DE19806292C2 - Batch-Verfahren zur Abwasserbehandlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von industriellen und kommunalen Abwässern in einer Batchanlage.

Bei bekannten Verfahren zur Abwasserreinigung wird das Abwasser abwechselnd unbelüfteten (anaeroben) und belüfteten (aeroben) Behandlungsschritten ausge­ setzt, um auf diese Weise einen gezielten Abbau von Abwasserbestandteilen zu erreichen. Die Nährstoffelimination erfolgt im wesentlichen durch Nitrifikation, Deni­ trifikation und biologische Phosphatelimination. Zur Regelung und Überwachung der Behandlungsschritte kann neben der Sauerstoff-, Nitrat-, Ammonium- und Phosphatkonzentration das Redoxpotential der Abwasserlösung erfaßt werden. Während der anaeroben Behandlungsphase wird der Endpunkt der Denitrifikation durch ein Abknicken des Kurvenverlaufs des Redoxpotentials angezeigt, wobei zur Erfassung dieses Endpunktes die absolute Höhe des Redoxpotentials nicht von Bedeutung ist. Das Redoxpotential dient bei bekannten Verfahren somit nicht als Regelgröße sondern als Meßgröße zur Erfassung des Behandlungsstadiums wäh­ rend der einzelnen Behandlungsschritte.

Die DE 30 13 881 offenbart ein Verfahren zur Steuerung der Behandlung von Indu­ strieabwässern in Ausgleichs- oder Speicherbecken. Dabei werden hochkonzen­ trierte Industrieabwässer im Durchlaufbetrieb teilgereinigt, wodurch die an eine nachgeschaltete biologische Abbaustufe abgegebene Schmutzfracht reduziert wird. Die Bildung von Schlammflocken in den Becken wird dadurch verhindert, daß das Redoxpotential in einem Bereich von -250 bis -500 mV durch entsprechende Belüftung eingestellt wird. Somit bilden sich keine sedimentierbaren Belebt­ schlammflocken, sondern nur frei suspendierte Einzelbakterien, die sich nicht se­ dimentieren lassen.

Bei konventionellen Verfahren zur Vollreinigung von Abwässern wird stets ein Teil der aus dem Abwasser entfernten Schmutzfracht in Biomasse umgewandelt und fällt als Reststoff der Abwasserreinigung in Form von Überschußschlamm an. Die Menge des entstehenden Überschußschlamms liegt im Bereich zwischen 0,5 kg TS/kg BSB₅ und 1,2 kg TS/kg BSB₅. Die jeweils entstehende Schlammenge hängt wesentlich von der im Rohabwasser enthaltenen Feststoffmenge TSo sowie vom Schlammalter tTS des biologischen Systems ab. Das Arbeitsblatt A 131 der Ab­ wassertechnischen Vereinigung nennt beispielsweise die Bemessungswerte für den Schlammanfall in Abhängigkeit von TSo und tTS. Für kommunale Abwässer mit Bd, Tso/Bd, BSB₅ = 1,0 bis 1,2 wird eine spezifische Überschußschlammpro­ duktion von 0,88 bis 1,22 kg TS/kg BSB₅ genannt.

Aus der Publikation Gesundheits-Ingenieur 81 (1960), Heft 5, Seite 140 ff. ist es bekannt, daß das optimale Mischungsverhältnis zwischen nitrifiziertem Wasser und Rohabwasser als Träger der Wasserstoffdonatoren in der Denitrifikation durch Ein­ haltung eines konstanten empirischen Redoxwertes von -230 mV für das zulau­ fende Mischwasser gewährleistet wird.

Aus der DE 196 40 899 C1 wird für den Betrieb des partiell-aeroben Verfahrens ausgesagt, daß hier ein Redoxpotential zwischen -200 und -300 mV eingestellt werden soll.

In der FR 2 724 646 ist ein siebenstufiges Verfahren zur Abwasserbehandlung be­ schrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung von indu­ striellen und kommunalen Abwässern in einer Batchanlage dahingehend weiterzu­ bilden, daß bei hohen Stoffumsatzraten die Menge an Überschußschlamm mini­ miert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb eines Be­ handlungszyklus das Redoxpotential im Bereich zwischen -150 und -250 mV und anschließend im Bereich < +50 mV durch intensive Belüftung der Lösung einge­ stellt wird. In dem Redoxbereich von -150 bis -250 mV erhält die biologische Schlammflocke eine sehr offene Struktur bzw. zerfällt in Einzelbakterien. Aufgrund dieser offenen Schlammstruktur hat die Diffusion von Nährstoffen und Sauerstoff eine wesentlich weniger begrenzende Wirkung für den Abbau als bei einer kom­ pakten Schlammflocke. Dadurch werden sehr hohe Stoffumsatzraten erzielt und die entstehende Menge an Überschußschlamm als Endprodukt des biologischen Ab­ baus minimiert. Aufgrund der großen freien Oberfläche der Einzelbakterien und der guten Zugänglichkeit des Sauerstoffs wird eine weitgehende Veratmung der biolo­ gisch abbaubaren Stoffe erzielt und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad der Be­ handlung erreicht. Um nach dieser intensiven Abbauphase die Flockenstruktur wie­ derherzustellen und damit die Absetzbarkeit des Schlammes zu gewährleisten, wird anschließend ein Redoxpotential von < +50 mV eingestellt. Durch die dabei er­ zielte kompakte Flockenform wird die Sedimentation ermöglicht und anschließend der klare Überstand des behandelten Abwassers abgezogen, wodurch wieder Vo­ lumen für eine weitere Behandlung der nächstfolgenden Charge des Abwassers zur Verfügung steht. Im Gegensatz zu der Behandlung von Abwässern in Durch­ laufanlagen lassen sich die gewünschten Milieubedingungen in der erfindungsge­ mäß eingesetzten Batchanlage (SBR-Anlage: sequencing batch reactor) einfach und exakt einstellen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgese­ hen, daß die Einstellung des Redoxpotentials durch die Zugabe von Abwasser und durch die Intensität der Belüftung erfolgt. Je höher konzentriert das zu behandelnde Abwasser ist, desto leichter ist die Einstellung des Redoxpotentialbereichs von - 150 bis -250 mV möglich. Bei häuslichen Abwässern mit entsprechend geringen Schmutzkonzentrationen wird die Einstellung dieses Wertebereichs bevorzugt da­ durch erreicht, daß dem eigentlichen biologischen System ein ausreichend großes Pufferbecken vorgeschaltet wird. Mit dem darin gespeicherten Abwasser kann un­ abhängig von den aktuellen Zulaufbedingungen der gewünschte Redoxbereich von -150 bis -250 mV eingestellt werden.

In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß bis zum Erreichen der Sollmenge an zugeführtem Abwasser in der Batchanlage die Ein­ stellung des Redoxpotentials mittels der Zugabe an Abwasser und der Intensität der Belüftung und nach Erreichen der Sollmenge ausschließlich mittels der Inten­ sität der Belüftung erfolgt. Somit können vor Erreichen der Sollmenge beide Grö­ ßen gleichzeitig wirksam eingesetzt werden, während die Einstellung des Redox­ potentials nach Erreichen der Sollmenge ausschließlich über die Intensität der Be­ lüftung bewirkt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Redoxpotential im Bereich zwischen -150 und -250 mV für einen Zeitraum von 1,5 bis 4 Stunden eingestellt wird.

Durch intensive Belüftung der Lösung wird eine Wiederherstellung der Flocken­ struktur erreicht, so daß der Schlamm leicht absetzbar ist und nicht mit der über­ stehenden Lösung abgezogen wird, sondern in der Batchanlage verbleibt. Dies führt dazu, daß ein hohes Schlammalter erreicht wird, was für eine effiziente Ab­ wasserbehandlung von erheblicher Bedeutung ist. Die Phase der intensiven Belüf­ tung dauert bevorzugt 2 bis 8 Stunden.

Während der Phase der schwachen Belüftung werden die abbaubaren Stoffe des Abwassers sehr intensiv biologisch abgebaut. Im Gegensatz zu konventionellen Anlagen mit kompakten Schlammflocken erlaubt die offene Flockenstruktur trotz des sich einstellenden Sauerstoffdefizites eine wesentlich bessere Sauerstoffver­ sorgung der Einzelbakterien. Ebenso optimiert ist die Substratversorgung der ein­ zelnen Bakterien. Die bei konventionellen Verfahren vorhandene Stofftransportlimi­ tierung aufgrund der geringen Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff und Sub­ strat aus der wäßrigen Phase in das Innere der Flocke wird durch die erfindungs­ gemäße offene Flockenstruktur aufgehoben und dadurch die Stoffumsatzrate er­ heblich gesteigert.

Während der Phase des negativen Redoxpotentials im Bereich von -150 bis -250 mV findet eine intensive Denitrifikation statt. Zwar wird diese Denitrifikation durch den zugeführten Luftsauerstoff gehemmt, andererseits wird durch die offene Floc­ kenstruktur die Aktivität der Bakterienmasse derart gesteigert, daß insgesamt eine im Vergleich zu konventionellen Verfahren deutlich erhöhte Stoffumsatzrate erzielt wird. Bei ausreichend langer Einhaltung eines Redoxpotentials von -150 bis -250 mV tritt ferner eine biologische Phosphataufnahme ein, die mit der konventioneller Verfahren vergleichbar ist.

Um am Ende eines Behandlungszyklus in einer erfindungsgemäß eingesetzten SBR-Anlage ein möglichst feststofffreies Abwasser in den Vorfluter führen und fer­ ner den Schlamm im System halten zu können, muß dieser nach der Phase des negativen Redoxpotentials wieder in eine kompakte Form gebracht werden. Für ein effizientes Reinigungsverfahren ist ein hohes Schlammhalter in einer biologischen Abwasserreinigungsanlage unverzichtbar. Dies bedingt eine Schlammanreicherung im System und somit einen gut sedimentierbaren Schlamm. Um dieses Ziel zu er­ reichen, wird die Abwasserzufuhr gestoppt und die Belüftung intensiviert. Dabei wird das Redoxpotential von den negativen Werten in einem Bereich von < -50 mV erhöht. Sobald das Redoxpotential oberhalb dieses Grenzwertes liegt, wird die ge­ wünschte kompakte Flockenform erzielt. In dieser Phase erfolgt ferner vorwiegend die Stickstoffoxidation und eine weitere, wenn auch geringe Mineralisation des bio­ logischen Schlammes. Im Anschluß an die am Ende eines jeden Zyklus stattfin­ dende Sedimentation wird der klare Überstand abgezogen und es steht wieder Vo­ lumen für die weitere Behandlung des Abwassers zur Verfügung.

Der intensivierte biologische Abbau während der Phase der schwachen Belüftung führt dazu, daß erheblich geringere Reststoffmengen entstehen. Bei häuslichem Abwasser werden Überschußschlammengen von 0,35 bis 0,6 kg TS/kg BSB₅ ge­ messen. Diese Werte gelten bei einem TSo/BSB₅ von 1,0 bis 1,2 und einem Schlammalter von 20 bis 25 Tagen. Damit ist die Überschußschlammenge erheb­ lich niedriger als bei konventionellen Verfahren, bei denen Werte von 0,5 bis 1,2 kg TS/kg BSB₅ üblich sind. Die Menge des Überschußschlamms hängt erheblich da­ von ab, ob in jedem Batch der angestrebte negative Redoxbereich von -150 bis -250 mV erzielt wird.

Die deutliche Senkung der Überschußschlammenge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch eine weitergehende Oxidation organischer Stoffe bewirkt, wo­ durch gegenüber konventionellen Verfahren der Sauerstoffverbrauch deutlich er­ höht ist. Da andererseits jedoch die Sauerstoffaufnahme in der Phase des negati­ ven Redoxpotentials aufgrund des herrschenden Sauerstoffdefizites bei gleichzeitig hoher biologischer Aktivität sehr gut ist, ist in der Gesamtbilanz der Energieaufwand für die Abwasserreinigung mit dem konventioneller Verfahren vergleichbar.

Vermutlich als Folge der erheblich weitergehenden Oxidation der organischen Ab­ wasserinhaltsstoffe erfolgt die Denitrifikation auch bei einem ungünstigen Kohlen­ stoff/Stickstoff-Verhältnis. Während man bei konventionellen Anlagen ein BSB₅/N- Verhältnis von 4/1 für eine technisch effiziente Denitrifikation für ausreichend hält, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits ein Verhältnis von 2/1 ausrei­ chend. Insbesondere bei einseitig zusammengesetzten Abwässern mit vergleichs­ weise hohen Stickstoffkonzentrationen bedeutet dies einen erheblichen verfahrens­ technischen Vorteil gegenüber konventionellen Verfahren.

Claims (4)

1. Verfahren zur Behandlung von industriellen und kommunalen Abwässern in einer Batchanlage, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Behandlungszykluses in einer ersten Phase das Redox­ potential im Bereich zwischen -150 und -250 mV durch die Zugabe von Ab­ wasser und in einer zweiten Phase im Bereich von < +50 mV durch intensive Belüftung der Lösung eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bis zum Erreichen der Sollmenge an zugeführtem Abwasser in der Batchanlage die Einstellung des Redoxpotentials mittels der Zugabe an Abwasser und der Intensität der Belüftung und nach Erreichen der Sollmenge an zugeführtem Abwasser aus­ schließlich mittels der Intensität der Belüftung erfolgt.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Redoxpotential im Bereich zwischen -150 und -250 mV für einen Zeitraum von 1,5 bis 4 Stunden eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der intensiven Belüftung zwischen 2 und 8 Stunden dauert.