von mehr als 3,9 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag geeignet; und/oder für mehr als 1,3 kg_N Denitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag; und/oder mehr als 1,9 kg_N Nitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag. Im Einklang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auch eine Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser bereitgestellt, umfassend

• einen ersten Reaktionsbehälter, der ausgestaltet ist, unter anaeroben Bedingungen betrieben zu werden, umfassend (i) einen Einlass für Abwasser; (ii) ein Trägermaterial, das für die Besiedelung und Rückhaltung von anaeroben Mikroorganismen und Nitrifikanten geeignet ist; (iii) einen Auslass auf der Kopfseite, der ausgestaltet ist, dass das bei dem anaeroben Betrieb durch Mikroorganismen erzeugte Biogas abgeführt werden kann; und (iv) ein Absetzbecken, mit (1) einem Überlauf für das im ersten Reaktionsbehälter behandelte Abwasser, und (2) einem unteren Ablauf für sedimentierten Klärschlamm; wobei der Überlauf (1) mit
• einem zweiten Reaktionsbehälter verbunden ist, der ausgestaltet ist, unter aeroben Bedingungen betrieben zu werden und umfassend (i) ein Trägermaterial, das für die Besiedelung von Mikroorganismen und Nitrifikanten geeignet ist; sowie (ii) ein Absetzbecken, mit (1) einem Überlauf für das gereinigte Wasser und (2) einem unteren Ablauf für sedimentierten Belebungsschlamm aus dem zweiten Reaktionsbehälter, der in Form einer Teilstrom-Rückführung in den Einlass des ersten anaeroben Reaktionsbehälters rezirkuliert wird.

Organikabbau und Biogasproduktion im Festbettreaktor
Das Anlagenkonzept wurde auf Basis vorangegangener Untersuchungen entwickelt und eine entsprechende Versuchsanlage konstruiert. Für den praktischen Einsatz eines Festbettreaktors wurde eine Reihe von Untersuchungen mit verschiedenen Füllkörpern durchgeführt und dadurch eine kostengünstige sowie für den Hochleistungsbetrieb geeignete Lösung gefunden. Der Festbettreaktor der Versuchsanlage besteht aus einem Behälter, dessen Inhalt zu 80% mit Trägermaterial befüllt ist. Durch diesen Einsatz kommt es zu einer Oberflächenvergrößerung auf ca. 500 m²/m³. In einer bevorzugten Ausführungsform weist daher das Trägermaterial in dem ersten Reaktionsbehälter eine spezifische Oberfläche von mehr als 300 m²/m³, vorzugsweise mehr als 400 m²/m³, stärker bevorzugt mehr als 500 m²/m³ und am stärksten bevorzugt mehr als 600 m²/m³ auf. Des Weiteren ist der erste Reaktionsbehälter bevorzugt zu 70%, stärker bevorzugt zu 75% und am stärksten bevorzugt zu 80% mit dem Trägermaterial befüllt. Fermenter mit großer spezifischer Ansiedlungsoberfläche – wie der Festbettfermenter – ermöglichen eine Anreicherung bzw. Rückhaltung der acetat- und methanbildenden Mikroorganismen. Die Mikroorganismen sind auf dem Trägermaterial fixiert und machen so eine Entkoppelung der Generationszeit von der Verweilzeit der Substrate möglich. Bedeutend ist in diesem Zusammenhang, dass mit dem Verfahren sehr kurze Verweilzeiten von 6 Stunden (eigene Untersuchungen) bzw. von bis zu 0,5 Stunden im Labor-Festbettreaktor (Elmitwalli et al. 2000) möglich sind. Vorzugsweise ist der erste Reaktionsbehälter konfiguriert, dass die Verweilzeit im anaeroben Reaktionsbehälter zwischen 24 h und 0,5 h beträgt, stärker bevorzugt zwischen 20 h und 0,5 h, noch stärker bevorzugt zwischen 16 h und 1 h, noch stärker bevorzugt zwischen 12 h und 3 h, und am stärksten bevorzugt zwischen 8 h und 10 h. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Festbettreaktor im Aufstrom betrieben und weist somit die Vorteile eines UASB-Reaktors (Schlammbett) auf. Für ein gleichmäßiges Einströmen sorgen Einlaufdüsen am Reaktorboden, wodurch eine bessere Durchströmung der Füllkörper und eine gleichmäßige Nährstoffzufuhr bzw. Belastung realisiert werden konnte. (vgl. 3). Aufgrund des hohen Schlammalters liegt eine hohe Adaption vor. Dadurch bleibt die Fähigkeit des Systems, sporadisch eingeleitete Substanzen zu verstoffwechseln, länger erhalten als in den Reaktorsystemen mit einem ständigen Austausch der Biomasse (z. B. Durchflussverfahren bzw. Ausschwemmreaktortypen). Die eigenen Untersuchungen mit dem Festbettreaktor im nachstehenden Beispiel zeigen, dass beim Einsatz von organisch belasteten Abwässern ein spontanes Anfahren bzw. Unterbrechen der Biogasproduktion möglich ist. Die Gasproduktion folgte dem Fütterungsprofil bzw. dem Abwasseranfall während der Produktion an fünf Tagen in der Woche. Diese Fahrweise ermöglicht eine sinnvolle energetische Nutzung des Biogases. Die produktionsbedingten Schwankungen der organischen Belastung des Abwassers (Raumbelastung) verursachen Unregelmäßigkeiten bei der Gasbildung, die durch einen kleinen Gasspeicher gepuffert werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher der Auslass für das Biogas des ersten Reaktionsbehälters mit einem Gasspeicher und/oder einer Biogasverwertungstechnik gekoppelt. Vorzugsweise umfasst dabei die Biogasverwertungstechnik ein Blockheizkraftwerk. Bevorzugt ist die Anlage für eine Biogasproduktivität von mehr als 0,3 m³/h pro m³ Volumen des anaeroben Reaktionsbehälters ausgelegt, vorzugsweise für mehr als 0,2 m³/h und am stärksten bevorzugt für 0,16 m³/h. Durch diese Flexibilität und Unempfindlichkeit gegenüber schwankenden Belastungen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für den Einsatz in den Bereichen, in denen die wirtschaftlichste Art der Abwasserentsorgung bisher lediglich über die kommunalen Entsorger (Kläranlagen) realisiert werden konnte. Die zahlreichen Untersuchungen zur Belastbarkeit und Prozessstabilität zeigen somit eine sehr hohe Toleranz gegenüber Stoßbelastungen (kurzfristige Stoßbefüllung des Reaktors mit stark belasteten Flüssigkeiten) und Raumbelastungen bis über 20 kg_CSB pro m³ Reaktorvolumen und Tag. Entsprechend ist die Anlage für Raumbelastungen von mehr als 20 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag, stärker bevorzugt für Raumbelastungen von mehr als 10 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag, und am stärksten bevorzugt für Raumbelastungen von mehr als 3,9 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag ausgelegt. Eine weitere Innovation stellt die Behandlungstemperatur dar. Die Anreicherung bzw. Rückhaltung der syntrophen Lebensgemeinschaften im Festbett ermöglicht eine effektive Vergärung auch bei relativ niedrigen Temperaturen (psychrophil: < 25°C), da eine deutlich verlangsamte Neubildung der Mikroorganismen nahezu keinen negativen Einfluss auf die Abbauleistung hat. Eigene Untersuchungen mit dem anaeroben Festbettreaktor belegen, dass bei stark organisch belastetem Niederschlagswasser (Mischwasser) trotz einer Vergärungstemperatur von 15°C über 90% der organischen Fracht reduziert werden kann (siehe Beispiel unten). In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Reaktionsbehälter konfiguriert, dass die Reduktion an organischer Belastung, gemessen als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) vor Eintritt in den zweiten Reaktionsbehälter im Bereich von 75–95% der anfänglichen Belastung liegt, vorzugsweise im Bereich von 80 bis mehr als 95% der anfänglichen Belastung, wie mindestens 85%, mindestens 86%, mindestens 87%, mindestens 88%, mindestens 89%, mindestens 90%, mindestens 91%, mindestens 92%, mindestens 93%, mindestens 94%, mindestens 95%, und bis zu 96%, oder sogar 97%. Der Grenzwert für die wasserrechtliche Erlaubnis zur Einleitung in Gewässer von 110 mg_CSB/L kann damit sicher eingehalten werden. In Anbetracht der oft geringen Energiegewinnung aus Abwasser und bei diesem Verfahren niedrigen bzw. keinen Heizkosten kann die anaerobe Abwasserbehandlung in psychrophilem Temperaturbereich (< 25°C) wirtschaftlich sehr vorteilhaft sein. Daher ist der erste Reaktionsbehälter vorzugsweise ausgestaltet, bei einer Temperatur von 5–55°C betrieben zu werden, vorzugsweise bei einer Temperatur von 5–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 10–20°C, und am stärksten bevorzugt bei 15°C. Diese Vorteile ermöglichen neue Lösungsansätze für zahlreiche Problemfelder im Bereich der dezentralen Abwasserreinigung und als Optimierungsmöglichkeit der kommunalen Kläranlagentechnik. So können Lösungen mit deutlich kleinerem Reaktorvolumen und ohne aufwendige Beheizung modular realisiert werden. Insbesondere ist es mit der Technologie möglich, auch Abwässer zu nutzen, die bisher mit herkömmlichen Verfahren nur unter hohem Energieaufwand und daher unwirtschaftlich gereinigt werden können.
Nitrifikation und Abbau der restlichen Organik im Tropfkörper (aerob)
Zusätzlich wird ein weitest gehender Organikabbau und als zusätzlicher Teilschritt die Stickstoffeliminierung (Oxidation des Ammoniak zu Nitrat) durch Erweiterung des Konzeptes um eine weitere Stufe erreicht. Der Abbau der organischen Fracht von über 97% wird dabei durch eine aerobe Nachbehandlung mittels Tropfkörper erreicht und erfordert keinen zusätzlichen energieintensiven Sauerstoffeintrag durch Belüftung. Daher ist der zweite Reaktionsbehälter in einer bevorzugten Ausführungsform eine Tropfkörperanlage. Der Tropfkörper dient der Endreinigung in Bezug auf die Kohlenstoffverbindungen und der Oxidation des im Abwassers enthaltenen Stickstoffs zum Nitrat. Die Tropfkörper sind verfahrenstechnisch unkompliziert, da keine Rückführung von Biomasse erfolgt. 4 zeigt das Verfahrensprinzip einer Tropfkörperanlage. Das Verfahrensprinzip ähnelt dem der anaeroben Festbettverfahren insofern, als dass die Mikroorganismen im System gehalten werden und einen Bewuchs auf den festen Oberflächen von Füllmaterialien bilden. In eigenen Untersuchungen wurden gleiche Füllkörper wie in dem anaeroben Festbettreaktor eingesetzt. Bevorzugt ist dabei der zweite Reaktionsbehälter zu 70%, vorzugsweise zu 75% und am stärksten bevorzugt zu 80% mit dem Trägermaterial befüllt. Des weiteren weist das Trägermaterial in dem zweiten Reaktionsbehälter eine spezifische Oberfläche von mehr als 200 m²/m³, vorzugsweise mehr als 250 m²/m³, stärker bevorzugt mehr als 300 m²/m³ und am stärksten bevorzugt mehr als 350 m²/m³ auf. Des weiteren ist der zweite Reaktionsbehälter/der Tropfkörper ausgestaltet, bei einer Temperatur von 10–30°C betrieben zu werden, vorzugsweise bei einer Temperatur von 10–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 15–20°C. Die Tropfkörper werden gleichmäßig von oben berieselt so dass das Abwasser über das Trägermaterial in Richtung Boden des Behälters tropft, vorzugsweise während Luft im Aufstrom die Tropfkörperschüttung passiv durchströmt. Das Abwasser kommt dabei mit verschiedenen Mikroorganismen in Kontakt. Der Abbau der organischen Stoffe erfolgt auf dem Fließweg des Abwassers von oben nach unten, so dass im Tropfkörper in den verschiedenen Höhen verschiedene Abbaubereiche mit unterschiedlichen Bakterien und Kleinstlebewesen angetroffen werden. Im oberen Bereich befinden sich bei entsprechender Belastung vorwiegend kohlenstoffabbauende Bakterien, im unteren Bereich siedeln sich stickstoffabbauende (Nitrifikanten) an (Förstner 2008). Das gereinigte Abwasser mit relativ geringem Feststoffanteil (abgetragene bzw. abgestorbene Mikroorganismen/Belebtschlamm) sedimentiert in dem konischen Behälterboden des Tropfkörperreaktors. Die Oxidation von Ammoniak erfolgt mittels molekularem Sauerstoff. Der Gesamtprozess lässt sich mit folgender Gleichung beschreiben: NH₃ + 2O₂ → NO^– ₃ + H⁺ + H₂O Der Tropfkörper wird als zweite biologische Reinigungsstufe verwendet. In der ersten Stufe werden im Wesentlichen die Kohlenstoffverbindungen (organische Verunreinigung gemessen als CSB) vermindert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Reaktionsbehälter so konfiguriert, dass die Reduktion an organischer Belastung, gemessen als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), nach Austritt aus dem zweiten Reaktionsbehälter mehr als 95% der anfänglichen Belastung beträgt, vorzugsweise mehr als 96%, und am stärksten bevorzugt mehr als 97% der anfänglichen Belastung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Tropfkörper für mehr als 1,9 kg_N Nitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag geeignet.
Denitrifikation und Belebungsschlammabbau durch Teilstromrückführung in dem Festbettreaktor (anaerob)
Die Denitrifikation erfolgt durch Teilstromrückführung parallel zur Biogasbildung im anaeroben Festbettreaktor. Durch Rezirkulation des Ablaufs des Tropfkörpers in die erste Stufe, in der für die Denitrifikation geeignete Milieubedingungen vorherrschen, kann eine nahezu vollständige Stickstoffentfernung erreicht werden. Ein Reaktor mit einem anaeroben Milieu, neutralem pH-Wertbereich und einer im Zulauf vorhandenen Kohlenstoffquelle bietet dafür nahezu ideale Bedingungen (Tippkötter 2010). Bei der Denitrifikation handelt es sich um eine Form der anaeroben Atmung, die auch als Nitratatmung bezeichnet wird. Sie läuft in mehreren Reaktionsschritten ab:
1. Nitratreduktase:

NO^– ₃ + 2H⁺ + 2e^– → NO^– ₂ + H₂O

2. Nitritreduktase:

NO^– ₂ + 2H^– + e^– → NO + H₂O

3. Stickstoffmonoxid-Reduktase:

2NO + 2H⁺ + 2e^– → N₂O + H₂O

4. Distickstoffmonoxid-Reduktase:

N₂O + 2H⁺ + 2e^– → N₂ – H₂O

Nach einer entsprechenden Adaption von bestimmten heterotrophen und einigen autotrophen Bakterien, die als Denitrifikanten bezeichnet werden, erfolgt der Abbau von Nitrat zu molekularem Stickstoff direkt im anaeroben Festbett. Diese Verfahrensweise ist neu. Eine größere Toleranz bzw. Unempfindlichkeit gegenüber höheren hydraulischen Belastungen und Schwankungen sowie eine hohe Leistungsfähigkeit auch bei niedrigen Vergärungstemperaturen des Festbettreaktors macht eine derartige Prozessführung erst möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anlage für mehr als 1,3 kg_N Denitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag geeignet. Die Anlage ist dabei für ein hydraulische Durchsatzvolumen von 10–200 m³, wie 50–150 m³, 75–175 m³, 100–190 m³, oder 125–180 m³ ausgelegt. Die in der Praxis vielfach umgesetzten Durchflusssysteme der anaeroben Behandlungsstufen ermöglichen i. d. R. keine kurzen hydraulischen Aufenthaltszeiten und sind gegenüber Temperaturschwankungen deutlich empfindlicher. Die kurzen hydraulischen Verweilzeiten des Festbettreaktors ermöglichen damit eine Rezirkulation des Tropfkörperablaufes mit bis zu zweifacher Zulaufmenge. Durch diese Verfahrensweise wird gleichzeitig der im Tropfkörper gebildete Belebungsschlamm der anaeroben Behandlung unterzogen, was die zu entsorgende Schlammmenge weiter reduziert und zur Erhöhung des Gasbildungspotenzials beiträgt. Die Teilstromrückführung richtet sich nach den einzuhaltenden Grenzwerten für CSB- bzw. Ammonium- und Nitrat-Konzentrationen im gereinigten Wasser, wobei der Nitrat-Gehalt eine Regelgröße darstellt. Eine anaerobe Festbettanlage in einer Größe eines 40 Fuß-Containers kann beispielweise eine tägliche Behandlungskapazität von bis zu 180 m³ Abwässer bzw. 900 kg CSB-Fracht aufweisen. In folgender Tabelle sind die Betriebsdaten von beispielhaften Modulen aufgeführt. Tabelle 1: Betriebsdaten der einzelnen Module

Verfahren	Festbett	Festbett	Tropfkörperanlage	Tropfkörperanlage
Prozessbedingungen	anaerob	anaerob	aerob	aerob
∅ Reinigungsleistung:
Einwohnergleichwerte (EWG) max.	1000 EWG	2000 EWG	1000 EWG	2000 EWG
Chem. Sauerstofbedarf (CSB) Nitrifikation	ca. 175–450 kg/d	bis 900 kg/d	bis 100 kg/d bis 75 kg_N/d	bis 200 kg/d bis 150 kg_N/d
Denitrifikation	bis 60 kg_N/d	bis 120 kg_N/d
∅ hydraulisches Durchsatzvolumen	ca. 20–90 m³	bis 180 m³	bis 90 m³	bis 180 m³
Betriebstemperaturbereich	5–55°C	5–55°C	10–30°C	10–30°C
spez. Stromverbrauch (Pumpe, MSR)	0,2 kWh/m³ _Abwasser	0,3 kWh/m³ _Abwasser	0,2 kWh/m³ _Abwasser	0,3 kWh/m³ _Abwasser
Außenmaße des Containers:
Länge	6 m	12 m	6 m	12 m
Höhe	3,5 m	3,5 m	3 m	3 m
Breite	2,5 m	2,5 m	2,5 m	2,5 m
Gesamtvolumen	52 m³	105 m³	45 m³	90 m³
Arbeitsvolumen	45 m³	90 m³	40 m³	80 m³
spez. Festbettoberfläche	640 m²/m³	640 m²/m³	370 m²/m³	370 m²/m³
Biogasbildung max.
Biogasproduktivität	7,2 m³/h	14,4 m³/h	-	-
Methangehalt	78%	78%	-	-
Methanproduktion	5,6 m³/h	11,2 m³/h	-	-
Brennstoffleistung	56 kW	112 kW	-	-
BHKW-Leistung
el. Leistung	20 kW_el	40 kW_el	-	-
th. Leistung	22,5 kW_th	45 kW_th	-	-

Die Steuerung der kompletten Anlage umfasst sowohl die Installation behördlich vorgeschriebener Überwachungs- und Signaleinrichtungen als auch die Anbindung einzelner Komponenten wie z. B. der Pumpen an das Prozessleitsystem. Installationen zur Überwachung von zum Beispiel externen und internen Füllständen, Volumenströmen, Prozessparametern (wie pH, Temperatur, Redoxpotenzial und Leitfähigkeit), auftretenden Störungen oder zur Abfrage der allgemeinen Anlagenzustände ermöglichen eine ständige Überwachung bezüglich Sicherheit und Funktionalität. Hierüber wird eine erhöhte Sicherheit und Effizienz für den Betreiber erreicht. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Anlage auch eine Biogasverwertungstechnik. Beispiele für eine solche Technik sind Blockheizkraftwerke (BHKW) und für Biogas geeignete Heizthermen. Die Biogasverwertungstechnik richtet sich nach dem energetischen Potenzial des jeweiligen Abwassers und nach dem jeweiligen Bedarf. Das kleinste BHKW, das für die Anwendung in Frage kommt, hat eine Größe von 20 kW_el. Die Blockheizkraftwerke lassen sich in der Regel bis zu 50% der Nennleistung herunterregeln. Die BHKW-Technik hat sich in zahlreichen Anwendungen bewährt und ist auf dem Markt in allen Größen verfügbar. Das BHKW kann über eine Gasaufbereitung bis hin zur Kühlung bzw. einen Warmwasserkreislauf (zur Nutzung der thermischen Energie) und synchrone Netzeinspeisung vom erzeugten Strom, sowie über eine komplette Steuerung des BHKWs entsprechend dem Biogasanfall verfügen.
Die vorliegende Erfindung ist des Weiteren durch die folgenden Ausführungsformen beschrieben:

1. Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser mit einer organischen Belastung, gemessen als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), in dem Ammonium und Nitrat enthalten sind, umfassend die Schritte:
a) Abbauen der organischen Belastung mittels Mikroorganismen in einem anaeroben Reaktionsbehälter unter Erzeugung von Biogas;
b) Abbauen der restlichen organischen Belastung und Nitrifizierung des Ammonium in einem aeroben Reaktionsbehälter; und
c) Denitrifizieren und Belebungsschlammabbau durch Teilstromrückführung von nitrathaltigem Wasser und Belebungsschlamm in den anaeroben Reaktionsbehälter von Schritt (a).
2. Verfahren nach Ausführungsform 1, wobei die Verweilzeit im anaeroben Reaktionsbehälter von Schritt (a) zwischen 24 h und 0,5 h beträgt.
3. Verfahren nach Ausführungsform 1 oder 2, wobei Schritt (a) bei einer Temperatur von 5–55°C durchgeführt wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 5–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 10–20°C, und am stärksten bevorzugt bei 15°C.
4. Verfahren nach einem beliebigen der Ausführungsformen 1–3, wobei Schritt (b) bei einer Temperatur von 10–30°C durchgeführt wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 10–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 15–20°C.
5. Verfahren nach einem beliebigen der Ausführungsformen 1–4, wobei die Reduktion an organischer Belastung (CSB) nach Schritt (a) im Bereich von 75–95% der anfänglichen Belastung liegt, vorzugsweise im Bereich von 80 bis mehr als 95%.
6. Verfahren nach einem beliebigen der Ausführungsformen 1–5, wobei die die Reduktion an organischer Belastung (CSB) nach Schritt (b) mehr als 95% der anfänglichen Belastung beträgt, vorzugsweise mehr als 96%, und am stärksten bevorzugt mehr als 97%.
7. Verfahren nach einem beliebigen der Ausführungsformen 1–6, wobei die Teilstromrückführung in Schritt (c) nach den anhand von Grenzwerten für CSB-, Ammonium- und Nitratkonzentrationen im gereinigten Wasser eingestellt wird; und/oder wobei die Teilstromrückführung mit einer bis zu zweifachen Zulaufmenge erfolgt.
8. Verfahren nach einem beliebigen der Ausführungsformen 1–7, wobei das in Schritt (a) erzeugte Biogas zur Wärmegewinnung genutzt wird oder verstromt wird.
9. Verfahren nach einem beliebigen der Ausführungsformen 1–8, wobei das Verfahren für Raumbelastungen von mehr als 20 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag, bevorzugt von mehr als 10 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag und am stärksten bevorzugt von mehr als 3,9 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag; und/oder mehr als 1,3 kg_N Denitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag; und/oder mehr als 1,9 kg_N Nitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag geeignet ist.
10. Verfahren nach einem beliebigen der Ausführungsformen 1–9, wobei die Biogasproduktivität bei mehr als 0,3 m³/h pro m³ Volumen des anaeroben Reaktionsbehälters beträgt, vorzugsweise mehr als 0,2 m³/h und am stärksten bevorzugt 0,16 m³/h.
11. Verfahren nach einem beliebigen der Ausführungsformen 1–10, wobei der Methangehalt des Biogases mehr als 60% beträgt, vorzugsweise mehr als 65%, stärker bevorzugt mehr als 70%, noch stärker bevorzugt mehr als 75%, wie 78%.
12. Verfahren nach einem beliebigen der Ausführungsformen 1–11, wobei das hydraulische Durchsatzvolumen 10–200 m³ beträgt.
13. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser, umfassend
• einen ersten Reaktionsbehälter, der ausgestaltet ist, unter anaeroben Bedingungen betrieben zu werden, umfassend (i) einen Einlass für Abwasser; (ii) ein Trägermaterial, das für die Besiedelung und Rückhaltung von anaeroben Mikroorganismen und Nitrifikanten geeignet ist; (iii) einen Auslass auf der Kopfseite, der ausgestaltet ist, dass das bei dem anaeroben Betrieb durch Mikroorganismen erzeugte Biogas abgeführt werden kann; und (iv) ein Absetzbecken, mit (1) einem Überlauf für das im ersten Reaktionsbehälter behandelte Abwasser, und (2) einem unteren Ablauf für sedimentierten Klärschlamm; wobei der Überlauf (1) mit
• einem zweiten Reaktionsbehälter verbunden ist, der ausgestaltet ist, unter aeroben Bedingungen betrieben zu werden und umfassend (i) ein Trägermaterial, das für die Besiedelung von Mikroorganismen und Nitrifikanten geeignet ist; sowie (ii) ein Absetzbecken, mit (1) einem Überlauf für das gereinigte Wasser und (2) einem unteren Ablauf für sedimentierten Belebungsschlamm aus dem zweiten Reaktionsbehälter, der in Form einer Teilstrom-Rückführung in den Einlass des ersten anaeroben Reaktionsbehälters rezirkuliert wird.
14. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach Ausführungsform 13, wobei der erste Reaktionsbehälter konfiguriert ist, im Aufstrom betrieben zu werden, und vorzugsweise am Boden Einlaufdüsen aufweist, durch die das Abwasser gleichmäßig einströmt.
15. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach Ausführungsform 13 oder 14, wobei der erste Reaktionsbehälter konfiguriert ist, dass die Verweilzeit im anaeroben Reaktionsbehälter zwischen 24 h und 0,5 h beträgt.
16. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–15, wobei der erste Reaktionsbehälter ausgestaltet ist, bei einer Temperatur von 5–55°C betrieben zu werden, vorzugsweise bei einer Temperatur von 5–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 10–20°C, und am stärksten bevorzugt bei 15°C.
17. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–16, wobei der erste Reaktionsbehälter konfiguriert ist, dass die Reduktion an organischer Belastung, gemessen als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) vor Eintritt in den zweiten Reaktionsbehälter im Bereich von 75–95% der anfänglichen Belastung liegt, vorzugsweise im Bereich von 80 bis mehr als 95% der anfänglichen Belastung.
18. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–17, wobei der zweite Reaktionsbehälter ausgestaltet ist, bei einer Temperatur von 10–30°C betrieben zu werden, vorzugsweise bei einer Temperatur von 10–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 15–20°C.
19. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–18, wobei der zweite Reaktionsbehälter konfiguriert ist, dass die Reduktion an organischer Belastung, gemessen als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), nach Austritt in den zweiten Reaktionsbehälter mehr als 95% der anfänglichen Belastung beträgt, vorzugsweise mehr als 96%, und am stärksten bevorzugt mehr als 97% der anfänglichen Belastung.
20. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–19, wobei der erste und/oder der zweite Reaktionsbehälter zu 70%, vorzugsweise zu 75% und am stärksten bevorzugt zu 80% mit dem Trägermaterial befüllt ist.
21. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–20, wobei das Trägermaterial in dem ersten Reaktionsbehälter eine spezifische Oberfläche von mehr als 300 m²/m³, vorzugsweise mehr als 400 m²/m³, stärker bevorzugt mehr als 500 m²/m³ und am stärksten bevorzugt mehr als 600 m²/m³ aufweist.
22. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–21, wobei das Trägermaterial in dem zweiten Reaktionsbehälter eine spezifische Oberfläche von mehr als 200 m²/m³, vorzugsweise mehr als 250 m²/m³, stärker bevorzugt mehr als 300 m²/m³ und am stärksten bevorzugt mehr als 350 m²/m³ aufweist.
23. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–22, wobei der zweite Reaktionsbehälter eine Tropfkörperanlage ist.
24. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach Ausführungsform 23, wobei der Tropfkörper durch eine Berieselungsanlage gleichmäßig von oben berieselt wird, so dass das Abwasser über das Trägermaterial in Richtung Boden des Behälters tropft, vorzugsweise wobei Luft im Aufstrom die Tropfkörperschüttung durchströmt.
25. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–24, wobei der Auslass für das Biogas des ersten Reaktionsbehälters mit einem Gasspeicher und/oder einer Biogasverwertungstechnik gekoppelt ist, vorzugsweise wobei die Biogasverwertungstechnik ein Blockheizkraftwerk umfasst.
26. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–25, wobei die Anlage für Raumbelastungen von mehr als 20 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag bevorzugt von mehr als 10 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag und am stärksten bevorzugt von mehr als 3,9 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag; und/oder mehr als 1,3 kg_N Denitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag; und/oder mehr als 1,9 kg_N Nitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag geeignet ist.
27. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–26, wobei die Anlage für eine Biogasproduktivität von mehr als 0,3 m³/h pro m³ Volumen des anaeroben Reaktionsbehälters beträgt, vorzugsweise mehr als 0,2 m³/h und am stärksten bevorzugt 0,16 m³/h
28. Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–27, wobei das hydraulische Durchsatzvolumen 10–200 m³ beträgt.
29. Verwendung einer Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ausführungsformen 13–28 in einem Verfahren nach einem beliebigen der Ausführungsformen 1–12.

Beschreibung der Zeichnungen
1: Belebtschlammverfahren im Durchlaufbetrieb.
2: Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur biologischen Abwasserbehandlung; 1: Organikabbau, 2: Nitrifikation und Organikabbau, 3: Denitrifikation.
3: Verfahrensfließbild des Festbettreaktors.
4: Verfahrensfließbild einer Tropfkörperanlage.
5: Methanproduktion in Abhängigkeit von der Fütterung.
6: Zeitliche Entwicklung der Projektkostenbarwerte für Alternativen.
Das folgende Beispiel ist beabsichtigt die vorliegende Erfindung weiter zu veranschaulichen, sollte jedoch nicht als die Erfindung beschränkend ausgelegt werden.
Beispiel
Ein anaerober Festbettreaktor gemäß der erfindungsgemäßen Versuchsanlage wurde in die Infrastruktur eines Getränkeherstellers integriert um sie dort mit den anfallenden Abwässern betreiben zu können. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass das eingesetzte Vergärungsverfahren in der Lage ist, die organische Fracht im Abwasser, auch bei sehr schwankenden und relativ geringen Konzentrationen, deutlich zu reduzieren und dabei zusätzliche positive Effekte, wie Strom- und Wärmeerzeugung, zu erzielen.
Die Abwässer des Getränkeherstellers entstehen durch die Spülvorgänge in der Flaschenbefüllungsanlage, Spülung der Behälter und durch Auslaufen von Saftkonzentrat. Die organische Belastung, die hauptsächlich aus Saftresten und cellulosehaltigen Bestandteilen aus Etiketten und deren Leimung entsteht, beträgt durchschnittlich 2.700 mg_CSB/l (Bereich: 1.500 bis 4.500 mg_CSB/l). Die jährliche Abwassermenge, die vor der Einleitung in das kommunale Abwassersystem aufwändig in der betriebseigenen Kläranlage behandelt werden muss, beträgt ca. 90.000 m³. Die organische Fracht beträgt damit jährlich ca. 243 Tonnen-CSB. Die Abwässer werden derzeit in einer betriebseigenen Kläranlage gereinigt und in das kommunale Abwassersystem eingeleitet. Dabei muss der gesetzliche Grenzwert von 110 mg_CSB/l eingehalten werden. Bei Nichteinhaltung dieses Grenzwertes würden nach Satzung der zuständigen Kläranlage Kosten in Höhe von 3,3 €/m³ anfallen. Die genannten Abwässer weisen eine stark schwankende organische Fracht auf und fallen diskontinuierlich während der Produktion an, d. h. im Zwei-Schichtbetrieb oder in Drei-Schichtbetrieb, abhängig von der Auftragslage, sowie an 5 Tagen pro Woche. Bei einer Produktionsumstellung, einer Wartung der Abfüllanlage, in den Betriebsferien und an Feiertagen wird die Produktion oft für mehrere Tage eingestellt. Vor diesem Hintergrund wurde die Betriebsweise der Versuchsanlage dem Produktionsprozess des Getränkeherstellers angepasst und betrieben. Die Vergärungsanlage wurde dabei entsprechend dem Abwasseranfall, unter Berücksichtigung der Tages- und Wochenschwankungen, beschickt. Die Biogasproduktion kann gut über die Fütterungsintervalle gesteuert werden, sodass während des Produktionsstillstandes deutlich weniger Gas produziert wird. Da der Abwasseranfall mit der Produktion kongruent (zeitgleich) ist, erweist sich diese Betriebsweise als besonders sinnvoll, da die produzierte Energie aus Biogas direkt im Betrieb verwendet werden kann. Die so vergorenen Abwässer weisen Ablaufkonzentration von unter 200 mg_CSB/l auf, was einer Abbauleistung der organischen Fracht von über 90% entspricht. Um die Abwässer im Ablauf unter den gesetzlichen Grenzwert zu bekommen, ist die Nachbehandlung in der bestehenden Kläranlage sinnvoll. Die zunächst eingestellte Verweilzeit in den Beschickungsintervallen von 12 Stunden lag bei etwa 11 Stunden. Anschließend wurde die Beschickung an die Produktionszeiten des Saftherstellers angepasst und optimiert. Die Beschickung an jeweils fünf Tagen in der Woche bei einer Verweilzeit von 18 Stunden wirkte sich auf die Gasproduktion und Abbauleistung positiv aus. Die große Schwankungsbreite der organischen Belastung des Abwassers spiegelte sich in der Raumbelastung wider, die zwischen 2 und 7 kg_CSB/(m³·d) betragen kann. Die Versuchsanlage wurde über mehrere Monate flexibel betrieben, so dass die Zuverlässigkeit der Ergebnisse gegeben ist. Die Schwankungen der organischen Fracht und die wechselnden Beschickungszeiten verkraftet die Prozessbiologie problemlos. Um die Abhängigkeit der Methanproduktion von der Beschickung beurteilen zu können, werden Durchschnittswerte der untersuchten Periode gebildet und in 5 dargestellt. Die Gasproduktion lässt sich so kurzfristig innerhalb von 5 Stunden auf 90% der maximalen Gasproduktion hochfahren. Nach dem Aussetzen der Fütterung kann die Biogasproduktion innerhalb von etwa 8 Stunden auf 10% der maximalen Gasbildung reduziert werden. Die erzielte Flexibilität reicht in Kombination mit einem Biogas-Speicher aus, um Tages- und Wochenlastprofile abfahren zu können. Für diese Betriebsweise wäre ein BHKW mit einer elektrischen Leistung von 60 kW notwendig. Somit ist unter der Prämisse der ermittelten Gaserträge eine jährliche Stromerzeugung von ca. 275.560 kWh möglich. Eine flexible Betriebsweise ermöglicht die Nutzung der erzeugten Strommengen im Produktionsprozess des Unternehmens. Der Kostenvergleich wird in Anlehnung auf die „Leitlinie zur Durchführung dynamischer Kostenvergleichsrechnungen” (KVR-Leitlinie von DWA 2012) durchgeführt. Die Kostenvergleichsrechnung stellt ein Bewertungsverfahren der wasserwirtschaftlichen Fachplanung dar. Sie stellt die Grundlage für Investitionsentscheidungen sowie für begleitende und abschließende Erfolgskontrolle dar. Das Bewertungsverfahren liefert damit allein die Aussage über die kostenmäßige Vorteilhaftigkeit einer Alternative beim Vergleich unterschiedlicher Möglichkeiten. Insgesamt werden drei Alternativen miteinander verglichen und ermöglichen eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des untersuchten Verfahrens. Als Alternative 1 wird die Fortführung der aktuellen Abwasserreinigung mittels Belebschlammverfahren untersucht (betriebliche Kläranlage des Getränkeherstellers). Die zweite Alternative ist das untersuchte Verfahren (anaerobe Behandlungsstufe) mit aerober Nachbehandlung (Belebschlammverfahren). Die dritte Möglichkeit (Alternative 3) stellt die Indirekteinleitung der verunreinigten Abwässer in den kommunalen Abwasserkanal dar. Der Kostenvergleich der drei Möglichkeiten belegt einen eindeutigen Vorteil der zweiten Alternative. Die spezifischen Behandlungskosten der vorgeschlagenen Alternative 2 sind um mindestens 40% geringer als die aktuellen Behandlungskosten von ca. 1,11 €/m³. Die alternative Einleitung der Abwässer ohne Vorbehandlung ist die mit Abstand teuerste Variante. In 6 ist der zeitliche Verlauf der Projektkostenbarwerte für alle drei Alternativen dargestellt. Bereits im sechsten Untersuchungsjahr würden bei Einsatz der Alternative 2 Kostenvorteil von über 59.000 € im Vergleich zur aktuellen Möglichkeit entstehen. Zwar kommt es in Jahren zu einem Kostenanstieg durch Reinvestition bei der Alternative 2, dennoch bleibt die Alternative kostengünstiger als die Fortführung der bestehenden Praxis. Der geringere Energieeinsatz und zusätzliche Gewinne bzw. Einsparungen aus der Stromerzeugung machen die betriebliche Abwasserbehandlung mit dem Vergärungsverfahren deutlich wirtschaftlicher als eine rein aerobe Abwasserreinigung. Bei der vorliegenden Erfindung werden durch die Biogasproduktion und -verwertung zur Eigenstromerzeugung Ressourcen geschont sowie der Belebungsschlamm durch die Teilstromrückführung weiter reduziert und damit ein zusätzlicher Nutzen erzielt, der in der Kostenvergleichsrechnung nicht berücksichtigt ist.
Referenzen

EP 247 212
EP 593 834

ATV-DVWK-M 368 2003	ATV-DVWK-M 368: Biologische Stabilisierung von Klärschlamm. Merkblatt; Verlag: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall; Auflage: 1., Aufl. (23. April 2003); ISBN-13: 978-3924063528
BAG BIOGAS 1983	Arbeitsgruppe der BAG BIOGAS, Bundesarbeitsgemeinschaft BIOGAS: „Landwirtschaftliche Biogasanalgen für den Eigenbau", Verlag + Vertrieb Biogasgruppe Hamburg, 1983
Bischofsberger et al. 2005	Bischofsberger, W.; Dichtl, N.; Rosenwinkel, K.-H.; Seyfried, C. F.: „Anaerobtechnik", Springer Verlag Berlin, Heidelberg 2005
Brunstermann 2010	Brunstermann, R.: "Entwicklung eines zweistufigen anaeroben Verfahrens zur kontinuierlichen Wasserstoff- und Methanerzeu-gung aus organischen Abfällen und Abwässern", Shaker Verlag, Aachen 2010
Elmitwalli 2000	Elmitwalli T.: Anaerobic Treatment of Domestic Sewage at Low Temperature. Department of Environmental Technology. PhD: 113. University of Wageningen, Wageningen 2000
Förstner 2008	Förstner U.: Umweltschutztechnik, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-77882-0
Gleixner u. Reitberger 1999	Gleixner A. J., Reitberger S.: Einsparpotentiale durch anaerobe Abwasserbehandlung, INNOVAS GbR, Vortrag im Zentrum Energie, Leipzig 1999
Horn et al. 2009	Horn H., Günthert F. W., Holtorff M. S., Bischof F., Chwistek M.: Schlussbericht – Endversion Forschungsvorhaben „Kläranlage der Zukunft" – Themenbereiche Faulgasproduktion, Anaerobtechnik und Deammonifikation; 76 e 97; 14.12.2009
Jakob u. Siekmann 2008	Jakob J., Siekmann K.: Energieoptimierte Klärschlammbehandlung durch Umstellung der Verfahrensführung auf der Kläranlage Linz-Unkel mittels 2-stufiger Kompaktfaulung; 13. Kölner Kanal und Kläranlagen Kolloquium 17. und 18. Oktober 2012 im Maternushaus, Köln. Hrsg.: TH Aachen, Institut für Siedlungswasserwirtschaft – ISA-Aachen, Selbstverlag 2012, ISBN: 978-3-938996-09-6
Kozariszczuk 2002	Kozariszczuk, M.: "Anaerobe Behandlung von Rübenmelasse-schlempe in Festbettreaktoren mit verschiedenen Trägermaterialien", Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin, Berlin 2002
Kroiss 2005	Kroiss, H., Svardal K.: "Einflussfaktoren auf die anaeroben biologischen Abbauvorgänge. In BÖHNKE B. (Hrsg.): Anaerobtechnik. 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2005.
Lettinga 1999	Lettinga, G., Rebac, S., Parshina, S., Nozhevnikova, A., van Lier, J. B., Stams, A. J. M.: "High-Rate Anaerobic Treatment of Wastewater at Low Temperatures", American Society for Microbiology, Accepted January 14, 1999
Linke 2006	Linke, B., Vollmer, G., Mähnert, P.: "Schlussbericht zum Verbundvorhaben "Kinetik der Biogasgewinnung aus nachwachsen- den Rohstoffen bei kontinuierlicher Prozessführung als Grundlage für die Bemessung von landwirtschaftlichen Biogasanlagen", Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. Gülzow 2006
Mudrack u. Kunst 1991	Mudrack, K., Kunst, S., Biologie der Abwasserreinigung, 3. Auflage, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart 1991
Saake 1986	Saake, M.: "Abscheidung und Rückhaltung der Biomasse beim anaeroben Belebungsverfahren und in Festbett-Reaktoren", Veröffentlichungen des Institutes für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universität Hannover, Hannover 1986
Tippkötter 2010	Tippkötter N.: Reaktionssysteme zur Aufarbeitung und Umsetzung nachwachsender Rohstoffe; Logos Verlag Berlin 2010 ISBN 978-3-8325-2717-4
Van Lier 2008	Van Lier, J. B.: High-rate anaerobic wastewater treatment: diversifying from end-of-pipe treatment to resourceoriented conversion techniques, Water Sci. Technol. 57, 2008, S. 1137–1148
Warthmann et al. 2010	Warthmann R., Kühni M., Baier U.: Anaerobe Behandlung kommunaler Abwässer in der Schweiz, Abschlussbericht, (Hrgb.) Bundesamt für Energie BFE, Bern 2010
Weiland 2001	Weiland, P.: Grundlagen der Methangärung –Biologie uns Substrate; VDI-Berichte, Nr. 1620 "Biogas als regenerative Energie – Stand und Perspektiven"; VDI-Verlag 2001.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 593834 [0004]
EP 247212 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Saake 1986 [0002]
Mudrack und Kunst 2005 [0003]
Weiland 2001 [0003]
Brunstermann 2010 [0003]
Weiland 2001 [0003]
Kozariszczuk 2002 [0003]
Bischofsberger et al. (2005) [0003]
Kroiss et al. (2005) [0003]
Linke et al. 2006 [0003]
Linke et al. 2006 [0003]
Linke et al. 2006 [0003]
BAG BIOGAS 1983 [0003]
Lettinga et al. (1999) [0003]
Warthmann et al. 2010 [0004]
van Lier 2008 [0004]
Gleixner u. Reitberger 1999 [0004]
Warthmann et al. 2010 [0004]
Horn et al. 2009 [0004]
Jakob u. Siekmann 2008 [0004]
ATV-DVWK-M 368 2003 [0004]
ISO 6060:1989 [0009]
Elmitwalli et al. 2000 [0011]
Förstner 2008 [0012]
Tippkötter 2010 [0013]
KVR-Leitlinie von DWA 2012 [0026]

Claims

Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser mit einer organischen Belastung, gemessen als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), in dem Ammonium und Nitrat enthalten sind, umfassend die Schritte: (a) Abbauen der organischen Belastung mittels Mikroorganismen in einem anaeroben Reaktionsbehälter unter Erzeugung von Biogas; (b) Abbauen der restlichen organischen Belastung und Nitrifizierung des Ammonium in einem aeroben Reaktionsbehälter; und (c) Denitrifizieren und Belebungsschlammabbau durch Teilstromrückführung von nitrathaltigem Wasser und Belebungsschlamm in den anaeroben Reaktionsbehälter von Schritt (a).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verweilzeit im anaeroben Reaktionsbehälter von Schritt (a) zwischen 24 h und 0,5 h beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Schritt (a) bei einer Temperatur von 5–55°C durchgeführt wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 5–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 10–20°C, und am stärksten bevorzugt bei 15°C; und/oder wobei Schritt (b) bei einer Temperatur von 10–30°C durchgeführt wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 10–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 15–20°C.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1–3, wobei die Reduktion an organischer Belastung (CSB) nach Schritt (a) im Bereich von 75–95% der anfänglichen Belastung liegt, vorzugsweise im Bereich von 80 bis mehr als 95%; und/oder wobei die die Reduktion an organischer Belastung (CSB) nach Schritt (b) mehr als 95% der anfänglichen Belastung beträgt, vorzugsweise mehr als 96%, und am stärksten bevorzugt mehr als 97%.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1–4, wobei (i) das Verfahren für Raumbelastungen von mehr als 20 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag, bevorzugt von mehr als 10 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag und am stärksten bevorzugt von mehr als 3,9 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag geeignet ist; und/oder (ii) das Verfahren für mehr als 1,3 kg_N Denitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag; und/oder mehr als 1,9 kg_N Nitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag geeignet ist; und/oder (iii) das hydraulische Durchsatzvolumen 10–200 m³ beträgt.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1–5, wobei (i) die Biogasproduktivität bei mehr als 0,3 m³/h pro m³ Volumen des anaeroben Reaktionsbehälters beträgt, vorzugsweise mehr als 0,2 m³/h und am stärksten bevorzugt 0,16 m³/h; und/oder (ii) der Methangehalt des Biogases mehr als 60% beträgt, vorzugsweise mehr als 65%, stärker bevorzugt mehr als 70%, noch stärker bevorzugt mehr als 75%, wie 78%; und/oder (iii) das in Schritt (a) erzeugte Biogas zur Wärmegewinnung genutzt wird oder verstromt wird.
Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser, umfassend a) einen ersten Reaktionsbehälter, der ausgestaltet ist, unter anaeroben Bedingungen betrieben zu werden, umfassend (i) einen Einlass für Abwasser; (ii) ein Trägermaterial, das für die Besiedelung und Rückhaltung von anaeroben Mikroorganismen und Nitrifikanten geeignet ist; (iii) einen Auslass auf der Kopfseite, der ausgestaltet ist, dass das bei dem anaeroben Betrieb durch Mikroorganismen erzeugte Biogas abgeführt werden kann; und (iv) ein Absetzbecken, mit (1) einem Überlauf für das im ersten Reaktionsbehälter behandelte Abwasser, und (2) einem unteren Ablauf für sedimentierten Klärschlamm; wobei der Überlauf (1) mit b) einem zweiten Reaktionsbehälter verbunden ist, der ausgestaltet ist, unter aeroben Bedingungen betrieben zu werden und umfassend (i) ein Trägermaterial, das für die Besiedelung von Mikroorganismen und Nitrifikanten geeignet ist; sowie (ii) ein Absetzbecken, mit (1) einem Überlauf für das gereinigte Wasser und (2) einem unteren Ablauf für sedimentierten Belebungsschlamm aus dem zweiten Reaktionsbehälter, der in Form einer Teilstrom-Rückführung in den Einlass des ersten anaeroben Reaktionsbehälters rezirkuliert wird.
Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach Anspruch 7, wobei der erste Reaktionsbehälter konfiguriert ist, im Aufstrom betrieben zu werden, und vorzugsweise am Boden Einlaufdüsen aufweist, durch die das Abwasser gleichmäßig einströmt; und/oder wobei der erste Reaktionsbehälter konfiguriert ist, dass die Verweilzeit im anaeroben Reaktionsbehälter zwischen 24 h und 0,5 h beträgt.
Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ansprüche 7–8, wobei der erste Reaktionsbehälter ausgestaltet ist, bei einer Temperatur von 5–55°C betrieben zu werden, vorzugsweise bei einer Temperatur von 5–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 10–20°C, und am stärksten bevorzugt bei 15°C; und/oder wobei der zweite Reaktionsbehälter ausgestaltet ist, bei einer Temperatur von 10–30°C betrieben zu werden, vorzugsweise bei einer Temperatur von 10–25°C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 15–20°C.
Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ansprüche 7–9, wobei der erste Reaktionsbehälter konfiguriert ist, dass die Reduktion an organischer Belastung, gemessen als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) vor Eintritt in den zweiten Reaktionsbehälter im Bereich von 75–95% der anfänglichen Belastung liegt, vorzugsweise im Bereich von 80 bis mehr als 95% der anfänglichen Belastung; und/oder wobei der zweite Reaktionsbehälter konfiguriert ist, dass die Reduktion an organischer Belastung, gemessen als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), nach Austritt in den zweiten Reaktionsbehälter mehr als 95% der anfänglichen Belastung beträgt, vorzugsweise mehr als 96%, und am stärksten bevorzugt mehr als 97% der anfänglichen Belastung.
Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ansprüche 7–10, wobei der erste und/oder der zweite Reaktionsbehälter zu 70%, vorzugsweise zu 75% und am stärksten bevorzugt zu 80% mit dem Trägermaterial befüllt ist.
Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ansprüche 7–11, wobei das Trägermaterial in dem ersten Reaktionsbehälter eine spezifische Oberfläche von mehr als 300 m²/m³, vorzugsweise mehr als 400 m²/m³, stärker bevorzugt mehr als 500 m²/m³ und am stärksten bevorzugt mehr als 600 m²/m³ aufweist; und/oder wobei das Trägermaterial in dem zweiten Reaktionsbehälter eine spezifische Oberfläche von mehr als 200 m²/m³, vorzugsweise mehr als 250 m²/m³, starker bevorzugt mehr als 300 m²/m³ und am stärksten bevorzugt mehr als 350 m²/m³ aufweist.
Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ansprüche 7–12, wobei der zweite Reaktionsbehälter eine Tropfkörperanlage ist; insbesondere wobei der Tropfkörper durch eine Berieselungsanlage gleichmäßig von oben berieselt wird, so dass das Abwasser über das Trägermaterial in Richtung Boden des Behälters tropft, vorzugsweise wobei Luft im Aufstrom die Tropfkörperschüttung durchströmt.
Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ansprüche 7–13, wobei die Anlage für eine Biogasproduktivität von mehr als 0,3 m³/h pro m³ Volumen des anaeroben Reaktionsbehälters geeignet ist, vorzugsweise mehr als 0,2 m³/h und am stärksten bevorzugt 0,16 m³/h; und gegebenenfalls wobei der Auslass für das Biogas des ersten Reaktionsbehälters mit einem Gasspeicher und/oder einer Biogasverwertungstechnik gekoppelt ist, vorzugsweise wobei die Biogasverwertungstechnik ein Blockheizkraftwerk umfasst.
Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ansprüche 7–14, wobei die Anlage (i) für Raumbelastungen von mehr als 20 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag bevorzugt von mehr als 10 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag und am stärksten bevorzugt von mehr als 3,9 kg_CSB pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag geeignet ist; und/oder (ii) für mehr als 1,3 kg_N Denitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag; und/oder mehr als 1,9 kg_N Nitrifikation pro m³ Reaktionsbehältervolumen und Tag geeignet ist; und/oder (iii) das hydraulische Durchsatzvolumen 10–200 m³ beträgt
Verwendung einer Anlage zur biologischen Reinigung von Abwasser nach einem beliebigen der Ansprüche 7–15 in einem Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1–6.