DE102016224229A1

DE102016224229A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Abwasser

Info

Publication number: DE102016224229A1
Application number: DE102016224229.6A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Fws GmbH
Current assignee: Fws GmbH
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2018-06-07
Also published as: EP3551584A1; WO2018104255A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kläranlage unter Berücksichtigung von Wetterprognosen. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine Kläranlage zur Durchführung des Verfahrens und ein zugehöriges Computerprogrammprodukt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Kläranlage unter Berücksichtigung von Wetterprognosen, eine mobile Kläranlage zur Durchführung dieses Verfahrens und ein zugehöriges Computerprogrammprodukt.
Hintergrund der Erfindung
Kläranlagen und insbesondere mobile Kläranlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Gerade im landwirtschaftlichen Bereich fallen durch die Massentierhaltung erhebliche Mengen an Gülle an. Damit ist die Entsorgung von Gülle inzwischen zu einem gravierenden Problem für viele Landwirte geworden - und zu einem Millionengeschäft für Vermittler und Entsorgungs-unternehmen, die die Gülle oft über weite Strecken zu „Verbrauchern“, wie Biogasanlagen oder Betriebe mit Düngerbedarf transportieren.
So sollen im Jahre 2012 allein in Niedersachen als einem Agrarland mit hoher Tierdichte ca. 47 Millionen Tonnen Gülle und Jauche angefallen sein (Angaben der Landwirtschaftskammer Niedersachsen). Daher sind die Bauern verpflichtet, den Behörden genügend Flächen nachzuweisen, auf denen sie ihre Gülle ausbringen können. Trotzdem kommt es in vielen Regionen zur Überdüngung, die immer auch eine Gefahr für das Trinkwasser bedeutet. Denn die Gülle ist reich an Nitrat und Phosphat und bei übermäßiger Dosierung versickern diese Salze und belasten auch das Grundwasser.
Es besteht daher für die Landwirte die Notwendigkeit, selber eine Klärung ihrer landwirtschaftlichen Abwässer vorzunehmen. Hierzu sind entsprechende Kläranlagen entwickelt worden, die aber in ihrem Klärverfahren zu teuer sind, um bei dem bestehenden Preisdruck auf landwirtschaftliche Produkte eine wirtschaftliche Alternative darzustellen. Hierbei ist es insbesondere notwendig, angesichts der abhängig vom Niederschlag stark schwankenden Abwassermengen für eine ausreichende Prozesssicherheit zu sorgen.
Die DE 298 12 751 U1 offenbart hierzu eine mehrstufige Kleinkläranlage für häusliche Abwasser, bei der durch die Kombination von Vorspeicher und Bioreaktor in einem Behälter, wobei der jeweils vorgeschaltete Klärbehälter zugleich Vorspeicher für den nachgeschalteten Klärbehälter ist, erhöhte Leitungsreserven erzielt werden sollen. Nachteilig ist hier die Verwendung zusätzlicher Behälter und die Tatsache, dass die Kombination von Bioreaktor und Vorspeicherbehälter in einem Behälter die Reinigungsfähigkeit reduziert.
Es besteht daher ein Bedarf nach wirtschaftlich arbeitenden Kläranlagen und Verfahren zur ihrer Anwendung, die den starken Schwankungen in der anfallenden Wassermenge gerecht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eine Kläranlage und insbesondere einer mobilen Kläranlage zur Klärung von landwirtschaftlichen Abwässern bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für die Steuerung einer Kläranlage mit optional mindestens einem Vorspeicherbehälter, einem biologischen Behälter und einem Nachklärbehälter zur biologischen Reinigung organisch belasteter Abwässer zur Verfügung gestellt, dass die folgenden Schritte umfasst:

(a) Bereitstellung von Daten zur Wettervorhersage, umfassend Daten zur Niederschlagswahrscheinlichkeit und/oder Tauwetterwahrscheinlichkeit;
(b) Ansteuerung der Kläranlage bei Vorhersage einer erhöhten Regenmenge oder Schmelzwassermenge in der Weise, dass die Wassermenge in dem Vorspeicherbehälter und/oder in der biologischen Stufe reduziert wird.

Durch die Einbeziehung von Daten zur Vorhersage von Niederschlägen oder Schmelzwasser kann der Betrieb der Kläranlage an die dann zur erwartenden größeren Abwassermengen angepasst werden. Hierbei wird die Anlage so angesteuert, dass ihre Aufnahmekapazität für Abwasser erhöht, oder sogar maximiert wird.
Dies kann dadurch geschehen, dass die Anlage, an Tagen bevor Regen oder eine Tauperiode erwartet wird, verstärkt vorhandenes Abwasser umsetzt. Im Maximalfall wird der in der Anlage vorgehaltene Vorspeicherbehälter dabei komplett entleert und dient dann als Speicher für das mit Regenwasser bzw. Schmelzwasser verdünnte Abwasser. Zudem kann auch der Biologiebehälter der biologischen Stufe soweit geleert werden, dass er noch seine biologische Klärfunktion erfüllen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit seiner weit vorausschauenden, dass Wetter berücksichtigenden Steuerung erlaubt es, auch mit kleineren Anlagen eine effiziente Abwasserreinigung durchzuführen.
Damit wird es erstmals möglich, die Kosten der Abwasserreinigung so zu reduzieren, dass ein konkurrenzfähiges Verfahren erzielt wird. Bei der Klärung des landwirtschaftlichen Abwassers mit entsprechender betriebsinterner Wiederverwendung spart der Landwirt die Kosten für das Frischwasser. Zudem löst er damit das Entsorgungsproblem für Wirtschaftsdünger wie Gülle, Jauche, oder Silagesickersäfte. Da diese einem Einleitungsverbot unterliegen, sind sie normalerweise gesondert zu entsorgen bzw. zu verwerten.
Durch das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren werden Stoßbelastungen ausgeglichen und eine hohe Prozessstabilität erzielt. Es ist dadurch möglich auch Problemabwässer, wie die der Landwirtschaft in der Kläranlage durchzusetzen.
Das Steuerungsverfahren bewirkt im Endeffekt eine ressourcenschonende Klärung der Abwässer.
Die hierdurch angesteuerte Kläranlage ist somit für die dezentrale Abwasserbehandlung in ländlich strukturierten Gebieten geeignet, in denen aus wirtschaftlichen oder sonstigen Gründen heraus kein Kanalanschluss vorhanden ist oder hergestellt werden kann.
Die Erfindung im Einzelnen
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kläranlage mindestens einen Vorspeicherbehälter. In einer weiteren Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Kläranlage noch einen oder mehrere zusätzliche Vorspeicherbehälter umfassen, die eventuell auch extern bereitgestellt werden und ebenso zur Erhöhung der Kapazität geleert werden können.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Kläranlage keinen eigenen Vorspeicherbehälter, sondern ist an einen oder mehrere extern bereitgestellte Vorspeicherbehälter angeschlossen, die ebenfalls durch das erfindungsgemäße Verfahren der Kläranlagensteuerung bei Vorhersage einer erhöhten Regenmenge zur (partiellen) Entleerung angesteuert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen der biologische Behälter und der Nachklärbehälter als voneinander getrennte, separate Behälter vor. In einer alternativen Ausführungsform fungiert der biologische Behälter auch als Nachklärbehälter. So kann der biologische Behälter hierzu eine Vorrichtung zur Nachklärung des Abwassers wie beispielsweise eine Membranfiltereinheit umfasst.
Bei dem Verfahren umfassen die Daten zur Wettervorhersage zweckmäßigerweise einen Zeitraum von mindestens 3 Tage. In bevorzugter bezieht sich die Wettervorhersage auf einen Zeitraum von mindestens 7 Tagen und besonders bevorzugt auf einen Zeitraum von 14 bis 30 Tagen.
Vorzugsweise basiert die Wettervorhersage auf einer Kombination einer synoptischen Wettervorhersage und einer numerischen Wettervorhersage. Um die lokale Klimatologie von Wetterstationen zu berücksichtigen, wird zweckmäßigerweise den numerischen Berechnungen noch statistische Verfahren nachgeschaltet, wie z. B. die MOS-Verfahren („Model Output Statistics“).
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Vorhersagedaten zusätzlich Daten zur erwarteten Niederschlagsmenge und/oder Schmelzwassermenge. Die Kläranlage verfügt dazu über einen Vorrichtung, um die Niederschlagsmenge oder Schmelzwassermenge zu bestimmen. Damit kann noch genauer der notwendige Vorhalt an Leervolumen abgeschätzt werden und dementsprechend das Ausmaß der benötigten Kapazitätserhöhung der Kläranlage noch besser gesteuert werden. Das Leervolumen kann auch extern, d.h. außerhalb der Kläranlage vorgehalten werden.
Zweckmäßigerweise umfassen die Vorhersagedaten zusätzlich Daten zur Sonnenscheindauer. So kann eine zur Kläranlage gehörende Photovoltaikanlage oder eine extern bereitgestellte Photovoltaikanlage optimal für die Kapazitätsanpassung eingesetzt werden.
Weiterhin kann die Kläranlage einen Lichtsensor aufweisen, der das Ausmaß der einstrahlenden Sonnenenergie erfasst und zur Steuerung der Kläranlage dient. Die Steuerung ist dahingehend optimiert, dass bevorzugt die von der Kläranlage erzeugte Energie oder die von der extern bereitgestellten Photovoltaikanlage erzeugten Energie verwendet werden soll.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei dem Verfahren durch erhöhte Abwasserreinigung an Tagen bevor Regen oder Schmelzwasser vorhergesagt wurde, die Wassermenge in der Kläranlage so stark reduziert, dass der Vorspeicherbehälter komplett leerläuft und/oder der Biologiebehälter in der biologischen Stufe in der Wassermenge so reduziert wird, dass der Trockenschlammgehalt TS den Wert von 30% und/oder der Schlammvolumenindex SVI den Wert von 180 mg/L nicht übersteigt. Damit wird die Kläranlage in maximaler Weise entleert und damit auf die Aufnahme des vorhergesagten Regen- bzw. Schmelzwassers in optimaler Weise vorbereitet.
Zweckmäßigerweise wird bei dem Verfahren das in die Kläranlage eintretende Abwasser je nach Verunreinigungsgrad unterschiedlich behandelt. Dabei können als Parameter für die Abwasserbelastung beispielsweise die BSB₅- und CSB-Werte bestimmt werden und das Abwasser je nach bestimmten (gesetzlich festgelegten Grenzwerten) einer entsprechenden Behandlung zugeführt werden. Leicht verschmutztes Regenwasser kann entweder durch einen Regenüberlauf aus der Kläranlage ausgeleitet oder unter Umgehung des biologischen Behälters direkt in den Nachklärbehälter eingeleitet werden. Dazu ist die Kläranlage in einer bevorzugten Ausführungsform mit einer Vorrichtung, beispielsweise einem Ventil, zur Steuerung des Abwasserflusses und einer Vorrichtung zum Messen der Verunreinigung ausgestattet. Alternativ kann die Kläranlage separate Pumpen aufweisen, die je nach Verschmutzungsgrad das Wasser in die jeweiligen Kompartimente wie Nachklärbehälter, biologischer Behälter oder Ausleitung aus der Kläranlage befördern.
Bei der Ausleitung aus der Kläranlage kann das nur leicht verschmutzte Regenwasser in eine Rigole, einen Bach oder eine Versickerungsfläche oder Versickerungsmulde eingeleitet werden.
In einer bevorzugten Weise wird bei dem Verfahren die Kapazität der Kläranlage durch Veränderung des Unterdrucks, der an einer in der Nachklärstufe vorhandenen Filtermembran anliegt, durchsatzmäßig gesteuert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kläranlage zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Kläranlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung gestellt. Diese Kläranlage ist bevorzugterweise eine mobile Kläranlage und besonders bevorzugt eine Container-Kläranlage. Der Platzbedarf ist bei einer mobilen Kläranlage und insbesondere bei einer Container-Kläranlage minimal und sie kann zudem auch oberirdisch aufgestellt werden. Es werden zudem nur geringe bauliche Aufwendungen benötigt. Die Modulbauweise als Container gestattet die Anpassung an die Umgebung, sowie die rasche Aufstellung, Erweiterung oder den Abbau der erfindungsgemäßen Kläranlage, besonders bei lediglich temporären Entsorgungsproblemen.
Es handelt sich bei dem Container bevorzugt um einen Standard-Container nach ISO 668, der damit ein 20-Fuß-Container (TEU), ein 40-Fuß-Container (FEU) oder ein sogenannter High-Cube-Container sein kann. Die ISO-Container bieten den Vorteil, dass sie einfach und wirtschaftlich zum Einsatzort transportiert und aufgestellt werden können.
Bei dieser Container-Kläranlage können die einzelnen Reinigungsstufen, also Vorspeicherbehälter, biologischer Behälter und Nachklärbehälter in je einzelnen Containern bereitgestellt werden, bevorzugt ist hierbei, dass die komplette Kläranlage mit allen Reinigungsstufen in einem Container untergebracht ist.
Die erfindungsgemäße Kläranlage besteht bevorzugt aus einem Container umfassend:

(a) ein Vorspeicherbehälter;
(b) ein biologische Behälter;
(c) einen Nachklärbehälter enthaltend eine Membranfiltereinheit;
(d) ein Lagerbehälter zur Aufnahme des geklärten Wassers.

Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Kläranlage die Ausführungsform eines Membranbioreaktors (MBR) umfasst.
Zweckmäßigerweise verfügen alle Behälter der Kläranlage jeweils über einen Füllstandsensor. Der Biologiebehälter und der Nachklärbehälter verfügen außerdem über eine Vorrichtung zur Belüftung und der Biologiebehälter über eine Umwälzpumpe.
Die Volumina der Behälter können je nach Einsatzgebiet unter Heranziehen verschiedener Bemessungsgrundlagen stark variieren.
Der Vorspeicherbehälter hat bevorzugt ein Volumen von 5 bis 40 m³, besonders bevorzugt von 7,5 bis 20 m³ und insbesondere bevorzugt von 10 m³.
Der Nachklärbehälter hat bevorzugt ein Volumen von 2 bis 20 m³, besonders bevorzugt von 4 bis 16 m³ und insbesondere bevorzugt von 8 m³.
Der Biologiebehälter hat bevorzugt ein Volumen von 5 bis 40 m³, besonders bevorzugt von 10 bis 35 m³ und insbesondere bevorzugt von 20 m³.
Der Lagerbehälter hat bevorzugt ein Volumen von 5 bis 40 m³, besonders bevorzugt von 7,5 bis 20 m³ und insbesondere bevorzugt von 10 m³.
Die Container weisen bevorzugt eine Wärmeisolierung auf und/oder sind doppelwandig: Dies bietet den Vorteil, dass die Prozesswärme länger gehalten wird und dass keine weiteren Schutzmaßnahmen wie eine Schutzwanne erforderlich sind.
Die Kläranlage ist mit ihrem Aufbau und ihrer Steuerung für die Reinigung organisch belasteter kommunaler, industrieller und landwirtschaftlicher Abwässer geeignet. In bevorzugter Weise kann sie hier zur Reinigung von landwirtschaftlichen Abwässern eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kläranlage zusätzlich eine Photovoltaikanlage auf. Diese kann gerade bei einer Container-Anlage in einfacher Weise auf dem Containerdach montiert werden und die Kläranlage mit Strom versorgen.
Bei der Kläranlage ist der Vorspeicherbehälter zweckmäßigerweise mit Mitteln für eine mechanische Vorklärung ausgestattet.
Dem Fachmann sind zahlreiche Mittel für eine mechanische Vorklärung bekannt und er kann je nach konkretem Klärerfordernis die geeigneten Mittel auswählen. Beispielhaft seien hier genannt: Rechen, Sieb, Absetzbecken, Sandfang. Bei den Rechen sind hier maschinell geräumte Rechen, wie beispielsweise ein Grobrechen, ein Feinrechen oder ein Feinstrechen einsetzbar. Diese können als Greifrechen, Umlaufrechen, Bogenrechen, Kammerrechen, Siebrechen oder Zentrisieb ausgestaltet sein. Die Siebe können als Trommelsieb, Bogensieb oder Bandsieb ausgestaltet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführung umfasst die im Vorspeicherbehälter bereitgestellte mechanische Vorklärung eine hydraulische Abscheidung. Hierbei erfährt das Wasser eine Vorreinigung durch Flotation und Sedimentation.
Bei der Flotation werden die im Wasser dispergierten, oder suspendierten Verunreinigungen durch anhaftende Gasblasen an die Wasseroberfläche transportiert und können dort mit einer Räumeinrichtung entfernt werden.
Dem Fachmann sind verschiedene Flotationsverfahren bekannt, die sich vor allem in der Art unterscheiden, wie die Gasbläschen erzeugt werden und in deren Größe. Zur Abwasserreinigung kommen beispielsweise die Vakuumflotation, Elektroflotation oder Entspannungsflotation zur Anwendung.
Bei der Vakuumflotation wird das zu behandelnde Abwasser in einer Belüftungskammer mit Luft gesättigt und anschließend in einen abgedeckten Behälter überführt, wo durch Anlegen eines Unterdrucks Luftblasen frei werden und mit den Feststoffen nach oben steigen.
Bei der Elektroflotation werden die Gasbläschen elektrolytisch erzeugt. Am Boden des Behälters werden perforierte Elektroden angebracht und an Gleichspannung angeschlossen. Durch die Elektrolyse des Wassers entstehen so feinste Gasbläschen. Der entstehende Sauerstoff steigt als Gasbläschen auf und kann einerseits die vorhandenen Schadstoffe oxidieren und/oder sich an die dispergierten Bestandteile anlagern und damit die Flotation ermöglichen.
Die Entspannungsflotation (DAF, dissolved air flotation) ist ein Verfahren, bei dem die Gasbläschen durch eine Druckverminderung entstehen, wobei man sich die Tatsache zunutze macht, dass die Löslichkeit eines Gases in einer flüssigen Phase bei Druckerhöhung ansteigt. Setzt man Wasser unter Druck, sättigt es sich mit Gas oder Luft und bringt das Wasser anschließend wieder auf einen geringeren Druck, so wird ein entsprechender Gas- oder Luftanteil in Form feinster Bläschen frei.
Die Entspannungsflotation hat sich als das wirtschaftlichste und flexibelste Verfahren zur Erzeugung solcher Bläschen erwiesen und ist in der erfindungsgemäßen Kläranlage daher bevorzugt.
Bei der Sedimentation lagern sich verunreinigende Stoffe unter dem Einfluss der Gewichtskraft am Boden des Behälters ab und können von da aus abgeführt werden. In bevorzugter Weise wird daher das Wasser zur weiteren Klärung aus dem mittleren Bereich des Vorspeicherbehälters entnommen, d.h. aus einem Bereich, der oberhalb des Sedimentbereichs und unterhalb des Flotationsbereichs liegt.
In einer besonders bevorzugten Ausführung umfasst die biologische Stufe einen Biologiebehälter, in dem die biologische Reinigung durch aerobe Kleinstlebewesen wie Bakterien und Hefen erfolgt. Durch Luftzufuhr werden diese Mikroorganismen in die Lage versetzt, organische Stoffe abzubauen und anorganische Stoffe zu oxidieren. Dem Fachmann stehen hierzu verschiedene Verfahren zur Verfügung wie beispielsweise das Belebtschlammverfahren, das Tropfkörperverfahren, das Tauchkörperverfahren, oder das Festbettreaktorverfahren. In bevorzugter Weise wird hier das Belebtschlammverfahren eingesetzt. Belebtschlammverfahren können sowohl kontinuierlich d. h. im Durchlaufbetrieb als auch diskontinuierlich (Batch-Betrieb; engl.: batch process) betrieben werden. Gemeinsam ist bei allen Varianten, dass im Wasser suspendierte Biomasse („Belebtschlamm“) die biologische Reinigung des Abwassers übernimmt. Bevorzugt ist hier die Anwendung im Durchlaufbetrieb.
Bei Membranbioreaktoren wird die biologische Stufe mit einem Membranfilterverfahren kombiniert, wobei Membranmodule zur Abtrennung der suspendierten Biomasse im Schlamm-Abwasser-Gemisch vom biologisch gereinigten Wasser, dem Permeat, eingesetzt werden. Dem Fachmann sind dabei zwei Gestaltungsformen bekannt. So befinden sich die Membranmodule bei einer externen oder „sidestream“ Konfiguration separat in einem Kreislauf, der nicht direkt zum Bioreaktor gehört. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das Membranverfahren robuster ist und die Fließgeschwindigkeit an der Membran besser kontrolliert werden kann. Bei der sogenannten „getauchten Konfiguration“ befinden sich die Membranmodule innerhalb der biologischen Stufe. Diese Konfiguration bietet wiederum zwei Möglichkeiten. Zum einen kann sich die Membranfiltereinheit direkt im Biologiebehälter befinden, wobei diese Anordnung durch einen geringen Platzbedarf gekennzeichnet ist. Und zum anderen kann sich die Filtereinheit in einem separaten Nachklärbehälter befinden. Diese zweite, bevorzugte Ausführungsform bietet flexiblere Ausgestaltung der Membranfiltereinheit, sowie eine erleichterte Wartung und Reinigung der Module. Dabei verfügt der Membranbioreaktor über eine Pumpe zum Flüssigkeitstransport zwischen dem Biologiebehälter und dem Nachklärbehälter.
Die im Abwasser enthaltenen Stoffe dienen den Mikroorganismen im Belebtschlamm als Nahrung, so dass ständig neue Bakterien nachwachsen. Im Nachklärbehälter wird daher ein Teil des Belebtschlamms als Überschussschlamm aus dem Prozess entnommen. Ein anderer Teil des Schlamms wird als sogenannter Rücklaufschlamm aus dem Nachklärbehälter in den Biologie-behälter zurückgeführt und so die Schlammkonzentration konstant gehalten. Der Nachklärbehalter verfügt daher über eine Pumpe zur Rückführen des Belebtschlamms und eine Vorrichtung zur Entnahme des Überschussschlamms.
Dem Fachmann sind verschiedene Membranverfahren wie Mikrofiltration und Ultrafiltration, die sich durch ihre Trenngrenze und die aufzuwendende Triebkraft unterscheiden, bekannt. Der Einsatz des Verfahrens hängt von der Abwasserzusammensetzung und dem Trennziel ab. In einer bevorzugten Ausführungsform wird durch eine Membranporenweite von 0.1 - 0.01 µm eine Ultrafiltration erreicht. Es wird dabei als Antrieb bevorzugt ein Unterdruck von -0.1 bis -0.8 bar angelegt und besonders bevorzugt von -0,3 bar, damit vor allem an Regentagen möglichst viel Wasser die Membran passieren kann.
Zur Abwasseraufbereitung werden in der Regel feste synthetische Membranen eingesetzt. Die dabei eingesetzten Werkstoffe sind entweder organisch oder anorganisch. Organische Membranen sind beispielsweise Polymermebranen, die gegenüber anderen Membranen oft günstigere Herstellungskosten aufweisen. Für die Abwasserreinigung sind bei den anorganischen Membranen vor allem keramische Membranen von großer Bedeutung. Sie zeichnen sich durch hohe Beständigkeit und Regenerierbarkeit aus. Bevorzugt sind hierbei Polymermembranen und besonders Membranen aus Polyethersulfon (PES).
Die erfindungsgemäße Kläranlage umfasst bevorzugt einen Membranbelebungsreaktor (MBR). Hierunter versteht man einen Kläranlagentyp, der unter Zuhilfenahme von Membranen im Bereich zwischen 0,1 und 0,01 µm (Ultrafiltration), seine Effizienz deutlich steigern kann. Die Anlage wird dabei meist mittels Tangentialflussfiltration betrieben. In besonders bevorzugter Form beträgt die nominale Porengröße zwischen 0,02 und 0,05 µm und insbesondere 0,035 µm.
Die Membranen können in Form von Hohlfasern, als Wickel- oder als Plattenmodule eingesetzt werden.
Bei der Struktur von Membranen unterscheidet man zwischen symmetrisch oder asymmetrisch. Während symmetrische Membranen über die Membrandicke annähernd homogen aufgebaut sind, bestehen asymmetrische Membranen aus zwei Schichten. Die aktive Schicht bestimmt das Trennver-fahren der Membran, während die darunterliegende poröse Stützschicht als Träger dient. Bei asymmetrischen Membranen kann durch die mechanische Stabilität der Stützschicht die aktive Schicht möglichst dünn gehalten werden, wodurch höhere Flüsse erzielt werden.
Die Membranen werden in Form von sogenannten Modulen eingesetzt. Eine Membrananlage besteht aus einer größeren Anzahl von Modulen, die parallel bzw. bei mehreren Stufen auch hintereinander geschaltet sind. Es kann dabei prinzipiell in Schlauchmembranen und Flachmembranen unterschieden werden. Zu den Schlauchmembranen gehören das Rohr-, Kapillar- und das Hohlfasermodul und zu den Flachmembranen z.B. das Wickel- und das Kissenmodul.
Beim Rohrmodul werden innerhalb eines Mantel- bzw. Druckrohrs mehrere perforierte bzw. permeatdurchlässige Stützrohre kleinen Durchmessers zusammengefasst, auf deren Innenseite die rohrförmige Membranschicht aufgebracht ist. Das Schlamm-Abwasser-Gemisch wird durch diese Rohre gepumpt, im Außenraum zwischen Druckrohr und Stützrohr gesammelt und an einem Stutzen am Druckrohr abgezogen. Ein Vorteil von Rohrmodulen ist u.a. die geringe Empfindlichkeit gegen Verstopfung.
Bei Kapillar- und Hohlfasermodulen sind eine Vielzahl von Kapillar- und Hohlfasermembranen in einem Druckrohr zu einem Modul zusammengefasst. Die Kapillare bzw. Fasern werden an der Stirnseite mit dem Schlamm-Abwasser-Gemisch beschickt, so dass von innen nach außen filtriert wird. Ein Vorteil von Kapillarmodulen ist u.a. die kostengünstige Fertigung, während Hohlfasermodule eine extrem hohe Packungsdichte und eine hohe Druckstabilität aufweisen.
Beim Wickelmodul werden ein oder mehrere Membrantaschen mit je einem Abstandshalter spiralförmig im das Permeatsammelrohr gewickelt. Die Membrantaschen sind an drei Seiten geschlossen, an der offenen Seite sind die Taschen an das perforierte Permeatsammelrohr angeschlossen. Das zylindrische Modul wird an den Stirnseiten mit dem Schlamm-Abwasser-Gemisch beaufschlagt, der das Modul in axialer Richtung durchströmt. Das abgezogene Permeat fließt innerhalb der Membrantaschen spiralförmig dem Permeatsammelrohr zu. Wickelmodule lassen sich kostengünstig fertigen und in hoher Packungsdichte anordnen, allerdings verfügen sie nicht über eine mechanische Reinigungsmöglichkeit und sind somit verstopfungsgefährdet.
Kissenmodule werden wie Wickelmodule aus Membrantaschen mit dazwischenliegendem Gewebeflies aufgebaut. Die Taschen sind hierbei an allen Seiten verschlossen und das Permeat wird über eine bzw. mehrere mit Runddichtungen versehene Öffnungen im Kissen abgezogen. Kissenmodule weisen eine geringe Empfindlichkeit gegen Verschmutzung, aber nur eine geringe Packungsdichte auf.
In der erfindungsgemäßen Kläranlage sind Plattenmodule bevorzugt.
Zudem ist der dynamische Betrieb („cross flow“) gegenüber dem statischen Betrieb („dead end“), bei dem die Membran orthogonal beschichtet wird, bevorzugt. Beim dynamischen Betrieb wird der Schlamm-Abwasser-Gemisch parallel zur Membranoberfläche gepumpt, wodurch die Deckschicht-bildung vermindert wird. Ein Nachteil gegenüber dem statischen Betrieb ist dabei ein höherer Energiebedarf. In einer besonders bevorzugten Ausführungs-form des Membranbioreaktors verfügt der Nachklärbehälter enthaltend ein Membranfiltersystem über eine Vorrichtung zur Belüftung, wodurch das Überströmen der Membranen durch das aufsteigende Gas-Schlamm-Gemisch erreicht wird.
Die Kläranlage weist bevorzugterweise zusätzlich einen Wärmeübertrager auf, der die Wärme des in der biologischen Stufe oder der Nachklärstufe befindlichen Wassers auf das Abwasser in dem Vorspeicherbehälter überträgt. Dieser Wärmetauscher hat zwei Vorteile: Zum einen wird das geklärte Wasser vor Verlassen der Kläranlage abgekühlt und ist damit umweltverträglicher zur Wiederverwendung (unter12°C keimarm-Wärmepumpe). Zum anderen wird das Abwasser erwärmt und ist somit besser an die in der biologischen Stufe eingestellte Reaktionstemperatur angepasst. Somit kann ein zeit- und energieintensives Aufheizen des Abwassers reduziert werden oder sogar ganz darauf verzichtet werden. Die Reaktionstemperatur liegt bevorzugt zwischen 10 und 40°C, besonders bevorzugt zwischen 15 und 30°C und besonders bevorzugt zwischen 20 und 22°C
In bevorzugter Weise wird bei diesem Wärmeübertrager das geklärte Wasser aus dem Nachklärbehälter durch eine im Vorspeicherbehälter verlaufende Leitung gepumpt wird, das dabei die Wärme an das Abwasser abgibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt die Membranfiltereinheit über eine Heizung. Diese hat den Vorteil, dass eine erhöhte Temperatur zu einer niedrigeren Viskosität des Schlamm-Abwasser-Gemischs führt und somit den Fluss an der Membran und die Filtrierbarkeit erhöht.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Computerprogrammprodukt zur Steuerung einer Kläranlage zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt zur Verfügung gestellt. Das Computerprogrammprodukt kann direkt in eine Speichereinheit geladen werden und umfasst Softwareabschnitte, mit denen das Verfahren zur Steuerung der Kläranlage ausgeführt werden kann, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer erfindungsgemäßen Kläranlage ausgeführt wird.
Figurenliste
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt.

1 zeigt eine schematische Skizze eines Querschnitts durch eine mobile Container-Kläranlage gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Skizze eines Querschnitts durch eine mobile Container-Kläranlage 1 gemäß einer Ausführungsform. Hierbei gelangt das Abwasser zunächst in den Vorklärbehälter 30. Dieser enthält einen Wärmeübertrager 60, der das Wasser zur Vorbereitung auf die biologische Reinigung erwärmt. Weiterhin umfasst er Mittel zur Vorreinigung des Wassers durch Flotation und Sedimentation (hier nicht explizit dargestellt). Durch die Pumpe 61 wird das Abwasser bei geringer Verschmutzung , wie sie bei Verdünnung durch Regenwasser oder Schmelzwasser auftreten kann, direkt durch entsprechende Stellung des Ventils 70 in den Nachklärbehälter geleitet oder sogar aus der Kläranlage ausgeleitet. Bei stärkerer Verschmutzung wird das Abwasser in den biologischen Behälter 10 geleitet und dort mikro-biologisch unter Luftzufuhr 3 gereinigt. Das derart gereinigte Wasser wird mittels der Pumpe 51 in den Nachklärbehälter gepumpt, wo eine Membran-filtereinheit eine Abtrennung des Belebtschlamms leistet. Über die Pumpe 111 kann ein Teil des abgetrennten Belebtschlamms als Rücklaufschlamm in den biologischen Behälter zurückgeführt werden. Der Nachklärbehälter ist mit einer zusätzlichen Heizung 50 ausgestattet. Das aus dem Nachklärbehälter austretende geklärte Wasser durchläuft im Wärmetauscher 60 den Vorspeicherbehälter 30 und wird im Lagerbehälter 40 gelagert, von wo es über die Pumpe 71 zu externen Verwendung ausgeleitet werden kann. Der biologische Behälter, der Nachklärbehälter und der Vorspeicherbehälter weisen jeweils einen Schlammabscheider 131 zu Abscheidung des Überschuss-schlamms auf. Der Vorspeicherbehälter und der Lagerbehälter weisen jeweils einen Überlauf 121 auf.
Weitere Varianten der Erfindung und ihre Ausführung ergeben sich für den Fachmann aus der vorangegangenen Offenbarung, den Figuren und den Patentansprüchen.
In den Patentansprüchen verwendete Begriffe wie „umfassen“, „aufweisen“, „beinhalten“, „enthalten“ und dergleichen schließen weitere Elemente oder Schritte nicht aus. Die Verwendung des unbestimmten Artikels schließt eine Mehrzahl nicht aus. Eine einzelne Einrichtung kann die Funktionen mehrerer in den Patentansprüchen genannten Einheiten bzw. Einrichtungen ausführen. In den Patentansprüchen angegebene Bezugszeichen sind nicht als Beschränkungen der eingesetzten Mittel und Schritte anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Container-Kläranlage
2: Rohrleitungen für Wassertransport
3: Rohrleitungen zur Luftzufuhr
10: Biologischer Behälter
11, 21, 31, 41: Einlassseitige Zuführpumpen
20: Nachklärbehälter mit Membranfiltereinheit
30: Vorspeicherbehälter inklusive Wärmeübertrager
40: Wasserbehälter zur verwendungsseitigen Lagerung
50: Heizung
51: Pumpe zum Flüssigkeitstransport vom biologischen Behälter zum Nachklärbehälter
60: Wärmeübertrager
61: Pumpe zum Flüssigkeitstransport aus dem Vorspeicherbehälter
70: Ventil für die Steuerung des Abwassertransports zu weiteren Behandlungen des Abwassers je nach Verunreinigungsgrad
71: Pumpe zum Ausleiten des geklärten Wassers vom Wasserbehälter 40
81: Kompressor zur Belüftung des Biologiebehälter und der Membranfiltereinheit
91: Pumpe zum Transport des geklärten Wassers von der Membranfiltereinheit über den Wärmeübertrager 60 zum Wasserbehälter 40
101: Heizpumpe
111: Pumpe für den Rückführschlamm
121: Überlauf
131: Schlammabscheider

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

DE 29812751 U1 [0005]

Claims

Ein Verfahren zur Steuerung einer Kläranlage zur biologischen Reinigung organisch belasteter Abwässer mit optional_mindestens einem Vorspeicherbehälter, einem biologischen Behälter und einem Nachklärbehälter umfassend die folgenden Schritte: (a) Bereitstellung von Daten zur Wettervorhersage, umfassend Daten zum Niederschlagswahrscheinlichkeit und/oder Tauwetterwahrscheinlichkeit (b) Ansteuerung der Kläranlage bei Vorhersage einer erhöhten Regenmenge oder Schmelzwassermenge in der Weise, dass die Wassermenge in dem Vorspeicherbehälter und/oder in der biologischen Stufe reduziert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten zur Wettervorhersage einen Zeitraum von mindestens 3 Tage, bevorzugt von mindestens 7 Tagen und besonders bevorzugt von 14 bis 30 Tagen umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorhersagedaten zusätzlich Daten zur erwarteten Niederschlagsmenge oder zu einer Tauwetterlage umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorhersagedaten zusätzlich Daten zur Sonnenscheindauer umfassen.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Kläranlage die Reduktion der Wassermenge maximal so ausgestaltet ist, dass der Vorspeicherbehälter leerläuft und/oder der Biologiebehälter in der Wassermenge so reduziert wird, dass der Trockenschlammgehalt TS den Wert von 30% und/oder der Schlammvolumenindex SVI den Wert von 180 mg/L nicht übersteigt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Kläranlage eintretende, Abwasser je nach Verunreinigungsgrad unterschiedlicher Behandlung zugeführt wird, wobei nur leicht verschmutztes, durch Regenwasser verdünntest Abwasser entweder aus der Kläranlage ausgeleitet wird oder unter Umgehung des Biologiebehälters direkt in den Nachklärbehälter eingeleitet wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität der Kläranlage durch Veränderung des Unterdrucks, der an einer in dem Nachklärbehälter vorhandenen Filtermembran anliegt, durchsatzmäßig gesteuert wird, wobei der Unterdruck bevorzugt zwischen -0.1 und -0.8 bar regelbar ist.
Kläranlage zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kläranlage eine mobile Kläranlage und bevorzugt eine Container-Kläranlage ist.
Kläranlage gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kläranlage zur Reinigung organisch belasteter kommunaler, industrieller und bevorzugterweise landwirtschaftlicher Abwässer geeignet ist.
Kläranlage gemäß Anspruch 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Photovoltaikanlage und/oder einen Lichtsensor zur Steuerung der Anlage als Funktion der Sonneneinstrahlung aufweist.
Kläranlage gemäß Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine Vorrichtung zur Messung des Verunreinigungsgrades des Abwassers und über ein Ventil, wodurch Abwasser je nach Verunreinigungsgrad unterschiedlicher Behandlung zugeführt wird, verfügt
Kläranlage gemäß Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspeicherbehälter mit Mitteln für eine mechanische Vorklärung ausgestattet ist, und hierbei diese Mittel eine hydraulische Abscheidung umfassen.
Kläranlage gemäß Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kläranlage ein Membranbioreaktor ist, wobei sich die Membranfiltereinheit bevorzugt in einem separaten Nachklärbehälter befindet.
Kläranlage gemäß Anspruch 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Wärmeübertrager aufweist, der die Wärme des im Biologiebehälters oder im Nachklärbehälter befindlichen Wassers auf das Abwasser in dem Vorspeicherbehälter überträgt.
Kläranlage gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Wärmeübertrager das geklärte Wasser aus dem Nachklärbehälter durch eine im Vorspeicherbehälter verlaufende Leitung gepumpt wird und dabei die Wärme an das Abwasser abgibt.
Computerprogrammprodukt, das direkt in eine Speichereinheit geladen werden kann und Softwareabschnitte umfasst, mit denen das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgeführt werden kann, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Kläranlage gemäß Anspruch 8 bis 15 ausgeführt wird.