DE19859542C2 - System zur aeroben biologischen Abwasserbehandlung mit spezieller Strömungsführung durch ein mehrgliedriges getauchtes Festbett - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur aeroben biologischen Ab­ wasserbehandlung gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges System ist aus DE 196 45 268 A1 bekannt. Es findet Verwendung zur biologischen Abwasserreinigung unter An­ wendung des sogenannten Biofilmverfahrens. Das bekannte System weist ein ring- oder ringsektorförmiges Becken auf, in dem ge­ mäß einem Ausführungsbeispiel mehrere im wesentlichen dreieck­ förmige Festbettblöcke mit darunter angeordneten Lufteintrags­ mitteln sowie einem außenseitig anschließenden Freiraum zur Ausbildung individueller Walzenströmungen jeweils durch radia­ le Trennwände voneinander getrennt angeordnet sind. Obgleich mit diesem System gegenüber älteren Systemen mit getauchtem Festbett und darunter angeordneten Lufteintragsmitteln eine gleichmäßigere und intensivere Nutzung des Festbetts erreicht wird, leidet es daran, daß es eben nur ringförmigen Klärbecken vorbehalten bleibt und zudem mit seinen Trennwänden und damit verbundenen eigenen Wasserzu- und -ablaufmitteln einen ver­ hältnismäßig großen Bauaufwand erfordert.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System der im Gattungsbegriff angegebenen Art so zu gestalten, daß es mit vergleichsweise geringem Bauaufwand in praktisch jeder ge­ bräuchlichen Art von Klärbecken verwirklicht werden kann, vor allem auch rechteckigen, wie sie bei größeren Abwasserbehand­ lungsanlagen bevorzugt Verwendung finden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Kennzeichnungs­ merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben, davon ausgehend, vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten an.

Da im Falle der Erfindung die Festbettblöcke allein durch den weiligen Freiraum für die Ausbildung einer Abwärtsströmung voneinander getrennt in ein und demselben Becken angeordnet sind, können sie ohne Um- und/oder Einbauten, wie Trennwände und damit verbundene eigene Wasserzu- und -ablaufmittel, in praktisch jeder Art Abwasserbehandlungbecken - auch bereits vorhandenen - Anwendung finden. Derartige Becken können also ohne weiteres erfindungsgemäß nachgerüstet werden.

Gegenüber herkömmlichen einschlägigen Abwasserbehandlungssy­ stemen ohne Walzenströmung weist das erfindungsgemäße System auch den Vorteil auf, daß damit in ein und demselben Becken neben einer Nitrifikation simultan auch eine Denitrifikation durchführbar ist, wozu nur die Sauerstoffzufuhr unter den Festbettblöcken so dosiert zu werden braucht, daß außerhalb derselben Sauerstoffmangel herrscht. Zwar ist in "Korrespon­ denz Abwasser" 42 (8/95), S. 1343-1352, hinsichtlich "außer­ mittig angeordneter" belüfteter Festbettblöcke auch bereits von einer Walzenströmung die Rede, doch ist diese anscheinend quergerichtete Walzenströmung für eine simultane Denitrifizie­ rung schon deshalb ungeeignet, weil die Festbettblöcke in horizontaler wie in vertikaler Richtung durchgängig sein sol­ len. Daran ändert auch ein zur Steigerung der Reinigungslei­ stung vorgeschlagener "Kaskadenbetrieb" nichts. Entsprechend soll denn auch nach dieser Literaturstelle eine Stickstoffeli­ mination entweder vorgeschaltet sein oder aber bei intermit­ tierender Belüftung erfolgen.

Im übrigen kann ein erfindungsgemäßes System auf folgende Ar­ ten betrieben werden:

• 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 10 oder 11, 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 12 gilt dies auch für Ar­ beiten an den Lufteintragsmitteln einzelner Blöcke bzw. Ein­ zelelemente, selbst wenn diese an eine zentrale Luftversorgung angeschlossen sind.

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 inner­ halb des betreffenden Beckens und

Fig. 4a bis 4g - 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 aufruhendes 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 für diese letztgenannte Möglichkeit zeigen die Fig. 4a bis 4g. In all diesen Beispielen verfügt die Verfah­ renskette über eine mechanische Vorreinigung 50, um die Sy­ stemkomponenten vor Grobstoffen wie z. B. Sanden zu schützen. Ebenso ist bei jedem Beispiel nach den Fig. 4a bis 4g zur Durchführung eines kombinierten Belebtschlamm-/Festbett­ verfahrens mit dem als erfindungsgemäßes System gestalteten Bioreaktor 52 eine Nachklärung 54 nachgeschaltet und zwischen Nachklärung und Bioreaktor ein Schlammrücklauf 56 vorgesehen. Ein erfindungsgemäßer Bioreaktor ist für eine solche Verfah­ rensweise prädestiniert, weil die kontinuierliche gerichtete Strömung in den einzelnen Festbettblöcken eine Verstopfungsge­ fahr weitgehend beseitigt. Freilich ist es indessen auch denk­ bar, ein reines Festbettverfahren mit Bioreaktor und Nachklä­ rung 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 stattdessen 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 gänz­ lich getauchtem Festbett und darunter angeordneten Luftein­ tragsmitteln (18) innerhalb eines an horizontal durchströ­ mungsmäßig entgegengesetzten Enden einen Wasserzulauf (14) und einen Wasserablauf (16) aufweisenden Beckens (2), wobei das Festbett aus mehreren horizontal aufeinanderfolgenden, allein vertikal durchströmten Blöcken (4) besteht, die Luft­ eintragsmittel (18) sich auf die Bereiche unterhalb dieser Blöcke beschränken und außerhalb der Blöcke Freiräume beste­ hen für die Ausbildung einer Abwärtsströmung, die zusammen mit einer sich in einem jeden Block ausbildenden Aufwärts­ strömung eine Walzenströmung ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Blöcke (4), allein durch den jeweiligen Freiraum für die Ausbildung der Abwärtsströmung voneinander getrennt, in ein und demsel­ ben Becken (2) angeordnet sind und dessen gesamte Breite ein­ nehmen.

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

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ samtvolumen des Festbetts makroskopisch zwischen 40% und 70% des Volumens des Beckens (2) bis zur Höhe des Wasserspiegels (26) ausmacht.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß über den einzelnen Blöcken (4) die gesamte Breite des Beckens (2) einnehmende, nach oben über den Was­ serspiegel (26) hinausragende Trennwände (10) angeordnet sind.

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

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

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

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Blöcke (4) mit Füllkörpern ausgefüllt sind.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Walzenstömung allein durch unter den Blöcken (4) befindliche Lufteintragsmittel (18) in Gang ge­ halten wird.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Blöcke (4) aus dem Becken (2) einzeln heraushebbar sind.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, 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 abkuppelbare Schlauchverbindun­ gen (48) an ein zentrales Druckluftversorgungssystem (20) an­ geschlossen sind.

14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lufteintragsmittel (18) für die einzel­ nen Blöcke (4) bzw. deren Einzelelemente (44) einzeln ab­ schaltbar sind.