DE19859542A1 - System zur aeroben biologischen Abwasserbehandlung - Google Patents

Abstract

Ein System zur aeroben biologischen Abwasserbehandlung mit getauchtem Festbett und darunter angeordneten Lufteintragsmitteln (18) innerhalb eines an horizontal einander gegenüberliegenden Enden einen Wasserzulauf (14) und einen Wasserablauf (16) aufweisenden Beckens (2) kennzeichnet sich dadurch, daß das Festbett in mehrere zwischen Wasserzulauf und Wasserablauf mit gegenseitigem horizontalem Abstand aufeinanderfolgende, völlig untergetauchte Blöcke (4) unterteilt ist, daß die einzelnen Blöcke allein vertikal durchströmbar sind, daß die Lufteintragsmittel sich auf Bereiche unter den einzelnen Blöcken beschränken und daß ein Wasserübertritt seitlich und oberhalb der einzelnen Blöcke unterbunden ist. Damit wird erreicht, daß sich innerhalb des Beckens ohne mechanische Rühr- oder Mischaggregate Walzenströmungen ausbilden, die es erlauben, innerhalb der Festbettblöcke (4) eine Nitrifikation und außerhalb derselben eine Denitrifikation gleichzeitig ablaufen zu lassen. Ferner erübrigt sich eine eigene Abreinigung der Festbettblöcke. Indessen können diese gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Bedarfsfall nach Abschaltung der zugeordneten Lufteintragsmittel (18) einzeln aus dem Becken (2) herausgehoben werden, ohne daß deswegen eine Betriebsunterbrechung erforderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur aeroben biologischen Ab­ wasserbehandlung mit getauchtem Festbett und darunter angeord­ neten Lufteintragsmitteln innerhalb eines an horizontal einan­ der gegenüberliegenden Enden einen Wasserzulauf und einen Was­ serablauf aufweisenden Beckens.

Derartige Systeme sind in der biologischen Abwasserreinigung unter Anwendung des sog. Biofilmverfahrens bekannt. Sie gewin­ nen insbesondere im Rahmen der Erweiterung und/oder Sanierung von Kläranlagen und im Rahmen weitergehender Nährstoffelimina­ tion zunehmend an Bedeutung. Bisher findet ein Festbett in den betreffenden Systemen weitgehend das gesamte Beckenvolumen ausfüllend oder aber als Hilfsmittel zur Ertüchtigung einer Belebtschlammanlage Verwendung. Zur Aufrechterhaltung der aeroben Verhältnisse im Wasserkörper wird das Festbett aus ei­ nem Druckluftversorgungssystem belüftet, wobei der Lufteintrag in der Regel über unterhalb des Festbetts angeordnete Luftein­ tragsmittel erfolgt. Die Lufteintragsmittel und die Fest­ betteinbauten wurden stets getrennt montiert. Wurden Arbeiten an den Lufteintragsmitteln oder ihren Zuleitungen erforder­ lich, so mußte das Becken deshalb außer Betrieb genommen und leer gepumpt werden, worauf die Festbetteinbauten zu demontie­ ren waren, um die Lufteintragsmittel etc. zugänglich zu ma­ chen. Um ein Zusetzen des Festbetts zu verhindern, ist eine Durchströmung des Festbetts mit ausreichender Wassergeschwin­ digkeit sicherzustellen. Dazu fanden bislang stets zusätzliche Rühr- und/oder Mischaggregate Anwendung. Dennoch mußten häufig besondere periodische Abreinigungen erfolgen.

Im Zuge einer weitergehenden Reinigung von Abwässern (Nähr­ stoffelimination) wird ein Festbett häufig zur Nitrifikation eingesetzt. Eine solche machte eine simultane Denitrifikation in demselben Becken jedoch aufgrund der hohen Sauerstoffkon­ zentration im gesamten Becken bislang unmöglich. So konnte un­ ter jeweiliger Verwendung eines und desselben Beckens ledig­ lich eine intermittierende Denitrifikation stattfinden unter Abschaltung der Sauerstoff- bzw. Luftversorgung und Inbetrieb­ nahme von zusätzlichen Rühr- und/oder Mischaggregaten.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, einen wirtschaftlicheren Aufbau und Betrieb eines Abwasserbehand­ lungssystems der eingangs genannten Art zu ermöglichen.

Diese Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge­ löst. Die Unteransprüche geben darüber hinausgehend vorteil­ hafte Ausgestaltungsmöglichkeiten an.

Die Unterteilung des Festbetts in mehrere mit gegenseitigen Abständen angeordnete Blöcke, die Durchströmbarkeit dieser Blöcke allein in vertikaler Richtung, die Belüftung allein der Blöcke von unten her sowie die Unterbindung eines oberseitigen wie seitlichen Wasserübertritts zwischen den einzelnen Blöcken bewirken die Ausbildung von Walzenströmungen durch die einzel­ nen Blöcke hindurch und um diese herum allein vermittels der durch die Lufteintragsmittel eingeführten Luft. Dabei bewirkt die Luft bzw. der darin enthaltene Sauerstoff innerhalb der Blöcke jeweils ein aerobes Sauerstoffmilieu für die biologi­ schen Abbau- und Eliminationsprozesse, so auch für Nitrifika­ tion, während sich in -den absteigenden Strömungsabschnitten zwischen den einzelnen Blöcken bei entsprechend sparsam bemes­ sener Luftzufuhr infolge des vorausgehend in den Blöcken er­ folgten Sauerstoffverzehrs simultan ein anoxisches Sauerstoff­ milieu einstellt, das beispielsweise eine Denitrifikation her­ beiführen kann. Dazu noch erübrigen sich eigene Rühr- oder Mischaggregate, ohne daß die Festbettblöcke jemals zum Ver­ stopfen neigen. Infolgedessen kann ein erfindungsgemäßes Sy­ stem in nahezu alle bekannten oder denkbaren Abwasserreini­ gungsverfahren einschließlich solcher mit Belebtschlammkompo­ nente integriert werden.

Prinzipiell sind dabei folgende Betriebsformen möglich:

• 1) reiner Festbettbetrieb ohne Wasser- und/oder Schlammrück­ lauf,
• 2) Festbettbetrieb mit Wasserkreislauf über eine Vorsedimenta­ tion am Beckenauslauf und
• 3) Festbettbetrieb mit Schlammrückführung aus nachgeschalteten Abscheideeinrichtungen wie z. B. Nachklärbecken zur Herbei­ führung einer zusätzlichen Belebtschlammkomponente im Becken im Sinne eines kombinierten Tauchkörperverfahrens.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung nach Patent­ anspruch 11 oder 12, wonach die Blöcke bzw. Einzelelemente derselben zu Wartungs- oder Reinigungszwecken einzeln heraus­ genommen werden können, kann der Betrieb des Systems - eine entsprechende Anzahl Blöcke vorausgesetzt - während Wartungs- oder Erneuerungsarbeiten an einzelnen Blöcken weiterlaufen. Bei einer Ausbildung nach Anspruch 13 gilt dies selbst für Ar­ beiten an den Lufteintragsmitteln einzelner Blöcke bzw. Ein­ zelelemente.

Nachfolgend werden Ausführungs- und Anwendungsbeispiele der Erfindung anhand der begleitenden Figuren genauer beschrieben.

Von diesen zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungs­ gemäßes System,

Fig. 2 eine etwas detailliertere Seitenansicht eines der be­ treffenden Festbettblöcke,

Fig. 3 eine Frontansicht eines aus mehreren Einzelelementen zusammengesetzten Festbettblocks nach der Erfindung in­ nerhalb des betreffenden Beckens und

Fig. 4a-g - schematisch - je eines von verschiedenen Ein­ satzbeispielen eines erfindungsgemäßen Systems.

Das in Fig. 1 gezeigte System weist als Beispiel drei in einem quaderförmigen Becken 2 angeordnete Festbettblöcke 4 auf. In der Praxis kann die Zahl der Blöcke 4 jedoch nahezu beliebig gewählt werden. Die Blöcke 4 sind mit gegenseitigem Abstand sowie Abständen zu den stirnseitigen Beckenwänden 6 und 8 an­ geordnet und tragen oberseitig, parallellaufend zu den Becken­ wänden 6 und 8, vertikale Trennwände 10. Das Becken 2 ist bis - über die Blöcke 4 hinaus mit Wasser 12 gefüllt und besitzt ei­ nen Wasserzulauf 14 in der Nähe der Oberkante der Beckenwand 6 sowie einen Wasserablauf 16 in der Nähe der Oberkante der Bec­ kenwand 8. Unterhalb der Blöcke 4 und nur dort befinden sich Lufteintragsvorrichtungen 18 in Verbindung mit einem nicht im einzelnen dargestellten Druckluftversorgungssystem 20. Die Blöcke 4 sind voll untergetaucht und lediglich in vertikaler Richtung durchströmbar, wozu sie oben und unten offen sind und entweder durchgehende dichte Seitenwände 22 oder aber eine Füllung mit durchgehenden vertikalen Kanälen 24 (Fig. 2) auf­ weisen, deren Querschnitt konstant oder aber, gewünschten­ falls, auch über die Länge der Kanäle variabel sein kann. Die Füllung kann aus handelsüblichen Festbettmaterialien oder aber definierten Festbettkörpern bestehen. Bevorzugt finden Fest­ bettkörper Verwendung, die in sich selbst bereits vertikale Kanäle aufweisen. Die Trennwände 10 nehmen ebenso wie auch die Blöcke 4 die gesamte Breite des Beckens 2 ein und ragen nach oben über den Wasserspiegel 26 hinaus.

Aufgrund dieser Anordnung bilden sich durch und allein durch die über die Lufteintragsvorrichtungen 18 eingetragene Luft durch die Festbettblöcke 4 hindurch und um diese herum walzen­ förmige Strömungen aus, wie sie in Fig. 1 durch gestrichelte Linien 28 veranschaulicht sind. Dabei wird das Wasser inner­ halb der Blöcke 4 durch die darin aufsteigende Luft emporge­ tragen, wobei u. a. das durch die Luftbeladung verringerte spe­ zifische Gewicht eine Rolle spielt, und strömt außerhalb der Blöcke 4 nach unten zurück. Während das Wasser innerhalb der Blöcke stark mit Luft und damit auch mit Luftsauerstoff bela­ den ist, um dort ein aerobes Sauerstoffmilieu zustande zu bringen, ist der Sauerstoff bei entsprechend sparsamer Dosie­ rung der Luftzufuhr beim Erreichen des oberen Endes der Blöcke 4 so weit aufgezehrt, daß bei der Rückströmung innerhalb der Freiräume 30 außerhalb der Blöcke 4 ein anoxisches Sauerstoff­ milieu besteht. Andererseits kann sich bei stärkerer Luftzu­ fuhr auch in den Freiräumen 30 ein aerobes Milieu einstellen, wenngleich mit geringerer Sauerstoffkonzentration. Unter Um­ ständen können auch in den Freiräumen 30 ein und desselben Beckens 2 unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen Anwendung finden. Ein Wasseraustausch zwischen aufeinanderfolgenden Strömungskaskaden, wie eine in Fig. 1 durch den Pfeil 32 ge­ kennzeichnet ist, kann aufgrund der Trennwände 10 nur unter­ halb der Blöcke 4 stattfinden, so daß das zufließende Wasser gezwungen ist, nacheinander sämtliche Blöcke 4 wie auch die dazwischenliegenden Freiräume 30 zu durchströmen. Die Wasser­ strömung innerhalb der Blöcke 4 ist erfahrungsgemäß ausrei­ chend, um diese Blöcke ohne zusätzliche Abreinigung sauberzu­ halten.

Wie insbes. aus Fig. 2 ersichtlich, besitzen die einzelnen Blöcke 4 jeweils ein auf dem Boden 34 des Beckens 2 aufruhen­ des Gestell 36, von dem das Festbettmaterial 38 (beispielswei­ se in Gestalt von Festbettkörpern) mit Bodenfreiheit getragen wird. Sofern das Festbettmaterial 38 nicht bereits von allein eine lediglich senkrechte Durchströmung der Blöcke 4 sicher­ stellt, können diese Blöcke, wie gesagt, d. h. das Gestell 36, undurchlässige Seitenwände 22 aufweisen.

Die Lufteintragsvorrichtungen 18 sind in den Freiraum 40 un­ terhalb der Festbettmaterialfüllung eines jeden Blockes 4 ein­ gelegt und mittels einer Leitung 42, vorzugsweise in Gestalt eines Schlauches, mit dem Druckluftversorgungssystem verbun­ den.

Fig. 3 zeigt, wie die einzelnen Blöcke 4 jeweils von mehreren nebeneinanderstehenden säulenförmigen Einzelelementen 44 ge­ bildet sein können, die seitlich dicht aneinanderschließen, ebenso wie die äußersten dieser Einzelelemente 44 dicht an die längsseitigen Beckenwände 46 anschließen. Die Einzelelemente 44 sind getrennt heraushebbar und können als Module mit je­ weils einer eigenen, integrierten Lufteintragsvorrichtung 18 ausgestattet sein, die über - zweckmäßigerweise abkuppelbare - Schlauchverbindungen 48 mit dem Druckluftversorgungssystem in Verbindung steht. So oder so sind die Lufteintragsvorrichtun­ gen 18 einzeln abschaltbar, um dort, wo ein Block 4 bzw. eines der Einzelelemente 44 entfernt werden soll, einen Lufteintrag in das Wasser zu unterbinden.

Alternativ können die Lufteintragsvorrichtungen 18 Bestandtei­ le eines fest installierten Belüftungssystems sein oder aus handelsüblichen herausnehmbaren Elementen, beispielsweise so­ genannten Schlauchbelüftern, bestehen. Im übrigen kann das Becken 2 gewünschtenfalls auch gekrümmt, etwa ringförmig sein.

Die Anzahl der Festbettblöcke 4 innerhalb eines Beckens, wie z. B. des Beckens 2 aus Fig. 1, ist prinzipiell unbegrenzt. Die Blöcke können mit unterschiedlich starker Belüftung betrieben werden, um darin und vor allem in den angrenzenden Freiräumen unterschiedliche Sauerstoffmilieus zu schaffen und infolgedes­ sen unterschiedliche Vorgänge ablaufen zu lassen. Andererseits können auch mehrere erfindungsgemäße Systeme mit jeweils einem eigenen Becken im Bedarfsfall hintereinandergeschaltet werden, etwa um darin unterschiedliche submerse Aufwuchskörper zur An­ wendung bringen und entsprechend unterschiedliche Funktionen durchführen zu können. Schließlich kann ein erfindungsgemäßes System oder können mehrere solche Systeme innerhalb einer Ver­ fahrenskette Anwendung finden. Beispiele hierfür zeigen die Fig. 4a bis 4g. In all diesen Beispielen verfügt die Ver­ fahrenskette über eine mechanische Vorreinigung 50, um die Sy­ stemkomponenten vor Grobstoffen wie Sanden und dergl. zu schützen. Ebenso ist bei jedem Beispiel nach den Fig. 4a bis 4g zur Durchführung eines kombinierten Belebtschlamm-/ Festbettverfahrens mit dem als erfindungsgemäßes System ge­ stalteten Bioreaktor 52 eine Nachklärung 54 nachgeschaltet und zwischen Nachklärung und Bioreaktor ein Schlammrücklauf 56 vorgesehen. Ein erfindungsgemäßer Bioreaktor ist für eine sol­ che Verfahrensweise prädestiniert, weil die kontinuierliche gerichtete Strömung in den einzelnen Festbettblöcken eine Ver­ stopfungsgefahr weitgehend beseitigt. Freilich ist es indessen auch denkbar, ein reines Festbettverfahren mit Bioreaktor und Nachklärung ohne Schlammrücklauf durchzuführen.

Im einzelnen zeigt Fig. 4a das sogenannte einfache kombinierte Verfahren, wobei der Bioreaktor 52 für einen Abbau der Kohlen­ stoffverbindungen im Abwasser ausgelegt ist bzw., bei weiter­ gehender Reinigung, auch für eine zusätzliche Nitrifikation zur Eliminierung der Ammoniumverbindungen.

Fig. 4b zeigt die Verfahrenskette aus Fig. 4a, erweitert um Komponenten zur weitestgehenden Abwasserreinigung und beste­ hend aus einem vorgeschalteten Anaerobbecken 58 zur biologi­ schen Phosphorelimination sowie einem vorgeschalteten Denitri­ fikationsbecken 60. Diese beiden Becken sind nicht mit einem Festbett ausgerüstet, da hier ein anoxisches bis anaerobes Sauerstoffmilieu herrschen muß, weshalb eine Belüftung unter­ bleibt. Aus diesem Grund müssen zur Aufrechterhaltung einer Strömung in herkömmlicher Weise Rührwerke oder dergl. vorgese­ hen sein. Zwischen dem Wasserablauf des Bioreaktors 52 und dem Denitrifikationsbecken 60 ist ein zusätzlicher Rücklauf 62, vorgesehen, um nitrifiziertes Abwasser dem Denitrifikations­ becken zuzuführen.

Fig. 4c zeigt die Verfahrenskette aus Fig. 4b mit Ausnahme des Anaerobbeckens 58 zur biologischen Phosphorelimination. Die Phosphorelimination erfolgt statt dessen durch chemische Floc­ kungs- und Fällungsreaktionen. Dabei kann das Fällmittel, wie durch die Pfeile 64 angedeutet, alternativ im Zulauf zu dem Bioreaktor 52 oder in dessen Ablauf zu der Nachklärung 54 hin zudosiert werden.

Fig. 4d zeigt ebenfalls eine Verfahrenskette zur weitestgehen­ den Abwasserreinigung. Hier erfolgt eine nachgeschaltete Deni­ trifikation, indem ein unbelüfteter Bioreaktor 66 zwischen den erfindungsgemäßen Bioreaktor 52 als Nitrifikationsreaktor und die Nachklärung 54 geschaltet ist. Eventuell fehlendes Kohlen­ stoffsubstrat, das im Reaktor 52 ggf. weitgehend abgebaut wur­ de, wird, gemäß Pfeil 68, durch zusätzliche Eindosierung von leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindungen vor dem Reaktor 66 ersetzt.

Fig. 4e zeigt eine Verfahrenskette zur weitestgehenden Abwas­ serreinigung mit simultaner Denitrifikation im Bioreaktor 52. Diese Betriebsform ist ohne zusätzliche Rührwerke oder dergl. nur mit einem solchen erfindungsgemäßen Bioreaktor möglich. Mit Rührwerken, wie sie in bekannten Festbettsystemen erfor­ derlich sind, kann hingegen nur eine intermittierende Denitri­ fikation erfolgen, indem in zeitlicher Abfolge Belüftungspha­ sen und Nichtbelüftungsphasen (Rührphasen) miteinander abwech­ seln.

Fig. 4f zeigt die Verfahrenskette nach Fig. 4a mit einem nach­ geschalteten Klarwassernitrifikationsreaktor 70, der ebenso wie der Reaktor 52 belüftet und mit einem - ggf. gleicharti­ gen - Festbett ausgerüstet ist. Diese Verfahrenskette dient zur weitestgehenden Nitrifikation, wenn sehr hohe Ansprüche an die Ammoniumabbauwerte der Anlage gestellt werden. Sie ist zur Ertüchtigung bereits vorhandener, gut funktionierender Kläran­ lagen geeignet.

Fig. 4g zeigt die Verfahrenskette aus Fig. 4f mit einem zu­ sätzlichen nachgeschalteten Denitrifikationsreaktor 72, um die bei der Klarwassernitrifikation nitrifizierten Verbindungen wieder zu denitrifizieren. Da der Feststoffgehalt in der sus­ pendierten Phase sehr niedrig ist, kann der Denitrifikations­ reaktor 72 mit irgendeinem Festbett ausgerüstet werden, ohne daß ein Zusetzen desselben zu befürchten ist. Eine Belüftung erfolgt im Denitrifikationsreaktor 72 naturgemäß nicht. Even­ tuell muß auch wieder ein Kohlenstoffsubstrat (Pfeil 68) zudo­ siert werden. Infolge der separaten Denitrifikation kann der erfindungsgemäße Reaktor gewünschtenfalls mit stärkerer Luft­ zuführung betrieben werden als anderweitig.

Claims (14)

1. System zur aeroben biologischen Abwasserbehandlung mit ge­ tauchtem Festbett und darunter angeordneten Lufteintrags­ mitteln (18) innerhalb eines an horizontal einander gegen­ überliegenden Enden einen Wasserzulauf (14) und einen Was­ serablauf (16) aufweisenden Beckens (2), dadurch gekenn­ zeichnet,
daß das Festbett in mehrere zwischen Wasserzulauf (14) und Wasserablauf (16) mit gegenseitigem horizontalem Abstand aufeinanderfolgende, völlig untergetauchte Blöcke (4) un­ terteilt ist,
daß die einzelnen Blöcke (4) allein vertikal durchströmbar sind,
daß die Lufteintragsmittel (18) sich auf Bereiche unter den einzelnen Blöcken (4) beschränken und
daß ein Wasserübertritt seitlich und oberhalb der einzelnen Blöcke (4) unterbunden ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtvolumen des Festbetts makroskopisch zwischen 30% und 80%, vorzugsweise zwischen 40% und 70%, des Volumens des Beckens (2) bis zur Höhe des Wasserspiegels (26) ausmacht.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Blöcke (4) die gesamte Breite des Beckens einnehmen.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über den einzelnen Blöcken (4) die ge­ samte Breite des Beckens (2) einnehmende, nach oben über den Wasserspiegel (26) hinausragende Trennwände (10) ange­ ordnet sind.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Blöcke (4) undurchlässige Seitenwände (22) aufweisen.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Blöcke (4) in Vertikal­ richtung durchgehende Kanäle (24) konstanten oder auch mit der Länge variablen Querschnitts enthalten.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (24) undurchlässige Wandungen aufweisen.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (4) mit Füllkörpern ausge­ füllt sind.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des betreffenden Beckens (2) keinerlei mechanische Rühr- oder Mischaggregate vorhanden sind.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (4) aus dem Becken (2) ein­ zeln heraushebbar sind.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Blöcke (4) jeweils aus einer Reihe seitlich aneinanderschließender, aus dem Becken (2) einzeln heraushebbarer Einzelelemente (44) bestehen.

12. System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteintragsmittel (18) Bestandteil der Blöcke (4) bzw. deren Einzelelemente (44) sind.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteintragsmittel (18) über Schlauchverbindungen (48) an eine zentrale Luftversorgung angeschlossen sind.

14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteintragsmittel (18) für die einzelnen Blöcke (4) bzw. deren Einzelelemente (44) einzeln abschaltbar sind.