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Die Erfindung betrifft eine Abwasserreinigungsanlage auf Basis eines zweistufigen Festbettverfahrens bei dem die Abwasserzugabe schubweise und die Reinigungsschritte zeitlich hintereinander erfolgen.
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Für die Abwasserreinigung auf Basis von Mikroorganismen stehen eine Vielzahl von Behandlungsverfahren zur Verfügung. Diese biologischen Reinigungsverfahren können grob in zwei Anlagentypen unterteilt werden.
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Belebungsanlagen
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Beim den Belebtschlammanlagen schweben die Mikroorganismen frei im Reaktionsbecken und werden durch die in dieses Becken eingeblasene Luft bzw. durch Rühraggregate in Schwebe gehalten. Die Mikroorganismen bilden mit dem Wasser des Belebungsbeckeninhalts eine Suspension. Die Mikroorganismen kommen so mit den zu behandelnden Inhaltsstoffen in Kontakt und die Stoffwechselprozesse werden möglich. Zum Abschluss des Reinigungsprozesses werden Mikroorganismen und Wasser durch Flockungs- und Sedimentationsprozesse voneinander getrennt. Dies erfolgt im Nachklärbecken in denen möglichst turbulenzarme Strömungsbedingungen eingehalten werden. Im Nachklärbecken bilden sich Belebtschlammflocken, die aufgrund der Schwerkraft absinken. Aus der sich bildenden Klarwasserzone kann das gereinigte Abwasser ablaufen. Alternativ zu einer nacheinander geschalteten Anordnung von Belebungs- und Nachklärbecken können die Prozesse auch in einem Behälter zeitlich hintereinander durchgeführt werden (SBR-Verfahren).
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Festbettanlagen
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Bei den Festbettanlagen werden in den biologischen Reaktionsraum Wachstumsoberflächen, meist aus Kunststoffmaterial, eingebracht an dem sich die Mikroorganismen ansiedeln. Man unterscheidet dabei zwischen Anlagen mit getauchtem Festbett und solchen mit berieseltem Festbett. Beim getauchten Festbett ist das Festbettmaterial komplett mit Flüssigkeit überstaut und die Sauerstoffversorgung erfolgt wie beim Belebungsverfahren über technische Belüftung. Das berieselte Festbettverfahren oder auch Tropfkörperverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das mit Mikroorganismen besiedelte Festbett mit Abwasser berieselt wird und dieses frei durch das Festbettmaterial hindurchlaufen kann. Das an dem Festbettmaterial entlanglaufende Abwasser kommt mit den dort anhaftenden Mikroorganismen in Kontakt, wobei ein Abbau der Abwasserinhaltsstoffe erfolgt. Die Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen erfolgt durch die in den Poren des Festbettmaterials zirkulierende Luft. Das Festbettverfahren mit freischwebendem Festbett, bei dem sich die Mikroorganismen auf einem frei beweglichen Trägermaterial im Reaktionsbecken bewegen, sowie das Rotationstauchkörperverfahren, bei dem die Mikroorganismen auf drehenden Scheiben angesiedelt sind und sich bei einer Umdrehung der Scheiben mal über und mal unterhalb des Wasserspeigels befinden, stellen Sonderverfahren des Festbettverfahrens dar.
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Die ursprünglichen Tropfkörperanlagen waren bis in die 1980-er Jahre auch in der kommunalen Abwassertechnik ein verbreiteter Anlagentyp. Der Vorteil des Tropfkörpers besteht insbesondere darin, dass die Sauerstoffversorgung alleine durch Konvektion der durch das Festbettmaterial zirkulierende Luft bereitgestellt wird. Dies ist mit einem geringen Energieverbrauch für die Sauerstoffversorgung verbunden, da nicht wie beim Belebungsverfahren die Sauerstoffversorgung mittels Druckluft eingeblasen werden muss. Durch den hohen Sauerstoffgehalt der Luft innerhalb des Tropfkörperfüllmaterials ist dieser auch bei hoher Belastungsspitze im Tropfkörper meist nicht limitierend. Das Tropfkörperverfahren weist im Vergleich zum Belebungsverfahren weitere Vorteile auf, da es kommt mit weniger Reaktionsvolumen aus, die Besiedlung an einer festen Oberfläche führt zu einer besseren Adaptierung der Biomasse und der von dem Festbettmaterial nach einiger Zeit abfallende Schlamm sedimentiert besser.
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Die Tropfkörperanlagen wurden aber insbesondere durch die Notwendigkeit zur Elimination der Pflanzennährstoffe Stickstoff und Phosphor von den Belebungsanlagen verdrängt. Beim Belebungsverfahren lassen sich die für die Elimination der Pflanzennährstoffe erforderlichen unterschiedlichen Prozessphasen besser integrieren und steuern. Der Tropfkörper wurde daher bis auf wenige Sonderanwendungen fast weitgehend durch Anlagen nach dem Belebungsverfahren ersetzt.
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Es hat in der Vergangenheit immer wieder Versuche gegeben das Tropfkörperverfahren wieder aufzugreifen und durch Verfahrenskombinationen und Kreislaufführungen zu verbessern, um auch eine Nährstoffelimination zu ermöglichen. Diese Konzepte konnten sich aber nicht durchsetzen. Ein besonderes Problem stellt dabei die schlecht regulierbare Einstellung des Sauerstoffgehaltes dar, da während des Durchlaufs durch den Tropfkörper das dort verrieselte Abwasser stark mit Sauerstoff beladen wird. Dadurch gelangt übermäßig Sauerstoff auch in Zonen bzw. Phasen die zur Stickstoffelimination vorgesehen sind. Eine biologische Stickstoffelimination über eine Denitrifikation ist aber nur erfolgreich, wenn sich anoxische Milieubedingungen einstellen.
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Die hier vorgestellten Abwasserreinigungsanlage, genannt Sequentielle Batch Tropfkörper Kläranlage (SBT-Kläranlage), greift das Prinzip der Tropfkörperanlage auf und kombiniert diese in einem mehrstufigen System mit einem getauchten Festbett und einer Zwischenspeicherung, wobei dieser Zwischenspeicher auch ein Reaktionsraum für freischwebenden Mikroorganismen ist. Die Füll- und Entleerungsphasen sowie die Abwasserreinigungsphasen in dieser Anlage erfolgen schrittweise und zeitlich hintereinander.
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Diese SBT-Kläranlage besteht aus einer zweistufigen Festbettanlage, bei der zwei Reaktionsbereiche übereinander angeordnet sind. Der untere Teil dieses Festbettreaktors, mit einem Anteil von z.B. 30 %, wird im Wesentlichen als überstauter Festbettreaktor betrieben. Darüber befindet sich der Reaktionsraum des natürlich belüfteten Tropfkörpers. Der obere Reaktionsraum Tropfkörper ist mit einem Abstand über den unteren überstauten Reaktionsraum angeordnet. In diesem Bereich zwischen dem unteren und oberen Reaktionsraum sind die Lufteintrittsöffnungen des Tropfkörpers angeordnet. Durch diese Bauweise erhält man einen Reaktionsbehälter der in zwei unterschiedliche Reaktionsräume unterteilt ist. Einem unteren hauptsächlich überstauten Bereich, in dem wahlweise anoxische und anaerobe Verhältnisse eingestellt werden und einem darüber befindlichen Tropfkörperbereich mit vornehmlich aeroben Abbauprozessen.
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Die zweistufig übereinander angeordneten Reaktionsräume können auch komplett aerob betrieben werden. Dabei wird Flüssigkeit unter dem unteren Reaktionsbereich entnommen und über dem Tropfkörperbereich verrieselt. Die aus dem Tropfkörperbereich auf den unteren Bereich herauslaufende Flüssigkeit ist stark mit Sauerstoff beladen und versorgt auch die Mikroorganismen des unteren Reaktorbereiches. Der untere Reaktorbereich kann dabei gefüllt oder geleert sein.
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Neben dem zweistufigen Festbettreaktor besteht die SBT-Kläranlage noch aus einem weiteren Behälter der als Reaktionsraum, Zwischenspeicher und als Sedimentationsbehälter zur Abtrennung von Belebtschlamm und gereinigtem Abwasser genutzt wird. Dieser Zwischenspeicher erfüllt zur Bewirtschaftung des Festbettreaktors eine wichtige Funktion. Durch die Anordnung eines Zwischenspeichers ist es möglich, Flüssigkeit aus dem Reaktionsraum des unteren Festbettreaktorabschnitts zwischen zu speichern und so in diesen unteren Reaktorabschnitt unterschiedliche Reinigungsphasen einstellen zu können. Je nachdem welche Reinigungsphase in dem unteren Reaktorabschnitt eingestellt werden sollen, wird dieser untere Reaktorabschnitt in den Zwischenspeicher entleert oder aus diesem gefüllt.
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Der biologische Reinigungsprozess erfolgt entlang einer Zeitachse und besteht aus Füll-, Zwischenspeicher-, Zirkulations- und Verrieselungsphasen. Die Reinigungsprozesse für den Abbau der organischen Verbindungen, des Stickstoffs und Phosphors mit den dafür erforderlichen aeroben, anoxischen und anaeroben Phasen lassen sich in den Bereichen des zweistufigen Festbettreaktionsbehälters, unter Einbeziehung des Zwischenspeichers, einstellen.
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Zusammengefasst sind in der SBT-Kläranlage folgende Kreislaufführungen denkbar.
- a) Die aus dem belüfteten Tropfkörperteil abtropfende Flüssigkeit gelangt auf die Flüssigkeitsoberfläche des unteren überstauten Bereiches ohne sich mit diesem nennenswert zu vermischen. In dem Spalt zwischen unteren und oberen Reaktionsbereich wird die Flüssigkeit abgezogen und wieder auf dem Tropfkörpermaterial verregnet. Es kann so ein Flüssigkeitskreislauf für den belüfteten aeroben oberen Bereich eingestellt werden.
- b) Es kann ein Kreislauf für den unteren unbelüfteten Bereich eingestellt werden. Dabei wird Flüssigkeit in dem Spalt zwischen unterem und oberem Reaktorbereich angesogen und unterhalb des Festbettmaterials des unteren Reaktorbereiches zugegeben. So kann der untere Reaktorbereich, weitestgehend vom oberen Bereich unbeeinflusst, durchmischt werden, so dass sich hier anaerobe oder anoxische Verhältnisse einstellen können.
- c) Im Zwischenspeicher wird nitrathaltiges Abwasser zwischengespeichert, das zur Denitrifikation zurück in den unteren Teil des Reaktionsbehälters geleitet wird. Diese Füllung des unteren Reaktorabschnittes erfolgt bevorzugt zusammen mit einer Zugabe von zu behandelndem Abwasser.
- d) Die Flüssigkeit wird unterhalb des unteren Reaktorbereiches angesogen und auf den oberen Tropfkörperbereich verrieselt. Das Wasser nimmt dabei im oberen belüfteten Tropfkörperabschnitt ausreichend Sauerstoff auf, um auch die darunter befindlichen nicht direkt belüfteten Mikroorganismen mit Sauerstoff zu versorgen.
- e) Neben den in a) bis c) erläuterten reaktorinternen Kreisläufen kann auch der Zwischenspeicher in diese Kreisläufe eingebunden werden. Das gilt sowohl für die aeroben Prozessphasen unter Einbindung des Tropfkörperbereiches, als auch im Austausch mit dem unteren hauptsächlich für die anaeroben und anoxischen Phasen zuständige Reaktionsbereich.
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Der Ablauf eines Reinigungszyklus kann wie folgt beschrieben werden, wobei auch andere Verfahrenskombinationen möglich sind. Das zu behandelnde Abwasser wird in den unteren Abschnitt des Festbettreaktionsbehälters geleitet, um diesen bis zu einem bestimmten Stand füllen. Es stellen sich in diesem unteren Bereich anaerobe Milieubedingungen ein, was eine P-Rücklösung nach sich zieht, die wiederum Voraussetzung für spätere erhöhte P-Aufnahme durch die Mikroorganismen ist. Darauf folgt eine anoxische Phase bei der nitrathaltige Flüssigkeit aus dem Zwischenspeicher in den unteren Bereich des Festbettreaktors geleitet wird. Es stellen sich jetzt anoxische Bedingungen ein, wodurch eine Stickstoffentfernung durch Denitrifikation ermöglicht wird. An diese anoxische Phase schließt sich eine aerobe Phase an, bei der die Flüssigkeit aus dem unteren getauchten Festbettreaktor entnommen und über dem Tropfkörperbereich verrieselt wird. Hierdurch erfolgen ein Abbau der organischen Verbindungen sowie die Nitrifikation des Ammoniums. Diese Füll- und Reaktionsphasen können sich innerhalb eines Reinigungszyklus mehrfach wiederholen, bevor im Zwischenspeicher die abschließende Sedimentations- und Klarwasserabzugsphase eingeleitet wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 erläutert.
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Die SBT-Kläranlage besteht im Wesentlichen aus einem zweistufigen Reaktor R mit einem unteren meistens überstauten Bereich UB und einem oberen Bereich OB der nicht überstaut wird sowie einem Zwischenspeicher ZNK der auch zeitweise Nachklärung ist. Die Zirkulation der Flüssigkeitsströme erfolgt über eine Pumpe P. Der Reaktionsbehälter R ist im oberen Bereich OB mit einem Füllkörpermaterial FKo und im unteren Bereich UB mit einem Füllkörpermaterial FKu gefüllt. Beide Abschnitte weisen einen Abstand A zueinander auf. Durch diesen Abstand A kann über die Luftöffnungen LÖ Luft zur Sauerstoffversorgung unter den oberen Tropfkörperbereich OB gelangen und diesen Abschnitt OB mit Sauerstoff versorgen. Zudem kann sich durch den Abstand A ein freier Wasserspiegel ausbilden, über den Flüssigkeit aus dem unteren Bereich UB und dem oberen Bereich OB über den Ablauf AbUBo abfließen kann.
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Die Beschickung der SBT-Kläranlage erfolgt über den Zulauf Zu unten in den unteren Bereich UB des Reaktionsbehälters R.
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Zur Einstellung der entsprechenden Reinigungsschritte kann der Pumpe P vom Reaktionsbehälter R über einen unteren Ablauf AbUBu sowie einen oberen Ablauf AbUBo und vom Zwischenspeicher ZNK über Leitung AbZNK Flüssigkeit zufließen. Von der Pumpe P aus kann die Flüssigkeit zur Verrieselung ZuVR auf das Füllkörpermaterial FKo, in die Leitung ZuUBu unter das Festbettmaterial FKu sowie über die Leitung ZuZNK in den Zwischenspeicher geleitet werden.
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Im Zwischenspeicher ZNK erfolgt neben der Zwischenspeicherungsfunktion für die einzelnen Reinigungsschritte auch die Sedimentationsphase sowie der Klarwasserabzug, wobei das gereinigte Abwasser nach der Sedimentationsphase über die Abzugsleitung KWA abgelassen werden kann. Der Abzug des Überschussschlamms erfolgt über Leitung ÜS.
