DE102019006988A1

DE102019006988A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Zuführung von Umgebungsluft in ein Gewässer oder ein mitWasser/Abwasser gefülltes Becken, z. B. in ein Belebungsbecken einer Abwasserkläranlage

Info

Publication number: DE102019006988A1
Application number: DE102019006988.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Breu; Ernst O. Hallas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2021-04-08

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren dient einer neuartigen, besonders energieeffizienten Zuführung von Umgebungsluft und damit gelöstem Sauerstoff in ein sogenanntes Belebungsbecken einer Abwasserkläranlage. Eine Abwasserkläranlage im Sinne der Erfindung weist mindestens einen Schmutzwasserzulauf, dessen Zulaufmenge kontinuierlich variieren kann, eine dem Schmutzwasserzulauf nachgeordnete Absonderungsvorrichtung für die im Schmutzwasser enthaltenen mechanisch zurückhaltbaren groben Verschmutzungen, ein der Absonderungsvorrichtung nachgeschaltetes Absetzbecken, in dem sich Stoffe, die im Schmutzwasser ungelöst enthalten sind und eine deutlich höhere Dichte als Wasser aufweisen, auf dessen Boden absetzen und sich Stoffe, die im Schmutzwasser ungelöst enthalten sind und eine deutlich geringere Dichte als Wasser aufweisen, an der Oberfläche des Schmutzwassers im Absetzbecken anlagern. Dem folgt in der Regel die sogenannte biologische Prozessstufe, in der zumindest temporär in zumindest einem Teil der sogenannten Belebtschlammbecken den dortigen Schmutzfrachtabbau-Bakterien Sauerstoff in gelöster Form zugeführt wird, welcher von diesem biologischen System veratmet, insoweit gezehrt wird und wodurch die Biologie in die Lage versetzt wird, die mit dem Abwasser zugeleitete Schmutzfracht abzubauen, insoweit das Abwasser zu reinigen.Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Sauerstoffanreicherung unter nahezu Normaldruckbedingungen in der Nähe der Oberfläche auf energieeffiziente Weise und einer erst nachgängigen Durchmischung des hoch-sauerstoffangereicherten Wassers mit dem gesamten Belebtschlamm im deutlich tieferen, d.h. mit wesentlich höherem Wasserstand durchflossenen, ansonsten wohlbekannten aerob gestalteten Belebungsbecken.

Description

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben zur Zuführung von Umgebungsluft in ein Gewässer oder ein mit Wasser/Abwasser gefülltes Becken, z.B. in ein Belebungsbecken einer Abwasserkläranlage, mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8.
Hintergrund
Bei der Gewässersanierung und/oder auf Sauerstoffversorgung basierenden Zwecksicherung von wasserhaltigen Becken wie z.B. bei der Abwasserreinigung in Abwasserkläranlagen werden u. a. Bakterien und Kleinstorganismen eingesetzt bzw. genutzt, die das Abwasser insbesondere unter aeroben Bedingungen biologisch reinigen. Hierzu wird der im Abwasser vorhandene Sauerstoff von den Bakterien und Kleinstorganismen, die im Weiteren mit Biologie bezeichnet werden, verarbeitet. Das Biologie-Abwasser-Gemisch wird auch als Belebtschlamm bezeichnet. Die genannte Verarbeitung des eingetragenen Sauerstoffs bezeichnet man auch als Veratmung.
Um den Prozess der Veratmung in diesem deshalb auch aerob genannten Prozessschritt aufrecht zu erhalten, wird in das Abwasser gezielt Sauerstoff als wesentlicher Bestandteil eines Gases, zumeist in Form von Umgebungsluft, eingeleitet und dieses so gut wie möglich bedarfsgerecht verteilt.
Für die Einleitung von Sauerstoff wird nach dem bekannten Stand der Technik sauerstoffhaltiges Gas, in den meisten Fällen im näheren Umfeld des Belebungsbeckens angesaugte Umgebungsluft, etwa als sogenannte feinblasige Tiefenbelüftung über geeignete Belüftungselemente eingetragen, die in der Regel in der Nähe des Bodens des Belebungsbeckens hierfür angebracht sind. Diese Verfahrenstechnik hat sich insbesondere bei Beckentiefen mit in der Regel mehr als etwa 4m Wasserstandshöhen, typischerweise etwa 5 bis 7m über den Belüftungselementen, in kommunalen Abwasseranlagen bewährt. In industriellen Kläranlagen sind auch wesentlich größere Wasserstandshöhen über den Belüftungselementen bekannt.
Für feinblasige Tiefenbelüftung haben sich für die meisten Anwendungen je nach Fall sowohl plattenförmige als auch tellerförmige und auch rohr- bzw. schlauchförmige Belüftungselemente mit Membranen aus Silikon, EPDM oder PU für den Lufteintrag durch die unter Druck stehende Membran oder auch Keramik-Bauteile mit gezielt porös gestalteten Oberflächen bewährt. Vorteil dieser Belüftungskonzepte ist, dass das sauerstoffhaltige Gas bzw. die Luft bereits am Beckenboden gezielt und meist in relativ flächendeckender Weise feinblasig eingetragen wird. Nachteil ist in all diesen Fällen, dass für diese Eintragungsform Verdichter mit angepassten Leistungsparametern entsprechend der zu versorgenden Beckentiefen (zu überwindende Wasserstandshöhen) bereitgestellt werden müssen, welche sowohl den erforderlichen Druck entsprechend der jeweiligen Einblastiefe bewerkstelligen können müssen, als auch dazu angepasste Verrohrung für die zuzuführende Druckluft zu installieren ist, welche meist noch mit entsprechenden Regelorganen zur Mengenregelung, wie Ventilen oder Regelschiebern unterschiedlichster Bauarten, ausgestattet sein müssen, so dass entsprechend den jeweiligen Anforderungen die einzutragenden Luftmengen hinsichtlich Druck und Menge entsprechend den Anforderungen regelbar zugeführt werden können. Hinzukommen in der Regel notwendige Sensoren für die Erfassung, Überwachung und gegebenenfalls auch direkte Regelungseinbindung zur Absicherung der zielgerechten Sauerstoff- und damit Luftmengenzufuhr im jeweiligen Beckenbereich unter allen verschiedenen Bedingungen der jeweiligen Belebungsbecken inklusive Abwassermengen- und Schmutzfrachtbestandteile-Variationen, sowohl tageszeittypisch, wochenverlaufstypisch und auch saisonal angepasst.
Ein weiterer Nachteil dieser Ausführungen von feinblasiger Tiefenbelüftung ist, dass die eingesetzten Membranen bzw. Keramiken einen material- und konstruktionsspezifischen Druckverlustwiderstand haben, der zusätzlich zur Überwindung der jeweiligen Wasserstandshöhen im betreffenden Becken für den Lufteintrag überwunden werden muss.
Eine weitere Möglichkeit des Lufteintrags in vergleichbaren und größeren Beckentiefen besteht in der Kombination geeigneter vertikal angeordneter Rührwerke, die zugleich über eine separate Luftzuführung einen mechanisch einfachen Lufteintrag über angebrachte Verrohrungen im Bereich der Unterseite betreffender Rührwerke zulassen, wobei die zunächst mit entsprechend geringem Aufwand und Druckverlust-Widerstand eingetragenen relativ großen Luftblasen zum Beispiel durch geeignete Finnen, die unterhalb des Rührkörpers an diesem angebracht sind, in einer Weise zerschlagen werden, dass ein bezüglich der oben geschilderten feinblasigen Tiefenbelüftung zumindest vergleichbar mittel- bis feinblasiger Lufteintrag erfolgen kann. Vorteil ist hier das Entfallen von Membranen und deren Tragkörpern bzw. Keramik-Bauteilen sowie der deutlich geringere Druckverlustwiderstand dieser Begasungselemente. Nachteil ist, dass für einen effizienten, nahezu feinblasigen Lufteintrag eine entsprechend hohe, meist deutlich gegenüber der ausreichenden Rührwirkung ohne Lufteintrag (wie etwa im anaeroben Einsatzfall) erhöhte Rührwerksdrehzahl und damit eine entsprechende höhere Energiezufuhr zum Rührwerk für dessen Aktivität erforderlich ist.
Alternativ zur Tiefenbelüftung sind in Abstimmung mit wesentlich geringeren Belebungsbeckentiefen, etwa bei Beckentiefen nicht tiefer bzw. mit Wasserständen nicht höher als.3 bis 4 m über Grund, auch mechanische Luft-Eintragungstechniken von der Oberfläche der mit Sauerstoff zu versorgenden Becken her bekannt. Dies geschieht dann in der Regel durch geeignete Kreiselbelüfter (mit vertikaler Drehachse) oder sogenannte Mammut-Belüfter (mit horizontaler Drehachse), welche in der Regel in ihrer Eintauchtiefe nahe der Wasseroberfläche und/oder Drehzahl geeignet variierend betrieben werden können, so dass mit aktuell entsprechender Intensität durch Aufwühlen der bzw. Einschlagen in die Wasseroberfläche gezielt Luft und damit der von der Biologie benötigte Sauerstoff eingetragen werden kann. Abgesehen von dem hierbei bereits angesprochenen Nachteil deutlich begrenzter Beckentiefen für eine relativ gleichmäßige Versorgung mit der von der Oberfläche her mechanisch eingetragenen unmittelbaren Umgebungsluft haben diese Systeme den Vorteil, dass hierfür weder eine komplexe Drucklufterzeugung, noch eine Verrohrung für die Druckluftzuführung noch die in der Regel dazugehörige Ventiltechnik inklusive betreffender Sensorik dazugehört und insbesondere die durchaus sehr aufwändige feinblasige Tiefenbelüftung komplett entfällt. Dagegen sprechen jedoch auch die Nachteile eines eben keineswegs feinblasigen Lufteintrags sowie die ausgesprochen schwierige Lufteintragsverteilung auf das gesamte, eigentlich zur Luftversorgung insgesamt avisierte Beckenvolumen mit insgesamt ausgesprochen geringer Sauerstoffeintragseffizienz.
Nach gängigem Stand der Technik wird auch gegenwärtig noch meist die Konzentration des gelösten Sauerstoffs in den betreffenden Beckenzonen für die Beobachtung und Bewertung und ggf. auch für die Regelung eines hinreichenden Sauerstoffeintrags entsprechend der jeweiligen Schmutzfrachtabbau-Prozesssituation verwendet. Dabei handelt es sich prinzipiell um eine Art „fast follower“ Regelung, da sich der betreffende Gelöstsauerstoffwert in der zu beurteilenden Belebungsbeckenzone im Grunde genommen nach dem gelaufenen Schmutzfrachtabbau durch die Sauerstoffzehrung als verbleibender Überschuss erst einstellt und schließlich nach genau diesem sich nachgängig einstellenden Wert die weitere Sauerstoffzufuhr regelungstechnisch festgelegt wird, wenn sie nicht primär oder gar ausschließlich nach gesetzlich vorgegebenen Ablaufwerten wie Ammonium- und/ oder Nitrat-Konzentration mit dafür hinreichender Sauerstoffzufuhr geregelt wird.
Entsprechend bekannten neueren Messsystemen wird nach dem geläufigen Stand der Technik die Abluft vorwiegend hinsichtlich des Sauerstoffgehalts (O₂-Gehalt in Vol.-%) und mitunter auch des Kohlendioxidgehalts (CO₂-Gehalt in Vol.-%) analysiert. Je nach Einsatzfall werden daraus Parameter wie die Sauerstoff-Transfereffizienz und die Sauerstoff-Zehrungsrate zur direkten Regelung der einzutragenden Luftmenge anhand des aktuellen Sauerstoffbedarfs ermittelt, der jedoch stark von der aktuellen Schmutzfracht-Last im zu klärenden Abwasser abhängig ist. Vorteil dieser Regelungskonzeption ist die sogenannte „feed forward“ Spezifik, da direkt die aktuell festgestellte Sauerstoff-Zehrungsrate als Maß für die Bemessung der erforderlich zuzuführenden Luftmenge dient.
Stand der Technik
Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Menge der in das Abwasser einzubringenden Umgebungsluft anhand des im Abwasser vorhandenen und, als solchen gemessenen, gelösten Sauerstoffanteils zu bestimmen. Allerdings wurde bisher nicht entsprechend die fortwährend mögliche Änderung der Zusammensetzung und der Menge des kontinuierlich zufließenden Abwassers in eine Abwasserkläranlage mitberücksichtigt.
So ist aus der DE 30 19 698 A1 ein Verfahren zur Aufrechterhaltung einer optimalen Sauerstoffkonzentration in einem Belebungsbecken einer Abwasserreinigungsanlage bekannt. Entsprechend dem sich ändernden biologischen Sauerstoffbedarf im Belebungsbecken der biologischen Abwasserreinigungsanlage wird im Austrittsbereich aus dem Belebungsbecken der spezifische Sauerstoffgehalt im Wasser, in Form der Konzentration von gelöstem Sauerstoff, festgestellt und bei ca. zwei Drittel des vorgesehenen O₂-Gehaltes, d. h. des Sollwertes, die volle Zugabeleistung der Belüftungseinrichtung eingeleitet. Die Zugabeleistung wird mit zunehmender Angleichung an den Sollwert kontinuierlich bis zur Einstellung einer den Sollwert erhaltenden Mindestleistung gedrosselt, und bei einem Abfall vom Sollwert wird eine jeweilige Anpassung an die geänderte und/oder die sich gerade ändernde Situation vorgenommen.
Aus der DE 31 50 902 A1 ist ein weiteres Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser mit einem zweistufigen Reinigungsvorgang unter Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases bekannt. Es wird das Abwasser in einer ersten Stufe durch einen Tropfkörper oder Filter und in der zweiten Stufe durch ein Belebungsbecken geleitet. Zur Erzielung hoher Reinigungswerte ist vorgesehen, der ersten Stufe über eine Zuleitung ein Behandlungsgas zuzuführen, welches mehr Volumenprozent an Sauerstoff enthält als Luft. Das entstehende Abgas wird über einen Gasströmungsweg aus der ersten Stufe in die zweite Stufe übergeleitet, und dabei wird die Menge des zugeführten Behandlungsgases so bemessen, dass das nach Durchgang durch die beiden Stufen über eine Abgasleitung insgesamt abgezogene Abgas noch 15 bis 70 Volumenprozent, vorzugsweise noch 25 bis 50 Volumenprozent Sauerstoff enthält.
Aus der DE 199 44 389 A1 ist es bekannt, zur Belüftung von Abwasser in einem Belebungsbecken im Bereich einer unteren Begasungszone ein erstes sauerstoffhaltiges Belüftungsgas dem Abwasser zuzuführen. Um hiervon ausgehend ein Verfahren zur effektiven Belüftung von Abwasser in einem Belebungsbecken kleiner Querschnittsfläche und großer Tiefe anzugeben, eine flexible und relativ preiswerte Belüftungsvorrichtung dafür bereitzustellen, sowie ein Belebungsbecken vorzuschlagen, das auch bei kleiner Querschnittsfläche und großer Tiefe einen ausreichend hohen Sauerstoffeintrag in das zu behandelnde Abwasser erlaubt, wird hinsichtlich des Verfahrens vorgeschlagen, dass dem Abwasser in einer oberen Begasungszone ein zweites sauerstoffhaltiges Belüftungsgas zugeführt wird. Die Belüftungseinrichtung zeichnet sich durch eine untere Begasungseinheit und mindestens eine obere Begasungseinheit aus. Im Belebungsbecken wird eine untere Begasungszone mit einer unteren Begasungseinheit und oberhalb davon eine obere Begasungszone mit einer oberen Begasungseinheit vorgesehen.
Aus der EP 0 885 639 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas in einen Biofilter mit aufsteigender Strömung offenbart. Es werden Zufuhrmittel für zu filterndes Wasser im unteren Teil des Biofilters vorgesehen. Es ist ein Filterbett (im Allgemeinen aus mindestens einer Lage eines körnigen Filtermaterials bestehend, dessen Dichte geringer oder höher als die Wasserdichte ist, das jedoch auch aus einer festen strukturierten Packung gebildet sein kann), das als Unterlage für eine Biomasse dient, die zum Zersetzen der kohlenstoff- und/oder stickstoffhaltigen Verunreinigungen des zu filternden Wassers aktiv ist, eingesetzt. Weiterhin sind Verteilungsmittel eines sauerstoffhaltigen Gases (klassischerweise Luft) in mindestens einem Teil des Filterbettes vorgesehen. Außerdem ist ein oberhalb des Filterbettes vorgesehener Reservebereich vorhanden, welcher die Bildung einer Wasserschicht oberhalb des Filterbettes ermöglicht. Schließlich sind Mittel zum Ableiten des gefilterten Wassers, das aufwärts durch das Filter gelaufen ist, welche im oberen Teil des Filters angebracht sind, vorhanden.
Aus der WO 2001/19738 A1 ist ein Verfahren zur Belüftung von Abwasser in einem Belebungsbecken bekannt, indem unterhalb des Abwasserspiegels im Bereich einer unteren Begasungszone ein erstes sauerstoffhaltiges Belüftungsgas dem Abwasser zugeführt wird, und dem Abwasser in einer oberhalb der unteren Begasungszone verlaufenden oberen Begasungszone ein zweites sauerstoffhaltiges Belüftungsgas zugeführt wird.
Aufgabe.
Gegenüber den bekannten Ausführungen aus dem Stand der Technik besteht die Aufgabe darin, auf eine energetisch hocheffiziente, deutlich sparsamere und dabei sehr flexible Weise, dabei mit technisch vertretbarem und vergleichsweise geringem Gesamtaufwand den von der Biologie benötigten Sauerstoff in ein Gewässer bzw. wasserhaltiges Becken, beispielsweise in ein aerob betriebenes Belebungsbecken so einzutragen, dass für jeden denkbaren Schmutzfrachtabbau- oder Reinigungs- oder Biologieanregungs-Prozess die notwendige gelöste Sauerstoffmenge in Form von in der Regel direkt verfügbarer Luft im nahen Umfeld des Gewässers bzw. wasserhaltigen Beckens, beispielsweise eines aerob betriebenen Belebungsbeckens, zugeführt werden kann. Zudem soll eine alternative Lösung zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen gegeben werden.
Lösung .
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch Verfahrensmerkmale des Patentanspruches 1 und die Vorrichtungsmerkmale des Patentanspruches 8 gelöst.

1. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas, z.B. Umgebungsluft, in ein Gewässer bzw. wasser- oder abwasserhaltiges Becken, beispielsweise in ein Belebungsbecken einer Abwasserkläranlage oder auch für eine separate Rücklauf-Belebtschlamm-Behandlung oder auch für eine Fischteich-Sauerstoffversorgung oder auch für eine auf Sauerstoffversorgung basierende sonstige Gewässerbehandlung, z.B. zu gezielten Sanierungszwecken. Stellvertretend wird die Lösung im Folgenden insbesondere für die Sauerstoffversorgung in einem aerob betriebenen Belebungsbecken einer Kläranlage beschrieben. Das Verfahren zeichnet sich nach Patentanspruch 1 durch die Verfahrensschritte aus, dass
1. a) mittels einer am oder im Gewässer bzw. Becken, insbesondere Belebungsbecken in dessen Oberflächenbereich vorwiegend waagerecht angeordneten, rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung an der Oberfläche des betreffenden Beckens aus dem Becken gezielt in einer annähernd waagerechten Weise, durchaus strömungsgünstig, aber nicht notwendigerweise vorwiegend von dem Oberflächenbereich der Abflussseite des Gewässers/Beckens/Belebungsbeckens her, ein abgegrenzter Teil des Wassers/Abwassers/Belebschlamms mechanisch dort hineingeleitet, selbständig mit leichtem Gefälle in dieser Vorrichtung, günstiger- aber nicht notwendigerweise in grober Ausrichtung zur Zuflussseite dieses Gewässers/Beckens/Belebungsbeckens hin, quasi zurückgeführt wird und dort auf diesem Führungsweg in mechanisch engen, unmittelbaren Kontakt mit dort unmittelbar verfügbarem sauerstoffhaltigem Gas, etwa üblicher, direkt aus der Umgebung angesaugter Druckluft, gebracht wird,
2. b) die Kontaktierung mit dem Gas bzw. der Luft z.B. durch das oberflächennahe Einblasen des Gases bzw. der Luft in der rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung zur Wasser/Abwasserführung im dortigen Bereich grob- oder auch feinblasig über eine hierfür beispielsweise speziell doppelwandig ausgeführte Wannen- oder auch Rohr-Wandung mit Öffnungen zum an der Gewässer- bzw. Becken-, beispielsweise Belebungsbeckenoberfläche befindlichen Führungsbereich der rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung in den hierfür abgezweigten Wasser/Abwasser- bzw. Belebtschlamm-Strom bewirkt wird oder die Gas- bzw. Luftzufuhr über ein geeignetes Belüftungselement mit vergleichsweise niedrigem Druckverlustwiderstand, verglichen mit Belüftungselementen, wie sie aus der feinblasigen Tiefenbelüftung bekannt sind, welches sich hier in der rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung, mit geeigneten Öffnungen ausgestattet, befindet, in einer Weise stattfindet, so dass es in jedem Fall zu einer sehr intensiven, durchaus auch möglicherweise schaumbildenden Durchmischung von hierbei eingetragenem sauerstoffhaltigen Gas bzw. eingetragener Luft und dem sogenannten Belebtschlamm (dem Abwasser-Biologie-Gemisch) kommen kann,
3. c) die stark durchmischte Mix-Phase aus Belebtschlamm und dem in diesem oberflächennahen Belebungsbeckenbereich eingetragenen Gas bzw. der Luft durch die im Wesentlichen von der Belebungsbecken-Abflussseite hin zur Belebungsbecken-Zuflussseite erfolgt, so dass die Strömung dieses an der Oberfläche in der Vorrichtung geführten Belebtschlamms allein schon durch die Eintrags- bzw. Einblas-Vorzugsrichtung ausreichend und automatisch und ohne zusätzlich erforderliche Pumpwirkung strömungsbeschleunigend unterstützt wird, wodurch zugleich auch die Durchmischung des gesamten Belebungsbeckens mit der mit Sauerstoff angereicherten Mix-Phase gesichert ist.
2. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der in Patentanspruch 1 verfahrenstechnisch beschriebenen Vorrichtung ist entsprechend Patentanspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass verfahrenstechnisch mit einer geeigneten Pumpe in einer geeigneten Leitung von der Oberfläche des Belebungsbeckens die intensiv mit Sauerstoff angereicherte Mixtur aus sauerstoffhaltigem Gas und Wasser/Abwasser/Belebtschlamm aus dem Bereich der separat für die Gasanreicherung geführten rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung in den unteren Beckenbereich an dessen Zulaufseite hinuntergeführt wird, wodurch eine automatisch intensive Durchmischung der hierbei hoch mit gasförmigem . Sauerstoff angereicherten Flüssigkeit-Gas-Mixtur und dadurch zwangsläufig auch anteilig in hohem Maß und mit während der Durchströmung weiter zunehmendem Gehalt an mit gelöstem Sauerstoff angereichertem Belebtschlamm insbesondere hin zum daran folgenden unteren Teil des Belebungsbeckens verstärkt wird, der sich dann leicht in dem gesamten vom Belebtschlamm durchströmten Becken verteilt.
3. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der in Patentanspruch 1 verfahrenstechnisch beschriebenen Vorrichtung ist entsprechend Patentanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass verfahrenstechnisch wahlweise die bei insbesondere intermittierendem Betrieb in diesem Belebungsbecken ohnehin für den anaeroben Betrieb vorhandenen Rührwerke durch gezielten Betrieb auch im aeroben Betriebsfall für die Beckendurchmischung mit dieser Sauerstoffanreicherungsform genutzt werden oder auch separat hierfür eingebaute Rührwerke für die vollständige Durchmischung genutzt werden, falls diese Belüftungstechnik nach Anspruch 1 die einzige zur Anwendung kommende ist.
4. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der in Patentanspruch 1 verfahrenstechnisch beschriebenen Vorrichtung ist entsprechend Patentanspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass verfahrenstechnisch im Fall einer Ausstattung mit einem oder mehreren Vertikalrührwerk(en) die annähernd waagerecht angeordnete, rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartige Führungsvorrichtung oder auch mehrere dieser Führungsvorrichtungen für den an der Oberfläche des Belebungsbecken aufgefangenen Belebtschlamm mit je leichter Gefälleneigung, etwa vom Oberflächenbereich im Ablaufbereich dieses Beckens gesamtströmungsbezogen rückwärts bis in die Nähe der Rührwerkswelle eines dieser vertikal angeordneten Rührwerks bzw. gegebenenfalls in mehrfacher Ausführung in die Nähe auch weiterer vertikal angeordneter Rührwerkswellen geführt wird, so dass der an der Oberfläche nach Anspruch 1 mit Luft angereicherte Belebtschlamm automatisch in die sehr wirksame Belebtschlamm-Beckenumwälzung dieses Rührwerkes bzw. dieser Rührwerke einbezogen wird und damit die Sauerstoffverteilung ohne weiteres Zutun gesichert ist.
5. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 5 ist vorgesehen, dass verfahrenstechnisch im Verfahrensschritt nach 1 in Kombination mit Anspruch 2 die Pumpe das Belebtschlamm-Luft-Gemisch vom Beckenboden her im in Anspruch 2 beschriebenen Rohr ansaugt und so mit einem geeignet gestalteten Rohr-Austritt in Beckenbodennähe die gezielte Belebungsbecken-Durchmischung mit fördert.
6. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 6 vorgesehen, dass verfahrenstechnisch bei zusätzlichem, ggf. auch wegen bisherigem Einsatz noch gegebenem Vorhandensein konventioneller Tiefenbelüftung diese ergänzend kontinuierlich zur Regelbarkeit der insgesamt notwendigen Sauerstoffzufuhr oder auch nur unter besonders hohen Lastbedingungen oder zumindest zeitanteilig oder auch nur kurzzeitig pulsierend wenigstens für die Durchmischung genutzt wird, auch wenn sie eventuell nicht mehr als vorrangiges Belüftungssystem dient, da die Vorrichtung nach dem verfahrenstechnischen Anspruch 1 hierfür anteilig oder vollständig kontinuierlich oder komplett die frühere Belüftungstechnik ersetzend verwendet wird.
7. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 1 ist vorgesehen, dass verfahrenstechnisch der Schmutzfrachtabbau zielgerecht mittels einer Sauerstoffeintragsregelung so geführt wird, dass nach dem bekannten Verfahren der Zehrungsratenbestimmung und mit einer daraus abgeleiteten Sauerstoffzufuhr-Mengenregelung über eine entsprechend zugrundeliegende Abluftanalyse geregelt wird und dabei auch zusätzlich noch nach den gewünschten Prozess-Anteilsproportionen geregelt wird und hierfür schlussendlich eine zielgerecht variierende Luftmenge technisch entsprechend Anspruch 1 zugeführt wird.
8. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 8 ist vorgesehen, dass entsprechend Anspruch 1 und Anspruch 7 gezielt durch eine geeignete Vorrichtung, ggf. durch eine separate, zusätzliche Abluft-Auffangsonde im oberflächennahen Belebungsbeckenbereich, angeordnet auf dem Durchmischungsbereich entsprechend Anspruch 1, das Abluft-Frischluft-Gemisch von der Umgebungsluft abgeschirmt aufgefangen und hinsichtlich weiterer Gaskomponenten, z.B. hinsichtlich leichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe, analysiert wird, welche als Störkomponenten im gewünschten Schmutzfracht-Abbau durch untypische Schmutzfrachteinleitung den Abbau-Prozess stören können und so messtechnisch hier besonders sensitiv detektiert werden können und dass gegebenenfalls unmittelbar mittels Einleitung chemischer und/oder weiterer bakterieller Komponenten und/oder einem deutlichen Übermaß an Umgebungsluft durch den damit verbundenen Stripp-Effekt diese Störkomponenten kompensiert und/oder chemisch deaktiviert und/oder ausgestrippt werden..
9. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 9 ist vorgesehen, dass die eingetragene Umgebungsluft mittels eines auf dem Gelände der Abwasserkläranlage angeordneten einfachen Verdichters oder Gebläses oder auch einer Art Turbine aus der Umgebungsluft nahezu gegendruckfrei angesaugt und dem speziellen Belebungsbecken-Sauerstoffeintragungsbereich ohne den bei Tiefenbelüftung notwendigen Überdrück zugeführt wird.
10. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 10 ist vorgesehen, dass die Abwasserkläranlage in der Regel aufweist:
- - einen Schmutzwasserzulauf, dessen Zulaufmenge variiert,
- - eine dem Schmutzwasserzulauf nachgeordnete Absonderungsvorrichtung für die im Schmutzwasser enthaltenen mechanisch zurückhaltbaren groben Verschmutzungen,
- - ein oder Absonderungsvorrichtung nachgeschaltetes Absetzbecken, in dem sich Stoffe, die im Schmutzwasser ungelöst enthalten sind und eine deutlich höhere Dichte als Wasser aufweisen, auf dessen Boden absetzen, und sich Stoffe, die im Schmutzwasser ungelöst enthalten sind und eine deutlich geringere Dichte als Wasser aufweisen, an der Oberfläche des Schmutzwassers im Absetzbecken anlagern,
- - das Belebungsbecken, dem Schmutzwasser aus dem Absetzbecken zugeführt wird und in welchem Belebtschlamm mit aggregierten Bakterien und anderen Mikroorganismen enthalten ist, welche Abwasserinhaltsstoffe biotisch oxidativ abbauen, wobei aus dem Belebungsbecken mit Belebtschlamm versetztes Wasser abläuft im selben Maß, wie Schmutzwasser aus dem Absetzbecken zugeführt wird, wobei im Bereich der Belebtschlammoberfläche des Belebungsbeckens, zumindest eines Teils des Belebungsbeckens, Umgebungsluft, die aus der Umgebung des Belebungsbeckens entnommen wird, in selbiges unter geringem Druck, aber in variabel und durchaus auch großer Menge zumindest zeitanteilig oder kontinuierlich eingeblasen wird,
- - ein Nachklärbecken, in das das mit Belebtschlamm versetzte Wasser abläuft und in dem die Biologie durch Absetzen aus dem gereinigten Abwasser abgetrennt wird, und
- - einen Ablauf, über den das gereinigte Abwasser aus dem Nachklärbecken die Kläranlage verlässt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 8 dient zur Verwendung und zum Einsatz in dem Verfahren zur Zuführung von Umgebungsluft in ein Belebungsbecken einer Abwasserkläranlage zur beschleunigten Störfallindikation und gegebenenfalls zur automatisierbaren Störfallbekämpfung. Die Vorrichtung besteht zumindest aus der Abluft-Auffangeinheit, einer geeigneten Verschlauchung hin zu einer Gasanalyseeinheit und aus einer Steuereinheit. Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung FIG ist schematisch der Aufbau einer Abwasserkläranlage dargestellt, mit den erfindungswesentlichen Komponenten.
Es wird darauf verzichtet, Bestandteile zu zeigen und zu beschreiben, welche nicht wesentlich zum Verständnis der hierin offenbarten technischen Lehre sind. Im Weiteren werden nicht für alle bereits eingeführten und dargestellten Elemente die Bezugszeichen wiederholt, sofern die Elemente selbst und deren Funktion bereits beschrieben wurden oder für einen Fachmann bekannt sind.
Die nachfolgend beschriebene Abwasserkläranlage kann auch in einer anderen als der nachfolgend beschriebenen Form konfiguriert und aufgebaut sein. Die nachfolgende Beschreibung einer Abwasserkläranlage dient dem weiteren Verständnis der Erläuterung der Erfindung, da diese in einer Abwasserkläranlage, vorzugsweise in einem zumindest temporär und/oder flächenanteilig aerob betriebenen Belebungsbecken, zur Anwendung kommt.
Die nachfolgend beschriebene Abwasserkläranlage besitzt eine Abwasserzuführung 1. Über die Abwasserzuführung 1 wird das in der Kanalisation gesammelte und im Zuge der Abwasserbeseitigung zur Abwasserkläranlage transportierte Abwasser, auch als Schmutzwasser bezeichnet, der Abwasserkläranlage zugeführt. Der Abwasserzuführung 1 ist zumeist ein Zulaufbecken 2 nachgeordnet, in dem das über die Abwasserzuführung 1 zugeführte Abwasser zunächst gesammelt wird. Die Abwasserzuführung 1 und das Zulaufbecken 2 werden gemeinsam auch als Abwasserzulauf oder Schmutzwasserzulauf bezeichnet. Häufig sind dortig eine Vorrichtung zur Messung der Zulaufmenge sowie ein Pumpwerk zur Hebung des Abwassers vorhanden.
An dem Zulaufbecken 2 ist ein sogenannter Regenüberlauf 15 angeordnet. Dieser Regenüberlauf 15 dient dazu, dass die Kläranlage nicht mit Abwasser überflutet wird, sollte eine zu große Menge an Abwasser-Regenwasser-Gemisch zugeleitet werden. Insbesondere bei einem sogenannten Mischsystem, in dem sowohl Regen- als auch Schmutzwasser in einem Kanal gefasst und der Kläranlage gemeinsam zugeleitet werden, muss das Kanalnetz in der Regel durch ein Regenentlastungssystem, durch einen Regenüberlauf und/oder durch ein Regenüberlaufbecken entlastet werden, damit die Kläranlage nicht überlastet wird. Dies kann entweder bereits im Kanalnetz oder auch erst in der Kläranlage geschehen. In der Ausgestaltung nach 1 erfolgt dies mittels des Regenüberlaufs 15.
Eine andere Möglichkeit der Zuführung von Schmutzwasser und Regenwasser an eine Kläranlage ist eine Zuführung nach dem Trennsystem. Hierbei werden das Schmutzwasser und das Regenwasser jeweils in einem separaten Abwasserkanal der Kläranlage zugeführt. Wird nun zu viel Regenwasser der Kläranlage zugeführt, wird dieses direkt über einen Regenüberlauf 15 von der Kläranlage abgeleitet.
Dem Zulaufbecken 2 ist eine Absonderungsvorrichtung 3 nachgeschaltet. Das Abwasser aus dem Zulaufbecken 2 wird in einer nahezu kontinuierlichen Menge, jedoch kann diese auch variieren, je nach Menge an Zulauf von Abwasser, über die Absonderungsvorrichtung 3 einem Absetzbecken 4 zugeleitet. In der Absonderungsvorrichtung 3 wird das Abwasser durch einen Rechen oder durch ein Sieb geleitet. Im Rechen oder Sieb bleiben grobe Verschmutzungen, wie Artikel der Monatshygiene, Holzstücke, Steine, Laub und auch tote Tiere ausgefiltert. Diese Grobstoffe würden sowohl die Pumpen der Kläranlage verstopfen als auch das biologische Reinigungsergebnis verschlechtern. Je schmaler der Durchgang für das Abwasser im Rechen oder Sieb ist, desto weniger Grobstoffe verbleiben im Abwasser. Die so dem Abwasser entnommenen Grobstoffe werden einer geeigneten weiteren Entsorgung zugeführt.
Das Absetzbecken 4 ist häufig mit der Absonderungsvorrichtung 3 kombiniert. Es bestehen auch Abwasserkläranlagen, bei welchen das Absetzbecken 4 mit dem Vorklärbecken 5 kombiniert ist. Das Absetzbecken 4 entfernt grobe, aus dem Abwasser auf dem Boden des Absetzbeckens 4 absetzbare Verunreinigungen aus dem Abwasser, wie z. B. Sand, kleine Steine oder Glassplitter. Diese Stoffe würden zu betrieblichen Störungen in der Anlage führen und einen höheren Verschleiß oder Verstopfungen der Leitungen innerhalb der Kläranlage bewirken. In einer besonderen Ausgestaltung ist das Absatzbecken 4 als Langsandfang ausgestaltet oder als belüfteter Langsandfang, in dem zugleich Fette und Öle an der Oberfläche abgeschieden werden. Eine weitere besondere Ausgestaltung ist ein Rundsandfang oder ein Tiefsandfang.
Die Belüftung des Sandfangs, die vorzugsweise am Boden des Absetzbeckens 4 angeordnet ist, erzeugt eine Wirbelströmung. Durch die eingeblasene und gelöste Luft verringert sich die Dichte des Abwassers. Aufgrund beider Effekte setzen sich die schweren, vorwiegend mineralischen Feststoffe am Boden des Absetzbeckens ab. Beim Tiefsandfang strömt das Abwasser von oben in das Absetzbecken 4 und erreicht durch dessen Tiefe eine relativ hohe Verweildauer, wodurch sich der schwerere Sand am Boden des Absetzbeckens absetzt.
Aus dem Absetzbecken 4 wird das Abwasser in das Vorklärbecken 5 geleitet. Das Abwasser fließt langsam durch das Vorklärbecken 5. Ungelöste Stoffe (Fäkalien, Papier etc.) setzen sich daher auf dem Boden des Vorklärbeckens 5 ab oder schwimmen an der Oberfläche des Vorklärbeckens 5 auf. Circa fünfunddreißig Prozent der organischen Stoffe werden im Vorklärbecken 5 entfernt. Es entsteht dort ein sogenannter Primärschlamm, der in den sogenannten Voreindicker geleitet wird. Zusammen mit dem überschüssigen Schlamm aus der aeroben Belebungsanlage wird er eingedickt. Der Schlamm setzt sich ab und das überschüssige Wasser, sogenanntes Trübwasser, wird abgezogen und dem weiteren Reinigungsprozess der Kläranlage zurückgeführt. Der eingedickte Schlamm wird zur weiteren anaeroben Behandlung z. B. in einen Faulturm gepumpt. In einer alternativen Ausgestaltung werden die nitrathaltigen organischen Stoffe des Abwassers von der entsprechend anaerob aktiven Biologie im Belebtschlamm (ohne Sauerstoff-Zufuhr von außen) als Reduktionsmittel zur Stickstoffentfernung mittels Denitrifikation zu Stickstoff (N₂) im anaeroben, mitunter sogar anoxischen Teil beziehungsweise in der anaeroben/anoxischen Phase der biologischen Stufe verwendet.
Im Becken 5 erfolgt gegebenenfalls zugleich eine sogenannte vorgeschaltete Denitrifikation. In diesem Fall zählt auch dieser anaerobe Beckenbereich bereits zur sogenannten biologischen Schmutzfrachtabbau-Prozessstufe.
Aus dem Vorklärbecken/Denitrifikationsbecken 5 gelangt das Abwasser in das Belebungsbecken 6. Im Belebungsbecken 6 wird das mit Belebtschlamm versetzte Abwasser insbesondere und zumindest zeitanteilig belüftet (aerobe Prozessstufe). Durch Belüften des mit Belebtschlamm versetzten Abwassers werden die Abwasserinhaltsstoffe im Abwasser in dieser biologischen Prozessstufe biotisch oxidativ abgebaut. Dabei werden von aeroben Bakterien und anderen Mikroorganismen Kohlenstoffverbindungen größtenteils zu Kohlendioxid abgebaut sowie teilweise zu Biomasse umgesetzt und der zumeist als Ammoniak (NH₃) bzw. Ammonium (NH₄ ⁺ -Ionen) eingebettete Stickstoff aus den organischen Verbindungen wird durch andere Bakterien zunächst mit Sauerstoff zu Nitrit (NO₂ ^-) und schließlich zu Nitrat (NO₃ ^-) oxidiert. Das Belebungsbecken 6 wird zumeist im kontinuierlichen Durchlauf und mit kontinuierlicher Luftzufuhr betrieben, d. h., in das Belebungsbecken 6 läuft kontinuierlich Abwasser zu, wird in diesem Beckenbereich aerob betrieben (Lufteintrag) und im selben Maß wie beim Zufluss läuft Belebtschlamm enthaltendes (Ab-)Wasser kontinuierlich ab. Durch die Zugabe von Fällmitteln kann mittels chemischer Reaktionen außerdem der Nährstoff Phosphor entfernt werden, gegebenenfalls durch Simultanfällung. Dies verbessert auch die Absetzeigenschaften des Belebtschlamms im Nachklärbecken.
Das aus dem Belebungsbecken 6 ablaufende und mit Belebtschlamm versetzte Abwasser läuft in das Nachklärbecken 7.
Es ist weiterhin Leitung 19 vorgesehen, über die mit Belebtschlamm versetztes Abwasser, entnommen zwischen dem Belebungsbecken.6 und dem Nachklärbecken 7, in das Belebungsbecken 6 bzw. 5 (falls Becken 5 für eine vorgeschaltete Denitrifikation verwendet wird), jedenfalls unmittelbar zum Zufluss in die vorgeschaltete Denitrifikation erneut zugeführt wird. Diese Leitung wird auch als Rezirkulationsleitung bezeichnet.
Denn bei dem Konzept der vorgeschalteten Denitrifikation wird ein mitunter beträchtlicher Teil des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches als ebendiese sogenannte Rezirkulation (durchaus in der Größenordnung von ganzzahligem Vielfachen, etwa Faktor 2 bis 6, der Zulaufmenge, typisch bis zu etwa 400%) der biologischen Prozessstufe vom Ablauf der Nitrifikation vor dem Zufluss in das Nachklärbecken abgezweigt 19 und erneut der biologischen Schmutzfrachtabbau-Prozessstufe zugeführt, parallel zum Abwasser-Zulauf vor der bzw. in die anaerobe(n) Denitrifikationsstufe. Hiermit wird in der Regel erreicht, dass die im Vergleich zur Kohlenstoffabbau-Biologie schwächer aktive Nitrifikations-Biologie (mit dem Ziel des Ammonium-Abbaus) im erforderlichen Maß die mit der Schmutzfracht zugeführten Ammonium-Komponenten nach deren (aerob bewirkten) Abbau mit der Folge von Nitrat-Bildung (in der Regel dann im Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch nach der Nitrifikation mit weit höherer Nitrat-Konzentration als im der Kläranlage zugeführten Abwasser) durch die bewusste erneute anaerobe Denitrifikation (meist wegen der Effizienz als vorgeschaltete Denitrifikation betrieben) wiederum durch den dort erfolgenden Nitrat-Abbau (deshalb Denitrifikation) entsprechend den abwassertechnischen Vorschriften die erforderlichen Abbaumengen auch des (ansonsten in der Regel mit nur sehr geringer Konzentration im zugeführten Ab- bzw. Schmutzwasser enthaltenen, eben erst durch die Nitrifikation gebildeten) Nitrats gerecht wird.
Das Nachklärbecken 7 bildet mit dem Belebungsbecken 6 ebenfalls eine Prozesseinheit. Im Nachklärbecken 7 wird der Belebtschlamm durch Absetzen aus dem Abwasser abgetrennt. Ein Teil des Belebtschlamms wird in das Belebungsbecken 6 als sogenannter Rücklaufschlamm zurückgeführt 16 (Leitung 16 für anteilige Rückführung aus der Nachklärung in das Belebungsbecken 6 bzw. 5 (bei vorgeschalteter Denitrifikation). Diese anteilige Rückführung des Belebtschlamms erfolgt, um die Konzentration an Mikroorganismen im Belebungsbecken 6 ausreichend hoch zu halten. Würde keine (teilweise) Rückführung des im Nachklärbecken abgesetzten Belebtschlamms (der Schmutzfracht-Abbaubiologie) erfolgen, so wäre die Abbauleistung der Bakterien und Mikroorganismen zu niedrig. Der Überschuss bzw. anteilige Zuwachs an Biomasse, der sogenannte Überschussschlamm, wird aus dem Nachklärbecken 7 in die Schlammentsorgung 17 geleitet. Dies erfolgt über eine Überschussschlammentnahmeleitung.
Über den Ablauf 8 wird das gereinigte Abwasser aus der Kläranlage ausgeleitet.
Es ist nun Ziel der Erfindung, durch ein extrem energieeffizientes Verfahren auf hinreichend schnelle und anlagentechnisch einfache, daher sowohl in der Vollkostensumme preiswerte als auch dennoch verfahrenstechnisch hoch-wirksame Weise den in das Belebungsbecken 6 einzubringenden Sauerstoff stets in mindestens der optimalen Menge an Sauerstoff, in Störfällen auch sehr kurzfristig in beträchtlich größeren Mengen, zuzuführen.
Zur Zuführung von Sauerstoff in das Belebungsbecken 6 ist im Belebungsbecken 6 konventionell zumeist eine Einblasvorrichtung 18 angeordnet. In einer konventionell vorteilhaft gewesenen Ausgestaltung ist die Einblasvorrichtung 18 in der Nähe des Bodens des Belebungsbeckens 6 angeordnet. Üblicherweise wird an einer Aufnahmeposition 14 Umgebungsluft angesaugt und in die Einblasvorrichtung 18 in das Belebungsbecken 6 eingetragen, eingeblasen. Konventionell vorteilhaft ist außerdem in der Regel vorgesehen, dass die Einblasvorrichtung 18 nahezu den gesamten Boden des Belebungsbeckens 6 repräsentativ einnimmt und variabel, z.B. über regelbare Ventile 11, einstellbar in der Menge und ggf. auch in der Blasengröße, variierend sowohl große als auch kleine Blasen mit angesaugter Umgebungsluft, gezielt geführt mittels der Steuereinheit 12, in das Belebungsbecken 6 eintragen kann.
Neu entsprechend Anspruch 1 wird nunmehr das sauerstoffhaltige Gas zumindest anteilig über die rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartige(n) Vorrichtung(en) zur Wasser/Abwasserführung 20 grob- oder auch feinblasig im dortigen Bereich mit dafür geeigneten Lufteintragselementen 21 oberflächennah eingetragen. Für den Sauerstoffeintrag, der in der Regel mit Luft durchgeführt wird, kann eine separate, einfachere (wegen der geringeren Druckanforderungen) Drucklufterzeugung oder auch das bisherige Gebläse 10 verwendet werden.
Es ist eine Steuereinheit 12 vorgesehen, die über einen geeigneten Verdichter oder ein entsprechendes Gebläse 10, der/das die Umgebungsluft an der Aufnahmeposition 14 ansaugt, jedoch nunmehr anders als bisher üblich und in deshalb besonders vorteilhafterweise kaum verdichtet und mit nur geringem Überdruck, d.h. nur geringfügig komprimiert, aber dafür beträchtlich beschleunigt, ähnlich im Vergleich auch zu einer bekannten Gasturbinenwirkung, und in einer hierfür vorgesehenen, ihm dafür direkt folgenden Rohrleitung 22, ohne ein in der Regel dort notwendiges Luftmengen-Regelorgan 11 in der zuführenden Rohrleitung der Einblasvorrichtung 18, in der Version an den Oberflächenbereich in die dortige Vorrichtung, beschrieben nach dem verfahrenstechnischen Anspruch 1, die Luft zuführt. Die Steuereinheit 12 kann dabei wie auch bisher die Aktivität des Gebläses führen.
Außerdem ist vorteilhafterweise, wenngleich nicht notwendigerweise, eine Gasanalyseeinheit 13 vorhanden. Die Gasanalyseeinheit 13 erfasst in der Regel zyklisch zum Vergleich den Sauerstoffgehalt und den CO₂-Gehalt der an der Aufnahmeposition 14 angesaugten Umgebungsluft und dient vor allem der Abluftanalyse von Belebungsbecken 6. Speziell für diese ist im Weiteren vorteilhafterweise eine Vorrichtung 9 vorgesehen, die vorzugsweise auf der Oberfläche des Belebungsbeckens an einer typischen Stelle mit dem normalen Austritt von Abluft als Ergebnis des zugeführten sauerstoffhaltigen Gases, im einfachsten Fall Luft, und der Konzentrationsänderungen durch die Sauerstoff-Zehrung der Biologie, insbesondere der Komponenten Sauerstoff und Kohlendioxid, abgeschirmt von der Umgebungsluft auffängt und der Gasanalyseeinheit 13 zur Analyse zuführt. Die der Abluftanalyse dienende Gasanalyseeinheit 13 kann bekanntlich vorteilhafterweise Parameter zur besonders energieeffizienten Steuerung der biologischen Schmutzfrachtabbau-Prozesses mit Hilfe der üblichen Steuereinheit 12 liefern.
Zusätzlich kann die Gasanalyseeinheit 13 entsprechend Anspruch 8 den Gehalt möglicher Störkomponenten in der dort aufgefangenen Abluft, wie z.B. leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe, insbesondere Aromate, wie sie typisch für Lösungsmittel sind und welche den biologischen Schmutzfrachtabbau erheblich stören können, teilweise lähmen oder gar vollständig unterbinden können, detektieren und/oder analysieren.
Vorteilhafterweise wird wegen der gesteigerten Ausstripp-Wirkung zusätzlich im Bereich 20 des Lufteintrags nach Anspruch 1 eine geeignete, separate Abluft-Sammelhaube 23 platziert und mit der dafür geeigneten Gasanalyseeinheit 13 für die Analyse der dortigen, stark mit sauerstoffhaltigem Gas angereicherten Abluft, zur Detektion speziell eventuell auftretender Störkomponenten im Abwasser, durch die gesteigerte Ausstripp-Wirkung hier in der Abluft noch leichter detektierbar, verbunden.
Im Fall von bereits vorhandenen Verdichtern bzw. Gebläsen 10 können diese bei einer verfahrenstechnisch vollständigen Umstellung der aeroben Belebung entsprechend Patentanspruch 1 ersatzweise und praktisch äußerst energiesparsam quasi im Leerlauf ohne Erzeugung des üblichen Überdruckes für den Lufteintrag weiter verwendet werden, wenn man auf den Einsatz speziell entsprechend Patentanspruch 1 optimal ausgelegter, dafür aber ggf. neu zu beschaffender Belüftungstechnik verzichten möchte.
Auch ein gezielter Parallelbetrieb der bisher vorhandenen Gebläse 10, Ventileinrichtungen 11, Belüftungseinrichtungen 18 mit den neuartigen in der/den Vorrichtungen 20 angeordneten Belüftungseinrichtungen 21, geeignet gesteuert über die Steuereinheit 12, ist umsetzbar und kann gegebenenfalls vorteilhaft insgesamt weiter energiesparend durch die Vorrichtungen 20 mit den Belüftungseinrichtungen 21 zum Einsatz kommen.
Bezugszeichenliste

1: Abwasserzuführung 1+2 Schmutzwasserzulauf
2: Zulaufbecken
3: Absonderungsvorrichtung Rechen
4: Absetzbecken Sandfang
5: Vorklärbecken/unter Umständen Denitrifikationsbecken
6.: Aerob betriebenes Belebungsbecken
7: Nachklärbecken
8: Ablauf
9: Auffangvorrichtung (zum Auffangen des an der freien Oberfläche des Belebungsbeckens austretenden Gases), nicht angebracht im Bereich der rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung entsprechend Anspruch 1
10: Konventionell verwendeter Verdichter bzw. verwendetes Gebläse odererfindungsgemäß ebenfalls nutzbar, aber auch zumindest ergänzend weiter nutzbar oder auch vollständig ersetzt durch einen geeignetes Gebläse, einen energiesparenden Niederdruck-Verdichter oder auch durch eine Art Turbine
11: Ventil
12: Steuereinheit
13: Gasanalyseeinheit
14: Aufnahmeposition (für Umgebungsluft)
15: Regenüberlauf
16: Belebtschlamm-Rückführung (anteilig aus der Nachklärung)
17: Belebtschlamm-Entnahme (anteilig aus Nachklärung) zur Schlammentsorgung
18: Konventionelle Einblasvorrichtung, ergänzt oder ersetzt durch die in Anspruch 1 beschriebene neuartige Einblasvorrichtung 21
19: Rezirkulationsleitung
20: Rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartige Vorrichtung
21: Lufteintragselemente als spezielle Einblasvorrichtung im oberflächennahen Bereich des aeroben Belebungsbeckens 6, begrenzt auf die Vorrichtung 20
22: Direkte Zuführungsleitung für die Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas vom Gebläse 10 zu den Lufteintragselementen 21, die positioniert sind an oder in der Vorrichtung 20
23: Abluftsammelhaube, positioniert im Oberflächenbereich der Vorrichtung 20 und verbunden mit der Gasanalyseeinheit 13

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3019698 A1 [0010]
DE 3150902 A1 [0011]
DE 19944389 A1 [0012]
EP 0885639 A1 [0013]
WO 2001/19738 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas, der Einfachheit halber z.B. von Umgebungsluft, in ein mit Wasser/Abwasser gefülltes Gewässer oder Becken, z.B. in ein Belebungsbecken (6) einer Abwasserkläranlage, mit den dadurch gekennzeichneten Verfahrensschritten, dass a) mittels einer am oder im betreffenden Becken (6) in dessen Oberflächenbereich vorwiegend waagerecht angeordneten, rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung an der Oberfläche des betreffenden Beckens aus dem Becken gezielt in einer annähernd waagerechten Weise, vorwiegend vom Oberflächenbereich des Beckens her, ein abgegrenzter Teil des Wassers/Abwassers mechanisch dort hineingeleitet wird, selbständig durch Strömungsintensität und/oder z.B. mit leichtem Gefälle in dieser Vorrichtung geführt wird und dort auf diesem Führungsweg in mechanisch engen, unmittelbaren Kontakt mit dort unmittelbar verfügbarem sauerstoffhaltigem Gas, etwa üblicher, direkt aus der Umgebung angesaugter Druckluft, gebracht wird, b) die Kontaktierung mit dem Gas bzw. der Luft z.B. durch das oberflächennahe Einblasen des Gases bzw. der Luft in einer rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung zur Wasser/Abwasserführung im dortigen Bereich grob- oder auch feinblasig über eine hierfür beispielsweise speziell doppelwandig ausgeführte Wannen- oder auch Rohr-Wandung mit Öffnungen zum an der Gewässer- bzw. Becken-, beispielsweise Belebungsbeckenoberfläche befindlichen Führungsbereich der rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung in den hierfür abgezweigten Wasser/Abwasser- bzw. Belebtschlamm-Strom bewirkt wird oder die Gas- bzw. Luftzufuhr über ein geeignetes Belüftungselement mit vergleichsweise niedrigem Druckverlustwiderstand, verglichen mit Belüftungselementen, wie sie aus der feinblasigen Tiefenbelüftung bekannt sind, welches sich hier in dem Bereich der rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung, mit geeigneten Öffnungen ausgestattet, befindet, in einer Weise stattfindet, so dass es in jedem Fall zu einer sehr intensiven, durchaus auch möglicherweise schaumbildenden Durchmischung von hierbei eingetragenem sauerstoffhaltigen Gas bzw. eingetragener Luft und dem sogenannten Belebtschlamm (dem Abwasser-Biologie-Gemisch) kommen kann, c) die stark durchmischte Mix-Phase aus Wasser/Abwasser bzw. Belebtschlamm und dem in diesen mittels rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung im oberflächennahen Belebungsbeckenbereich eingetragenen Gas bzw. der Luft durch die im Wesentlichen von der Belebungsbecken-Abflussseite hin zur Belebungsbecken-Zuflussseite erfolgt, so dass die Strömung dieses an der Oberfläche in der Vorrichtung geführten Belebtschlamms allein schon durch die Eintrags- bzw. Einblas-Vorzugsrichtung ausreichend und automatisch und ohne zusätzlich erforderliche Pumpwirkung strömungsbeschleunigend unterstützt wird, wodurch zugleich auch die Durchmischung des gesamten Belebungsbeckens gesichert ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt nach der Anreicherung mit dem sauerstoffhaltigen Gas verfahrenstechnisch mit einer geeigneten Pumpe in einer geeigneten Leitung von der Oberfläche des Belebungsbeckens die intensiv mit Sauerstoff angereicherte Mixtur aus sauerstoffhaltigem Gas und Wasser/Abwasser/Belebtschlamm aus dem Bereich der separat für die Gasanreicherung geführten rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung in den unteren Beckenbereich an dessen Zulaufseite hinuntergeführt wird, wodurch eine automatisch intensive Durchmischung der hierbei hoch mit gasförmigem Sauerstoff angereicherten Flüssigkeits-Gas-Mixtur und dadurch zwangsläufig auch anteilig in hohem Maß und mit während der Durchströmung weiter zunehmendem Gehalt an mit gelöstem Sauerstoff angereichertem Belebtschlamm insbesondere hin zum daran folgenden unteren Teil des Belebungsbeckens verstärkt wird, der sich dann leicht in dem gesamten vom Belebtschlamm durchströmten Becken verteilt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt nach der Anreicherung mit dem sauerstoffhaltigen Gas verfahrenstechnisch wahlweise die bei insbesondere intermittierendem Betrieb in diesem Belebungsbecken in der Regel ohnehin für den anaeroben Betrieb vorhandenen Rührwerke durch gezielten Betrieb auch im aeroben Betriebsfall für die Beckendurchmischung mit dieser Sauerstoffanreicherungsform genutzt werden oder auch separat extra hierfür eingebaute Rührwerke für die vollständige Durchmischung genutzt werden, falls diese Belüftungstechnik nach Anspruch 1 die einzige zur Anwendung kommende ist.
Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass verfahrenstechnisch im Fall einer Ausstattung mit einem oder mehreren Vertikalrührwerk(en) die annähernd waagerecht angeordnete, rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartige Führungsvorrichtung oder auch mehrere dieser Führungsvorrichtungen für den an der Oberfläche des Belebungsbecken aufgefangenen Belebtschlamm mit je leichter Gefälleneigung, etwa vom Oberflächenbereich im Ablaufbereich dieses Beckens gesamtströmungsbezogen rückwärts bis in die Nähe der Rührwerkswelle eines dieser vertikal angeordneten Rührwerks bzw. gegebenenfalls in mehrfacher Ausführung in die Nähe auch weiterer vertikal angeordneter Rührwerkswellen geführt wird, so dass der an der Oberfläche nach Anspruch 1 mit Luft angereicherte Belebtschlamm automatisch in die sehr wirksame Belebtschlamm-Beckenumwälzung dieses Rührwerkes bzw. dieser Rührwerke einbezogen wird und damit die Sauerstoffverteilung ohne weiteres Zutun gesichert ist.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass verfahrenstechnisch im Verfahrensschritt nach 1 in Kombination mit Anspruch 2 die Pumpe das Belebtschlamm-Luft-Gemisch vom Beckenboden her im in Anspruch 2 beschriebenen Rohr ansaugt und so mit einem geeignet gestalteten Rohr-Austritt in Beckenbodennähe die gezielte Belebungsbecken-Durchmischung mit fördert.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass verfahrenstechnisch bei zusätzlichem, ggf. auch wegen bisherigem Einsatz noch gegebenem Vorhandensein konventioneller Tiefenbelüftung diese zeitanteilig pulsierend für die Durchmischung genutzt wird, auch wenn sie nicht mehr als vorrangiges Belüftungssystem dient, da die Vorrichtung nach dem verfahrenstechnischen Anspruch 1 hierfür anteilig oder vollständig kontinuierlich oder komplett die frühere Belüftungstechnik ersetzend verwendet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass verfahrenstechnisch der Schmutzfrachtabbau zielgerecht mittels einer Sauerstoffeintragsregelung so geführt wird, dass nach dem bekannten Verfahren der Zehrungsratenbestimmung und mit einer daraus abgeleiteten Sauerstoffzufuhr-Mengenregelung über eine entsprechend zugrundeliegende Abluftanalyse geregelt wird und dabei auch zusätzlich noch nach den gewünschten Prozess-Anteilsproportionen geregelt wird und hierfür schlussendlich eine zielgerecht variierende Luftmenge technisch entsprechend Anspruch 1 zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend Anspruch 1 und Anspruch 7 gezielt durch eine geeignete Vorrichtung, ggf. durch eine separate, zusätzliche Abluft-Auffangsonde im oberflächennahen Belebungsbeckenbereich, welche angeordnet ist auf dem Oberflächenbereich der rinnen-, wannen-, becken- oder auch rohrartigen Vorrichtung zur Wasser/Abwasserführung im dortigen Durchmischungsbereich entsprechend Anspruch 1, das dortige Abluft-Frischluft-Gemisch von der Umgebungsluft abgeschirmt aufgefangen und hinsichtlich weiterer Gaskomponenten, z.B. hinsichtlich leichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe, analysiert wird, welche als Störkomponenten im gewünschten Schmutzfracht-Abbau durch untypische Schmutzfrachteinleitung den Abbau-Prozess stören können und so messtechnisch hier besonders sensitiv detektiert werden können und dass gegebenenfalls unmittelbar mittels Einleitung chemischer und/oder weiterer bakterieller Komponenten und/oder einem deutlichen Übermaß an Umgebungsluft durch den damit verbundenen Stripp-Effekt diese Störkomponenten kompensiert und/oder chemisch deaktiviert und/oder ausgestrippt werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingetragene Umgebungsluft mittels eines auf dem Gelände der Abwasserkläranlage angeordneten einfachen Verdichters oder Gebläses oder auch einer Art Turbine aus der Umgebungsluft nahezu gegendruckfrei angesaugt und dem speziellen Belebungsbecken-Sauerstoffeintragungsbereich ohne den bei Tiefenbelüftung notwendigen Überdrück zugeführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Anwendung betroffene Abwasserkläranlage als Vorrichtung in der Regel aufweist: - einen Schmutzwasserzulauf (1, 2), dessen Zulaufmenge variiert, - eine dem Schmutzwasserzulauf (1, 2) nachgeordnete Absonderungsvorrichtung (3) für die im Schmutzwasser enthaltenen mechanisch zurückhaltbaren groben Verschmutzungen, - ein der Absonderungsvorrichtung (3) nachgeschaltetes Absetzbecken (4), in dem sich Stoffe, die im Schmutzwasser ungelöst enthalten sind und eine deutlich höhere Dichte als Wasser aufweisen, auf dessen Boden absetzen und sich Stoffe, die im Schmutzwasser ungelöst enthalten sind und eine deutlich geringere Dichte als Wasser aufweisen, an der Oberfläche des Schmutzwassers im Absetzbecken (4) anlagern, - das Belebungsbecken (6), dem Schmutzwasser aus dem Absetzbecken (4) zugeführt wird und in welchem Belebtschlamm mit aggregierten Bakterien und anderen Mikroorganismen enthalten ist, welche Abwasserinhaltsstoffe biotisch oxidativ abbauen, wobei aus dem Belebungsbecken (6) mit Belebtschlamm versetztes Wasser abläuft im selben Maß, wie Schmutzwasser aus dem Absetzbecken (4) zugeführt wird, wobei im Bereich des Bodens zumindest eines Teils des Belebungsbeckens (6) Umgebungsluft, die aus der Umgebung des Belebungsbeckens entnommen wird, in selbiges unter Druck zumindest zeitanteilig oder kontinuierlich feinblasig eingeblasen wird, - ein Nachklärbecken (7), in das das mit Belebtschlamm versetzte Wasser abläuft und in dem der Belebtschlamm durch Absetzen aus dem gereinigten Abwasser abgetrennt wird, und - einem Ablauf (8), über den das gereinigte Abwasser aus dem Nachklärbecken (7) die Kläranlage verlässt.