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Verfahren zur zweistufigen Behandlung von Abwasser Es ist bekannt,
Abwässer mit einem Gehalt an organischen, gelösten, kolloidalen und suspendierten
Verunreinigungen mit Hilfe von Mikroorganismen zu reinigen. Man unterscheidet dabei
grundsätzlich zwei Verfahren, nämlich das Belebtschlammverfahren und das Tropfkörperverfahren.
Beim Belebtschlammve:rfahren wird im Abwasser durch Belüftung eine Suspension von
Mikroorganismen erzeugt, die sich in Belebtschlammflocken zusammenballen. Durch
die Tätigkeit der in den Flocken befindlichen Organismen wird das Abwasser gereinigt.
Beim Tropfkörperverfahren siedeln sich die Mikroorganismen auf den Oberflächen von
Tropfkörpersteinen an und erfüllen dann dort die gleiche Aufgabe. Beide Verfahren
werden mit gutem Erfolg in den verschiedenen apparativen Ausführungen betrieben.
Ihre Anwendung stößt jedoch manchmal auf Schwierigkeiten, vor allem dann, wenn sehr
niedrige Endwerte erreicht werden sollen.
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Um das Belebtschlammverfahren zu intensivieren, ist wiederholt versucht
worden, die Belüftungszeiten von der in den bekannten Belebtschlammbecken üblichen
Dauer von 6 bis 8 Stunden aus 0,5 bis 2 Stunden zu reduzieren. In der Erwartung,
daß bei genügender Luftzufuhr und entsprechend hoher Belebtschlammkonzentration
ein Abbau auch in kürzeren Zeiten möglich sein müsse, sind zahlreiche Belüftungsanlagen
entwickelt worden, haben aber keinen endgültigen Erfolg gehabt. Die Ursache für
die häufigen Mißerfolge derartiger hochbelasteter Anlagen lag darin, daß nur der
Gehalt an organisch gelöster Substanz abgebaut wurde, nicht aber der Gehalt an kolloidaler
und suspendierter organischer und auch anorganischer Substanz. Deshalb enthalten
die Abläufe solcher hochbelasteten Belebtschlammverfahren in der Regel viel mehr
Trübstoffe als die Abläufe von Belebtschlammverfahren mit langer Belüftungsdauer.
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Industrielle Abwässer enthalten oft organische Stoffe, welche einer
biologischen Reinigung wenig zugänglich sind. Deshalb sind Verfahren entwickelt
worden, in welchen der eigentlichen biologischen Reinigung eine chemische Behandlung
vorgeschaltet ist, welche die den biologischen Abbau störenden Verunreinigungen
beseitigen soll. Derartige Anlagen erfordern einen erheblichen Aufwand an Chemikalien,
z. B. Eisensulfat, der sich seinerseits durch große Schlammengen und den zusätzlichen
Aufwand für die Schlammaufbereitung sehr störend auswirkt.
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Zum Schutze der Gewässer gegen eine Eutrophierung, die durch den Phosphatgehalt
biologisch gereinigter Abwässer hervorgerufen wird, ist wiederholt eine Flockungsnachbehandlung
solcher Wässer gefordert worden. Bei einer solchen Nachflockung ist auch ein zusätzlicher
Kläreffekt beobachtet worden. Die Anwendung einer derartigen Flockung in der Praxis
scheiterte jedoch daran, daß mit den bekannten Flockungsmitteln in den Abläufen
biologisch arbeitender Kläranlagen nur außerordentlich leichte Flocken entstehen,
deren Absetzgeschwindigkeit so gering ist, daß der Bau von Flockungs- und Absetzanlagen
mit ausreichender Verweilzeit wirtschaftlich nicht zu verantworten ist. Außerdem
ist die notwendige Menge an Flockungschemikalien so hoch, daß sich diese Art der
Nachbehandlung mit Flockungsmitteln nicht einzuführen vermochte.
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Bessere Erfolge konnte man dagegen erreichen; wenn auch in dieser
zweiten Stufe noch eine Belüftung durchgeführt wurde, so daß in dieser Stufe sich
zusätzlich Belebtschlamm bildete. Diese kombinierte biologisch-chemische Arbeitsweise
in der zweiten Stufe hat sich gut bewährt. Das Verfahren hat aber den Nachteil,
daß immer noch relativ große Aufwendungen für Betriebsmittel und außerdem relativ
große Becken erforderlich sind, da die durchgeführte Belüftung wesentlich größere
Zehen erfordert als ein einfacher Flockungsvorgang. Man hat den Erfolg einer derartigen
zweistufigen Behandlung dadurch zu verbessern gesucht, daß man den Schlamm aus der
zweiten Reinigungsstufe zur Verbesserung der Schlammeigenschaften in die erste Stufe
zurückführte und gegebenenfalls auch noch den überschußschlamm aus der gesamten
biologischen Reinigung in die mechanische Stufe zurücknahm. Dadurch wurde erreicht,
daß der mit einem besseren Wasser in Berührung gewesene biologische Schlamm noch
zusätzlich adsorptiv und gegebenenfalls flockend wirkt.
Es wurde
gefunden, daß sich eine einfache Behandlung mit Flockungsmitteln nach einer biologischen
Reinigung mit guter Wirkung und geringem Aufwand durchführen läßt, wenn man gleichzeitig
mit den Flockungsmitteln Belebtschlamm, wie er in der vorgeschalteten biologischen
Reinigungsanlage entsteht, zusetzt.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zweistufigen Behandlung von
Abwasser mit einer biologischen Behandlung als erster Stufe und einer chemisch-mechanischen
Behandlung mit Zugabe von Flockungsmitteln, Sedimentation und Rückführung von Schlamm
als zweiter Stufe. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich zu den Flockungsmitteln bzw. an Stelle eines Teiles derselben dem aus
der biologischen Stufe abfließenden Klarwasser zusätzlich Belebtschlammsuspension
aus der ersten Behandlungsstufe zugesetzt wird und daß die Durchführung der Flockung
und Sedimentation in bekannter Weise nach dem Suspensionskreislaufverfahren erfolgt.
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Die biologische Behandlung in der ersten Stufe kann als Belebtschlammverfahren
betrieben werden. In diesem Falle wird die dem mechanisch geklärten Ablauf aus der
biologischen Behandlung zuzusetzende Belebtschlammsuspension der Belüftungszone
des Belebtschlammbeckens entnommen.
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Erfolgt die biologische Behandlung in der ersten Stufe nach dem Tropfkörperverfahren,
dann wird der Tropfkörperablauf ohne Nachklärung in die zweite Stufe geleitet, und
die Belebtschlammsuspension wird durch Anreicherung der im Tropfkörperablauf enthaltenen
Mikroorganismen in der zweiten Stufe nach dem Suspensionskreislaufverfahren in bekannter
Weise hergestellt.
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Durch die Mitverwendung verhältnismäßig geringer Mengen Belebtschlamm
aus der vorangegangenen biologischen Reinigungsanlage neben dem Flockungsmittel
entstehen Flocken, die sich schnell und gut absetzen. Besonders überraschend ist,
daß der gewünschte Flockungseffekt schon bei außerordentlich geringem Aufwand an
Flockungschemikalien eintritt, und daß eine wesentliche Verbesserung der Wasserqualität
erfolgt, obwohl der gleichzeitig mit den Flockungschemikalien zugeführte Belebtschlamm
mit schlechter gereinigtem Abwasser in Berührung war. Das Zusammenwirken von Belebtschlamm
und Flockungsmittel beruht wahrscheinlich auf elektrochemischen Vorgängen. Der Zusatz
von Belebtschlamm bewirkt durch einen Ladungsausgleich eine rasche und vollständige
Koagulation zu dichten, schnell absitzenden Flocken. Hinzu kommt, daß der Belebtschlamm
von Natur aus wesentlich dichter ist als eine übliche Hydroxydflockung und daß er
durch Beschwerung und Verdichtung der feinen Flocken . zu deren besserem Absitzen
beiträgt. Bei einer Nachflockung mit 20 mg Eisensulfat je Liter unter gleichzeitigem
Zusatz von Belebtschlamm wurden Flocken mit Absitzgeschwindigkeiten von über 3 mlh
und ein blankes, feststofffreies Wasser erhalten.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Durchführung der Flockung und
Sedimentation in an sich bekannter Weise nach dem Suspensionskreislaufverfahren
erfolgt. Dadurch wird in der Flockungszone eine zusätzliche Anreicherung an Mikroorganismen
erreicht und der Flockungseffekt wesentlich verbessert. Von besonderer Wichtigkeit
ist es in diesem Falle, daß keine zwischenzeitliche Schlammeindickung erfolgt, die
zu einer Alterung des belebten Schlammes mit allen nachteiligen Folgen führt. Diese
Arbeitsweise ist beim Suspensionskreislaufverfahren gegeben. Durch die Anreicherung
an belebtem Schlamm im Suspensionskreislauf wird in einigen Fällen bereits die für
den Flockungseffekt erforderliche Belebtschlammkonzentration erreicht.
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Es ist das besonders Charakteristische des erfindungsgemäßen Verfahrens,
daß man nicht, wie sonst allgemein üblich ist, belebten Schlamm aus einer nachgeschalteten
Stufe nach vorn zurückgibt, also vom besseren Abwasser den Schlamm in das schlechtere
Abwasser überführt, da dort der Schlamm noch adsorptiv wirken kann. Man macht vielmehr
genau das Umgekehrte und erreicht, obwohl diese Arbeitsweise der Überführung von
belebtem Schlamm in eine nachgeschaltete Anlage mit besserer Wasserqualität nachteilig
erscheint, allein durch die mit Hilfe dieses belebten Schlammes erreichte einwandfreie
Flockung einen ausgezeichneten Reinigungseffekt in dieser Stufe.
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Als Flockungsmittel eignen sich alle üblichen Flockungsmittel, insbesondere
lösliche Salze des Eisens und des Aluminiums. Die Verwendung von Calciumhydroxyd
bietet Vorteile, wenn die Karbonathärte des Wassers so groß ist. daß eine Ausfällung
von Calciumkarbonat eintritt. Die Verwendung des als Abfallprodukt billig verfügbaren
Eisensulfates ist dann angebracht, wenn der Sauerstoffgehalt des Wassers, das zu
behandeln ist, hoch genug ist, um eine schnelle Oxydation des zweiwertigen zum dreiwertigen
Eisen zu bewirken.
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Hilfsweise empfiehlt es sich, vor der Flockungsanlage noch eine Belüftung
beispielsweise durch einen Tropfkörper, eine Kaskadenbelüftung oder eine Behandlung
mit Druckluft od. dgl. durchzuführen, um den zur Aufoxydation des zweiwertigen Eisens
zum dreiwertigen nötigen Sauerstoff in das Wasser zu bringen. Eine solche Zwischenbelüftung
zwischen dem biologischen Teil und dem Flockungsteil hat zusätzlich den Vorteil,
daß das Wasser mit relativ großem Sauerstoffgehalt in den Vorfluter gelangt. Bei
Mischwässern aus industriellen und häuslichen Abwässern kann die zusätzliche Anwendung
der bekannten Flockungshilfsmittel nützlich sein.
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Bei den meisten biologisch arbeitenden Kläranlagen ändert sich der
Rohwasserzufluß mit dem Tageslauf mengenmäßig und vor allem qualitativ. Derartige
Schwankungen im Rohwasserzufluß übertragen sich auch auf die Qualität des behandelten
Wassers. In den Nachtstunden und den frühen Morgenstunden ist der Ablauf einer biologischen
Anlage gewöhnlich so gut abgebaut, daß eine Nachflockung nicht notwendig ist. Das
Verfahren wird besonders wirtschaftlich, wenn die Flockung nur zu den Zeiten durchgeführt
wird, während denen der Ablauf der biologischen Reinigungsanlage den Anforderungen
des Vorfluters bezüglich Reinheit nicht genügt.
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Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in allen an sich
bekannten Flockungseinrichtungen erfolgen, die nach dem Suspensionskreislaufverfahren
arbeiten. Zu Zeiten, in denen eine Flokkung nicht erforderlich ist, wird die Anlage
als reines Absitzbecken betrieben, während sie zu Zeiten, in denen eine Flockung
notwendig wird, als Flockungs-und Absitzbecken arbeitet. Ein gleichbleibend reiner
Endablauf wird beispielsweise dadurch gewährleistet, Saß der Beginn der Flockung
von der Trübung des
aus der biologischen Anlage zulaufenden Wassers
gesteuert wird. Von dieser Trübung her können sogar der Chemikalienzusatz und der
Beiebtschlammzusatz dosiert werden. Das Verfahren läuft dann vollautomatisch und
ohne zusätzliche Bedienung.
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In Verbindung mit einer Belebtschlammanlage wird das erfindungsgemäße
Verfahren in der Weise durchgeführt, daß die dem mechanisch geklärten Ablauf aus
der biologischen Behandlung zuzusetzende Belebtschlammsuspension der Belüftungszone
des Belebtschlammbeckens entnommen wird. Der hier befindliche Schlamm hat noch eine
große Aktivität und begünstigt die Flockung in besonderer Weise. Die Durchführung
des Verfahrens gestaltet sich dabei insofern einfach, weil der aus der Belebtschlammanlage
ohnehin abzustoßende Schlammüberschuß ganz oder teilweise in die Flockungsanlage
übernommen werden kann. Zweckmäßig wird der gesamte Überschußschlamm zur Flockungsanlage
übergeführt, weil er in dem erfindungsgemäßen Flockungsprozeß eine zusätzliche Eindickung
erfährt, welche die weitere Verwendung erleichtert.
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Bei Verbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Tropfkörperanlage
wird die Belebtschlammsuspension durch Anreicherung der im Tropfkörperablauf enthaltenen
Mikroorganismen in der zweiten Stufe in an sich bekannter Weise nach dem Suspensionskreislaufverfahren
hergestellt.
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Die Anreicherung empfiehlt sich hier schon deshalb, da die direkt
im Ablauf des Tropfkörpers enthaltenen Mikroorganismen meist noch nicht zur Erreichung
des gewünschten Flockungseffektes ausreichen. Eine gesonderte zwischengeschaltete
Nachklärung nach dem Tropfkörper erübrigt sich bei dieser Arbeitsweise, so daß man
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne wesentliche Mehrkosten beim Betrieb und
bezüglich der Investitionen wesentlich bessere Resultate erhalten kann. Gegebenenfalls
kann ein Teil des im Kreislauf befindlichen Schlammes auch durch eine Zwischenbelüftung
reaktiviert werden.
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Die Belebtschlämme können bei der erfindungsgemäßen Nachflockung biologisch
gereinigter Abwässer wie Flockungshilfsmittel angewendet werden, indem dem biologisch
vorbehandelten Wasser zunächst ein Flockungsmittel, z. B. eines der Schwermetallsalze,
zugesetzt und etwas später der Belebtschlamm zugefügt wird.
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Auf diese Weise ist es auch gelungen, Industrieabwässer, die nicht
von biologischen Reinigungsanlagen kommen, die aber auf Grund der Herkunft ähnliche
Zusammensetzung haben wie biologisch vorbehandelte Abwässer und bei denen bisher
die Verwendung erheblicher Mengen von analog geladenen Flockungshilfsmitteln, z.
B. aktivierter Kieselsäure usw.; erforderlich war, wirksam zu klären. Für diese
Arbeitsweise wird in einer gesonderten Anlage der für die erfindungsgemäße Flockung
notwendige Belebtschlamm erzeugt und bei der durchzuführenden Flockung als Flockungshilfsmittel
zugesetzt. Daraus ergeben sich wesentliche Ersparnisse teurer Chemikalien. Außerdem
erleichtern die dichteren und besser absetzbaren Flocken die weitere Schlammverwertung
in beträchtlichem Ausmaß.
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Bekanntlich werden zur Entfernung gelöster organischer Stoffe aus
Abwässern durch biologische Reinigung nur außerordentlich geringe Aufenthaltszeiten
und Schlammengen benötigt. Im Betrieb biologischer Anlagen müssen erfahrensgemäß
wesentlich längere Belüftungszeiten und größere Schlammengen angewendet werden,
um einmal die Abwasserstöße abzupuffern und um vor allem eine Flockung der kolloidalen
und suspendierten Stoffe zu erreichen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann
die Belebtschlammanlage mit relativ niedrigen Schlammkonzentrationen und auch mit
geringen Luftmengen betrieben werden, weil die suspendierten und kolloidalen Teilchen
in der erfindungsgemäßen Nachflockung viel schneller und wirksamer ausgeschieden
werden. Die Energieeinsparung bei der verringerten Belüftung fällt sehr ins Gewicht,
weil die Kosten der Chemikalien für die Nachflockung bei Mitverwendung von Belebtschlamm
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren außerordentlich niedrig liegen. Die Betriebskosten
für die gesamte Anlage liegen bei höherem Effekt sehr oft niedriger als beim üblichen
hochbelasteten Belebtschlammverfahren. Man erzielt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
2 bis 4 Stunden Gesamtaufenthaltszeit eine vollbiologische Reinigung mit einem besseren
Wirkungsgrad (bis 95,0/a), als er in einer herkömmlichen Belebtschlammanlage mit
einer Gesamtaufenthaltszeit von 8 bis 10 Stunden erreicht werden kann. Das gilt
auch für hochbelastete Tropfkörper in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Durch die erfindungsgemäße Nachflokkung wird eine wesentliche Erniedrigung der Keimzahl
erreicht. Außerdem ist der Phosphatgehalt des ablaufenden Abwassers nach der Flockung
wesentlich niedriger als vor derselben, was eine zusätzliche Reinigungswirkung darstellt.
Beispiel 1 Ein aus häuslichen und industriellen Abwässern zusammengesetztes Abwasser
erreicht bei Behandlung in einem bekannten biologischen Verfahren in einer hochbelasteten
Anlage nach einer Belüftungszelt von 1 Stunde einen Endwert des biologischen Sauerstoffbedarfes
von 30 bis 40 mg/1. Durch eine Belüftungszeit gleicher Größenordnung und eine anschließende
erfindungsgemäße Flockung mit 20 mg Eisensulfat und etwa 10 bis 20 ccm/1 an Belebtschlammsuspension
aus der Belüftungszone wird dagegen ein Endwert des biologischen Sauerstoffbedarfes
von 10 mg/1 und ein Feststoffgehalt von nur noch etwa 10 mg/1 im Ablauf erreicht.
Die Sichttiefe steigt von etwa 9 bis 10 cm bei der einen biologischen Anlage bis
auf etwa 50 bis 80 cm bei der erfindungsgemäßen zweistufigen Behandlung. Wenn neben
den üblichen im Abwasser befindlichen organischen Stoffen auch Farbstoffe zu entfernen
sind, deren Ausscheidung durch die rein biologische Behandlung erfahrungsgemäß nicht
vollkommen gelingt, wird durch die anschließende Behandlung mit Flockungsmitteln
in Gegenwart von Belebtschlamm gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine weitgehende
Entfärbung erreicht. Um den gleichen Flockungseffekt ohne Zusatz von Belebtschlamm
zu erreichen, müssen 80 bis 100 mg Eisensulfat, 6 bis 8 mg aktivierte Kieselsäure
und - zur Korrektur des durch den hohen Eisensulfatzusatz verminderten PH-Wertes
- 50 mg Kalkhydrat je Liter des vorbehandelten Wassers aufgewendet werden.
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Beispiel 2 Ein gemischtes häusliches und industrielles Abwasser erfordert
bei biologischer Reinigung eine
Belüftungszeit von mindestens 4
bis 6 Stunden. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Belüftungszeit
in der biologischen Stufe auf 1,5 Stunden bei einer Behandlungszeit in der anschließenden
Flockungsanlage von etwa 1,3 Stunden reduziert werden.
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Die Verkürzung der Belüftungszeit in der ersten Stufe kann sich in
verschiedener Weise auswirken, z. B. als Erhöhung der Durchsatzleistung für eine
Anlage gegebener Größe oder auch bei Projektierung einer Neuanlage durch eine Verringerung
des Investitionsbedarfes. Besonders deutlich wird der Vorteil bei einer überschlägigen
Berechnung des Stromverbrauches.
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Bei 4stündiger Belüftungszeit in einer Hochleistungsanlage ist je
Kilogramm BSB 5 ein Stromverbrauch von 1.,0 kWh anzusetzen, bei 1,5stündiger Belüftung
ein solcher von 0,6 kWh je Kilogramm BSB 5.
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Da die Zeiten intensiver Belüftung in die Tagesstunden fallen, mit
dem billigen Nachtstrom also nicht zu rechnen ist, wirkt sich dieser Unterschied
sehr stark aus. Für die erfindungsgemäße Nachfiokkung mit 10 mg Aluminiumsulfat
und 20 ml Belebtschlammsuspension je Liter ergibt sich bei einem Strompreis von
0,10 DM/kWh und einem Preis von DM 25,- für 100 kg Aluminiumsulfat eine Verminderung
der Betriebskosten von 0,8 DPf je Kubikmeter behandelten Wassers.