DE19903035C2

DE19903035C2 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Behandlung von Abwasser in Klärbecken

Info

Publication number: DE19903035C2
Application number: DE19903035A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Messner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2001-01-04
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: DE19903035A1; EP1024117A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser in Klär becken.

Eine bekannte Verfahrensweise sieht vor, Abwasser in Klärbecken, das durch einen biologischen Prozeß gereinigt werden soll, zu belüften. Dabei werden im Bodenbereich des Klärbeckens Belüftungselemente vorgesehen, um wäh rend einer zeitlich begrenzten Zeitphase, nämlich einer sogenannten "Nitrifikationsphase" Sauerstoff in den Klärprozeß einzutragen. Dies ge schieht dadurch, daß die Belüftungselemente mit Druckluft angeblasen wer den und - abhängig von ihrer Bauart - im wesentlichen flächig oder lokal mehr oder weniger feine Luftblasen in das Abwasser eingetragen, die dann im Abwasser hochsteigen und sich mit diesem vermischen. Dabei wird der sich in der Luftblase befindliche Sauerstoff an das Abwasser abgegeben. Die im Abwasser vorhandenen Mikroorganismen (Nitrifikantenpopulation) zehren während der verschiedenen Stoffwechselabläufe den im Abwasser gelösten Sauerstoff und führen dabei das Ammonium (NH₄) letztlich in Nitrat (NO₃) über. Gleichzeitig werden in dieser Phase Kohlenstoffverbindungen abgebaut.

Für den Klärprozeß mit einer erweiterten Stickstoffelimination ist es erfor derlich, daß sich der vorstehend grob umrissenen Nitrifikationsphase eine sogenannte "Denitrifikationsphase" anschließt. Die für diese Phase wichtigen Mikroorganismen (Denitrifikationspopulation) haben die Eigenschaft, bei fehlendem gelösten Sauerstoff sich diesen aus dem Nitrat (NO₃) zu holen, wobei der übrigbleibende elementare Stickstoff (N) gasförmig aus dem Ab wasser in die Atmosphäre entweicht. Diese Phase kann in der Einbecken technologie durch Abschalten der Belüftungselemente und vollständiger Zeh rung des gelösten Sauerstoffs im Abwasser relativ schnell (2-5 min) ausge löst werden.

Während der Denitrifikationsphase in solchen Klärbecken tritt das Problem auf, daß die im Klärwasser schwebenden Belebtschlammteilchen (Biomasse) dazu tendieren, sich im Bereich des Beckenbodens abzusetzen. Falls sie dort abgelagert sind, kann der biologische Klärprozeß (Denitrifikationsphase) nicht mehr voll effektiv ablaufen, weswegen bei Verfahren nach dem Stand der Abwassertechnik während der Denitrifikationsphasen dazu übergegangen worden ist, das Abwasser zu mobilisieren, d. h. zu bewegen, wodurch die Biomasse aufgewirbelt und in einem gewissen Schwebezustand gehalten wird. Dazu sind aufwendige, in die Klärbecken eingebaute Rührwerke, z. B. motorisch angetriebene rotierende Rührarme erforderlich, die das Abwasser in Bewegung setzen.

Nachteilig an solchen Rührwerken kann allerdings sein, daß die Rührarme der Rührwerke die Belebtschlammflocken mechanisch zerschlagen (Scherwirkung) und somit eine Verschlechterung des Absetzverhaltens in der Nachklärphase (Trennung des Klärschlammes vom Abwasser) bewirken. Außerdem sind die Anschaffung und die Montage mit erheblichen Investi tionskosten und der Betrieb mit hohen Energie- und Wartungskosten ver bunden.

Ferner ist aus DE 44 15 602 C2 ein Verfahren zur Führung einer biologischen aeroben Abwasserbehandlungsanlage, welches sich an der Substrat-Abbaurate der Mikroorganismen orientiert, bekannt. Mit Hilfe des Verfahrens kann unterschie den werden, ob eine Änderung der Abbaurate lediglich mit Schwankungen der Menge bzw. Konzentrationen im Zulauf verbunden ist, oder ob eine physiologi sche Beeinträchtigung der Organismen vorliegt. Das Verfahren ist außerdem in der Lage, simultan die Substrat-Abbauraten der Organismen des Kohlenstoffab baus und des Stickstoffabbaus zu verfolgen. Das Verfahren ist dabei an einem bestimmten Aufbau der Abwasserbehandlungsanlage gebunden, wobei die Anlage eine bestimmte Ausstattung mit Meß- und Stellinstrumenten aufweist. Diese In strumente sind wiederum mit einem System verbunden, das Meßdaten aufneh men, verarbeiten und Kontrollbefehle aussenden kann und welches mit einem weiteren System verbunden ist, auf dem modellgestützte Programme ablaufen, gemäß derer die Identifikation der Substrat-Abbaurate der Organismen so vorge nommen wird, daß eine Prozeßführung möglich wird.

Aus DE 44 07 773 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Abwasser nach dem Belebtschlammverfahren mit Nitrifikation und vorgeschalte ter Denitrifikation bekannt, bei welchem der Rücklaufschlamm aus dem Nach klärbecken und das nitrathaltige Abwasser aus der aeroben Zone in eine vorge schaltete anoxische Zone rezirkulieren. Die Rezirkulation erfolgt dabei durch den Eintrag pneumatischer Energie, welche ohnehin in den feinblasig belüfteten Bec keneinheiten aufgebracht werden muß. Dabei folgen abwechselnd unbelüftete und belüftete Beckeneinheiten in Zirkulationsrichtung aufeinander.

Aus DE 41 10 026 A1 geht eine biologische Kläranlage hervor, bei welcher ein biochemisch inerter Luftblasenstrom eingesetzt wird, wobei die Luft immer wie der verwendet wird. Beim ersten Durchströmen des Denitrifikationsbeckens nimmt der Sauerstoffgehalt der Luft ab, so daß das resultierende sauerstoffarme Gas den Prozeß der Denitrifikation nicht mehr stört. Hierzu muß die Anlage her metisch abgeschlossen sein und die O₂-verarmte Luft nach unten geleitet und ei nem Verteilersystem zugeführt werden, damit sie immer wieder in Form von Luftblasen durch das Abwasser nach oben strömt. Damit wird eine zusätzliche Spülwirkung und der Abriß von Tropfkörperbewuchs bewirkt.

Das in DE 40 24 947 A1 beschriebene Verfahren zum Reinigen von Abwasser wird im Wege eines biologischen Belebungsprozesses einer Nitrifikation und De nitrifikation unterzogen und das gereinigte Abwasser nach erfolgter Schlammse dimentation abgeführt. Der Abwasserzulauf, der Sauerstoffgehalt, der ph-Wert, das Redoxpotential, die Temperatur und der Füllstand werden permanent erfaßt, so daß in Abhängigkeit der ermittelten Werte der Abwasserzulauf, die Durch mischung, die Belüftung und der Abwasserablauf zentral gesteuert werden. Die Zerkleinerung der Schmutzstoffe wird während des Befüllens des Belebt schlammbeckens, das Durchmischen während des Füllens, der Nitrifikation und Denitrifikation im Belebtschlammbecken, die Belüftung während der Nitrifikation und nach der Schlammsedimentation die Leerung des Belebtschlammbeckens vorgenommen.

In DE 37 12 433 A1 wird ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung mittels Belebtschlamm einschließlich der biologischen Elimination von Phosphat beschrieben, bei welchem die an sich bekannten, biologischen Reinigungsprozes se der Kohlenstoff-, Stickstoff und Phosphorelimination simultan in einem einzi gen Belebtschlammbecken mit geregelten, sich periodisch wiederholenden oxi schen, anoxischen und anaeroben Prozeßphasen ausgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs der art weiterzubilden, daß es, ohne den Klärprozeß negativ zu beeinflussen, kei ner zusätzlichen Einrichtungen, die Kosten verursachen, bedarf.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Abwassermobilisierung zur Aufwirbelung der Belebtschlammteilchen während der Denitrifikationsphase durch kurze, von den Belüftungselementen abgegebene Strömungsimpulse erzeugt wird.

Die Erfindung geht im Kern von der Erkenntnis aus, daß es entgegen der bis herigen Fachmeinung nicht schädlich ist, auch während der Denitrifika tionsphase mit kurzen Strömungsimpulsen ausschließlich durch die Belüf tungselemente den Belebtschlamm in Schwebe zu halten. Wenn hier von Strömungsimpulsen gesprochen wird, so können dies Gasströmungen sein, die gegebenenfalls auch durch sauerstofffreie Gasmedien ersetzt werden können.

Am wirtschaftlichsten ist es natürlich, wenn die Strömungsimpulse in der Denitrifikationsphase Druckluftimpulse aus der Atmosphäre sind (Luftströmungsimpulse), da dieselbe Einrichtung im Dauerbetrieb für die Ni trifikationsphase benötigt wird.

Bei der Bemessung der Luftströmungsimpulse ist es nur erforderlich, daß diese so gelegt und zeitlich auch so begrenzt sind, daß das dadurch in das Abwasser eingetragene Gas die Denitrifikation nicht unterbricht. Dazu ist die Erkenntnis erforderlich, daß - wenn die Mikroorganismen während der Deni trifikationsphase auf die Sauerstoffaufnahme aus dem Nitrat (NO₃) umge schaltet haben - eine Rückführung dieses Prozesses das Vorhandensein von gelöstem Sauerstoff im Abwasser kontinuierlich über längere Zeit voraussetzt.

Wird hingegen das Abwasser nur durch etwa 10-60 s lange Luftströmungsim pulse mobilisiert und dabei auch etwas Sauerstoff eingetragen, so ist dieser Sauerstoffeintrag nicht ausreichend, um die Mikroorganismen zu veranlassen, ihr Sauerstoffaufnahmeverhalten wieder zurückzuschalten. Zur Belebt schlammdurchmischung sind derartige Luftströmungsimpulse aber völlig aus reichend. Sie sind sogar weit effizienter als der Einsatz von kosten- und war tungsintensiven Rührwerken, weil durch die Strömungsimpulse von den in Bodennähe befindlichen Belüfterelementen ganzflächig die Biomasse durch die senkrecht nach oben aufsteigenden Gasblasen in Schwebe gebracht werden. Somit werden auch sogenannte "Kurzschlußströmungen" vermieden.

Grundsätzlich ist es möglich, mit den Strömungsimpulsen ein sauerstofffreies Gas oder Gasgemisch einzutragen. Dann können die Strömungsimpulse zeit lich freigelegt oder auch länger dimensioniert werden, da eine Änderung des Sauerstoffaufnahmeverhaltens der Mikroorganismen aufgrund der Absenz von gelöstem Sauerstoff nicht möglich ist.

Es ist grundsätzlich auch denkbar, daß das zur Mobilisierung eingebrachte Gas oder Gasgemisch den Ablauf der biologischen oder biochemischen Stoffwech selvorgänge während der Denitrifikationsphase unterstützt oder beschleunigt, was beispielsweise durch Methangas erzielt werden kann.

Es ist auch möglich, in verschiedenen Bereichen des Klärbeckens unterschied lich lange oder unterschiedlich häufige oder intensive Strömungsimpulse ein zutragen, um eine wirklich volleffiziente Denitrifikationsphase zu erzielen.

Bereits beim Stand der Abwassertechnik sind mit den Belüftungselementen Steuerungseinrichtungen gekoppelt, die die Belüftungseinrichtung zyklisch zur Erzeugung der Nitrifikations-/Denitrifikationsphasen anblasen. Grund sätzlich ist es möglich, über diese Steuerungseinrichtungen auch die zur Ab wassermobilisation vorgesehenen Strömungsimpulse zu erzeugen.

Um zu erfassen, wie weit sich während der Denitrifikationsphase die Belebt schlammteilchen im Abwasser bereits in den Bodenbereich abgesetzt haben, können im Klärbecken insbesondere optische Sensorelemente vorgesehen werden, die beispielsweise in einem oberen Beckenbereich und im Bodenbe reich eine optische Dichtedifferenzmessung durchführen.

Stellt sich dabei heraus, daß die Dichte der Belebtschlammteilchen im unte ren Bereich bereits deutlich höher ist als im oberen Bereich, schaltet die Steuerungseinrichtung einen Strömungsimpuls, um das Abwasser im Sinne der Erfindung wieder zu mobilisieren.

Die Dauer des Strömungsimpulses kann dabei vorteilhafterweise etwa im Be reich vom 10-60 s liegen. Diese Angaben sind aber lediglich Richtwerte und können unter- oder überschritten werden, je nach dem, welches Gas oder Gasgemisch mit den Strömungsimpulsen in die Denitrifikationsphase einge bracht wird.

Grundsätzlich können auch mehrere kurze Strömungsimpulse hintereinander erzeugt werden. Wichtig ist dabei, daß der zeitliche Abstand der Strö mungsimpulsen, wenn dabei Sauerstoff eingetragen wird, so groß gewählt ist, daß die Denitrifikationsphase durch zu hohen Sauerstoffeintrag nicht un terbrochen wird.

Vorteilhafterweise kommen als Belüftungselemente für das Verfahren soge nannte "Flächenbelüfter" in Frage, die am Boden oder knapp über dem Bo denbereich eines Klärbeckens montiert werden.

Die Erfindung ist anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dieses zeigt die verschiedenen Phasen Belüftung, Belebtschlamm durchmischung. Nitrifikation und Denitrifikation im zeitlichen Ablauf.

Während der Nitrifikationsphase wird NH₄ in NO₃ umgesetzt, dazu wird kontinuierlich Druckluft durch die Belüftungselemente in das Abwasser ein geblasen. Beim Ausführungsbeispiel ist die Luftmenge während der Nitrifi kationsphase konstant dargestellt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, während der Nitrifikationsphase unterschiedliche Luftmengen zu verwenden.

Während der Denitrifikationsphasen sind die Belüfterelemente im wesentli chen abgeschaltet. Dabei wird NO₃ im Abwasser abgebaut. Der NH₄-Gehalt im Abwasser steigt durch den stetigen Zufluß wieder an.

Zur Mobilisierung des Abwassers während der Denitrifikationsphase sind im Ausführungsbeispiel zwei Strömungsimpulse dargestellt, die das Abwasser und damit den sich bereits teilweise abgesetzten Belebtschlamm aufwirbeln.

Grundsätzlich ist es bei Verwendung von sauerstofffreiem Gas auch möglich, die Impulse durch eine kontinuierliche Mobilisierungsströmung zu ersetzen, die durch die Belüftungselemente erzeugt wird.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Abwasser in einem Klärbecken zum Zwecke der Abwasserreinigung, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Vorsehen mindestens eines Belüftungselements im Bodenbereich des Klärbeckens zum Einblasen von Luft in das Abwasser, um während einer zeitlich begrenzten Nitrifikationsphase Sauerstoff in den Klärprozeß einzutragen;
b) Vorsehen mindestens einer der/den Nitrifikationsphase(n) nachfolgenden Denitrifikationsphase, während der kein für den Klärprozeß relevanter Sauerstoffeintrag in das Abwasser erfolgt und das Abwasser zur Aufwirbelung von Belebtschlammteilchen mobilisiert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Abwassermobilisierung zur Aufwirbelung der Belebtschlammteilchen während der Denitrifikationsphase durch kurze, von den Belüftungselementen abgegebene Gasströmungsimpulse erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungsimpulse Luftströmungsimpulse sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas- oder Luftströmungsimpulse zeitlich im Intervall der Denitrifikationsphase liegen und jeweils etwa 10 s-60 s andauern, so daß die im Abwasser befindlichen Mikroorganismen aus den Luftströmungsimpulsen keinen im Abwasser gelösten Sauerstoff aufnehmen können.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Strömungsimpulsen ein sauerstofffreies Gas oder Gasgemisch eingetragen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder Gasgemisch eine externe Kohlenstoffquelle enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder Gasgemisch aus Klärgas oder Methan besteht.

7. Verfahren nach der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in unterschiedlichen Bereichen des Klärbeckens (Zentrum/Mittelbereich/Randbereich) unterschiedlich lange und/oder unterschiedlich häufige Strömungsimpulse eingetragen werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vorsehen einer mit den Belüftungselementen gekoppelten Steuerungseinrichtung, durch welche neben den den Sauerstoffeintrag verursachenden zyklischen Anblasphasen der Belüftungselemente zur Erzeugung der Nitrifikations-/Denitrifikationsphasen auch die zur Abwassermobilisierung vorgesehenen Strömungsimpulse erzeugt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Klärbecken Sensorelemente angeordnet sind, über die die Belebtschlammdichte im Bereich des Abwassers erfaßt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente optische Elemente sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente mit der Steuerungseinrichtung verbunden sind.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Strömungsimpulse im Bereich von etwa 10 s-60 s liegt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Denitrifikationsphase mehrere Strömungsimpulse erzeugt werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsimpulse zeitliche Abstände voneinander haben, die größer als etwa 5 min sind.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Belüftungselement ein mit einer Membrane versehener Flächenbelüfter (Platten- oder Streifenbelüfter) eingesetzt wird.