DE2218180A1

DE2218180A1 - Verfahren zur Abwasseraufbereitung mit Schlammbelebung

Info

Publication number: DE2218180A1
Application number: DE19722218180
Authority: DE
Inventors: Warren J. Prof.Dr. El Cerrito Calif. Kaufman (V.StA.). P
Original assignee: Universität von Kalifornien, Berkeley; Environmental Quality Engineering Inc., Oakland; Calif. (V.StA.)
Priority date: 1971-05-05
Filing date: 1972-04-14
Publication date: 1972-11-30
Also published as: US3728253A; DE2218180B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abwasseraufbereitung, insbesondere zur Entfernung abbaubarer Kohlenstoff- und Phosphorverbindungen aus dem Abwasser, wobei ein biologisches System vorgesehen ist mit einem Belüftungsapparat und einem an diesen anschließenden Absetzgefäß, von welchem Schlamm in den Belüftungsapparat rückgeführt wird (aktivierter Schlammprozeß).

Bisher hat man den aktivierten Schlammprozeß angesehen als das wirksamste und wirtschaftlichste Verfahren zur Entfernung abbaubarer Kohlenstoffverbindungen u. dgl. und von Schwebeteilchen aus städtischen und vielen industriellen Abwässern. Das grundsätzliche Verfahrensschema ist dabei wie eingangs angegeben - die Belüftung des Abwassers in Gegenwart belebten Schlammes mit anschließender Sedimentation und Rückführung des Schlammes bis auf einen kleinen Überschußanteil von dem Absetzgefäß in den Belüftungsapparat. 209849/0659

Man hat in jüngster Zeit erkannt, daß richtig eingestellter und rückgeführter Schlamm eine schnelle Trennung gelöster und kolloidaler organischer Teilchen im Abwasser bewirkt, daß aber relativ lange Belüftungszeiten erforderlich sind, um einen relativ schnell und leicht sedimentierenden Schlamm zu erhalten. Im Jahre I964 ist eine Studie über dieses Problem erschienen (H. J. Stewart Activated Sludge Variations - The Complete Spectrum, Nachdruck aus Water and Sevageworks, Teile I, II und III) und kam dabei zu dem Ergebnis, daß Systeme mit Belastungsgeschwindigkeiten zwischen 0,5 und 2 (pounds BOD per day per pound of mixed liquor volatile suspended solids) nur eine geringwertige Abtrennung des Schlammes erbringen würde. Ausgedrückt durch die volumetrische Belastung (d. h. biologischer Sauerstoffbedarf pro Tag und pro Raumeinheit des Belüftervolumens / mass of BOD applied per day per unit volume or aeration basin) ging die frühere Praxis dahin, diese Belastungen zu beschränken auf ungefähr 0,5 - 0,8 kg biologischer Sauerstoffbedarf pro Tag und Kubikmeter Belüftervolumen ( 13»5 - 23 kg pro 28,3 nr => 30 - 5° pounds per day per I000 cubic feet of aerationtank capacity). Angesichts dieser Beschränkungen hat man lange Belüftungszeiten von 6-8 Stunden vorgesehen; die obere Grenze für den Gehalt an Schwebeteilchen mhm man an bei 2ooo mg/l, wobei der Betrag an schwimmfähigen Schwebeteilchen in der Flüssigkeit noch bedeutend niedriger wäre.

Es liegt daher das Problem zugrunde, einen Weg zu finden, auf welchem der aktivierte Schlammorganismus organische Rückstände in bedeutend höheren Mengen assimilieren kann und ohne den üblichen Verlust biologischer Massenkontrolle (biomass control). Wenn aktivjsrter bzw. belebter Schlamm sehr schnell organische Substanzen sich einverleibt, erleiden die in dem System enthaltenen Populationen morphologische Veränderungen. Spezifisch sind dabei die Umwandlungen von einem flockigen und schnell absetzbaren Charakter in einen

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dispersen bzw. in eine fadenförmige Kultur, die nur sehr geringe Abs'etz- bzw.
KLärungseigensohäften hat. Die Absetzgeschwindigkeit ist äußerst wichtig, da

sie unmittelbar Einfluß hat auf den wirtschaftlichen Effekt und die Kosten der

Anlage. ' _% !

Wenn der erstrebte hohe Grad der Assimilation organischen Substrats erreicht ', werden kann, kann das Belüftungsgerät sehr verkleinert werden gegenüber gegen-;

wärtigen Anlagen. Oder aber bei einer gegebenen Anlage kann der Durchsatz ohne; Änderung des Belüfters weitgehend gesteigert werden, sofern nur ausreichend
Sauerstoff zugeführt wird. In beiden Fällen werden Kapital und Betriebskosten
reduziert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach im wesentlichen in der Schaffung ei-' nes biologisch-chemischen Abwasserbehandlungsverfahrens, bei weHiem der organische Belastungsfaktor weitgehend gesteigert ist gegenüber dem bekannter
Systeme zur biologischen Behandlung städtischer Abwasser. Des weiteren soll
eine Anlage dieser Art geschaffen werden, die einen hohen Grad in der Beseitigung abbaubarer Kohlenstoffverbindungen hat, vergleichbar äem bei Anlagen, die in herkömmlicher Weise sohlammaktiviert sind und wobei die Anlage auch
einen hohen Grad in der Entfernung von Phosphaten hat und der Abfluß gut geklärt ist.

Dabei soll die Anlage vergleichsweise niedrig im Kapitalbedarf liegen und \ in gleicher Weise sowohl Kohlenstoff wie Phosphor mit geringeren Kosten ent- ; fernen als bei einem konventionellen biologischen Prozeß mit anschließender

"tertiärer" chemischen Trennung des Phosphors. !

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Zur Lösung dieser Aufgabe und zur Erreichung dieser Vorteile wird erfindungsgemäß ein zweistufiges Verfahren vorgeschlagen, wobei in der ersten Stufe ein biologisches System mit einem Belüftungsgerät (Belüfter) und einem Absetzgerät (Separator) zur Entfernung löslichen und kolloidalen organischen Materials vorgesehen sind und als zweite Stufe ein chemisches System mit einem Ausfällungsapparat und einem Separator-Klärapparat vorgesehen sind, zur Entfernung des Phosphors nebst suspendierten Feststoffen und einigen löslichen organischen Verbindungen, durch Zusatz von Kalk, Alaun oder anderen Flockungsmitteln. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht dabei darin, daß in der zweiten Stufe gebildete Feststoffe kontinuierlich rückgeführt werden von dem Separator-Klärapparat in den Belüfter der ersten Stufe in einer solchen Menge, daß der Gehalt an anorganischen, suspendierten Feststoffen im Belüfter auf einem Niveau zwischen 3° und 60 Gevfo von der insgesamt suspendierten F_eststoffmenge gehalten ist. Dieses Verfahren erlaubt eine ausgezeichnete Separation und Schwerkraftabsetzung (Sedimentierung) des biologischen Schlammes in dem Separator der ersten Stufe, selbst wenn die Belastung des Reaktors steigt auf einen biologischen Sauerstoffbedarf von etwa 5 bis 1o kg pro Tag und Kubikmeter Belüftervolumen (= 3°° - 600 pounds BOD per day per I000 cubic feet of aeration tank capacity). Ferner wird diese Trennung und Sedimentation bewirkt bei einer Konzentration der aktiven biologischen Feststoffe (schwimmfähiger, suspendierter Feststoffe) zwischen ungefähr 3ooo mg/l und 5000 mg/1 oder mehr in der gemischten Flüssigkeit des Belüfters.

Nachder gegenwärtige Systeme beschränkt sind auf Belastungen entsprechend einem büogischen Sauerstoffbedarf von 0,5 - 0,8 kg pro Tag und Kubikfuß

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Belüftervolumen ( 3o - 5o pounds BOD per day per 1ooo cubic feet of aeration tank capacity), erlaubt also das Verfahren gemäß der Erfindung eine Reduzierung des Belüfter-Volumens auf I/5 bzw. Ι/ίο. Diese hohe volumetrische Wirksamkeit wird erreicht aufgrund der ungewöhnlichen Eigenschaften der Mischung des Schlamms mit hohem anorganischen Feststoffgehalt. Der Zusatz des chemischen Schlammes verbessert nicht nur die Absetzrate der Biomasse in dem Separator der ersten Stufe, er hindert auch bzw. unterdrückt die Umwandlung der Biomasse in fadenförmige oder disperse Kulturen. Diese Stabilisierung der Biomass-Charakteristika ermöglicht den Betrieb des Belüfters mit sehr hoher Konzentration biologisch aktiver Peststoffe, wie oben angegeben, wobei eine beständige, stabile Betriebsweise, ohne Überlauf des Biomasse-Schlammes in der ersten Stufe bzw. in dem Separator der ersten Stufe.

Das vorstehende Verfahren erbringt eine Säuberung von über 9o % bezogen auf den biologischen Sauerstoffbedarf (BOD) und im Ausmaß von über 80 °/o bezogen auf den chemischen Sauerstoffbedarf bei häuslichem Abwasser, bei volumetrischen Belastungen von etwa 5 - 1o kg biologischen Sauerstoffbedarfs pro Tag und Kubikmeter Belüftervolumen (5oo - 600 pounds BOD per day per 1000cubic feet).

Bei diesen Belastungsbedingungen ist die Verweilzeit in dem Beliifterbassiri reduziert auf etwa eine Stunde, eine gute Wirkung bzw. Ausbringen kann erwartet werden schon bei nur 2o Minuten Belüfterzeit. Diese Kontrolle der Absetzfähigkeit dos adtivierten Schlammes wird erfindungsgemäß erreicht durch Einhaltung eines gleichbleibenden Gehalts anorganischen Schlammes in dem Belüfter (dem ΒεΊ Π fterbassin) von wenigstens 3o ^aß> bis zu 60 tf> der insgesamten Peststoffmenge.

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Oberhalb dieses Anteils fällt die Wirksamkeit der zugefügten anorganischen Peststoffe in dem Belüfter rapide ab, da diese Feststoffe die aktive Biomasse verdünnen. Anderseits - bei einer Konzentration anorganischer Peststoffe von weniger als 3o $ - besteht die Neigung zu Unterbrechungen in der beständen guten Trennung des Schlammes in der biologischen Zone. Dementsprechend sollte der anorganische Schlamm kontinuierlich rückgeführt werden, diskontinuierliche Zugabe-dieses Schlammes ist weniger vorteilhaft.

Abgesehen von der hohen Belastung mit anorganischem Schlamm, die in dem Belüfter aufrechterhalten wird durch Schlammrückführung vonder chemischen Stufe, und abgesehen von der hohen Reaktorbelastung und dem hohen Feststoffgehalt in dem Belüfter, ist die allgemeine Betriebsweise und die Ausrüstung in heilen Stufen des Verfahrens genau wie an sich bisher üblich. Der Belüfter der ersten Stufe wird also normalerweise bestehen aus zv/ei oder mein· Belüfteriiehälfcorn bzw. Abteilen, wobei Vorsorge getroffen ist für die Rückführung und l/iederoelüfturig von Feststoffen von de. .eparator, welcher den Fnerlauf aus dom Bo]ii FtBr." insgesamt erhält.

i)it. :■■:·; .... . . :"::, : .ai.eh-'id aus dem Flockungsapnarat und d--?ni A>.;^h-- und KlV l'c. ■. .- - . - Γ ι i- <:.i^t;n L-oröLts wesenülLcn geklärten Zui'ln au. J-':·, ,-narai ·· <v der fiL'fj-.. ..,j:..;, ül.t!..~;v ^ufluü, der einen ,qsringen Gehalt ;uf;nondiei'ter Te.il-ο:ΐ3ΐί, y" . "in.jei. ^.inhalt Leiblichen organii'.chen i'lateriairj unci von >.-ho::nlu v ::rr.[rt.:·.:'. :^::~> in L'O'r/m von Phonntiorioneri enthält, kann beiiandoJ ι. i-i(>r-\t-ri mit je- ιο.ϊ Xvι c-lL'i.· ■ ■..-iriätion von Chemikalien, welche nur immer den . ■ or;;mr>i.· niederschlagen "..^ ale SciiwGbeteilchen ausflocken. Solclie Chemikalien :;ind KaLi;, Alaun, Eisenchlorid, Polyelectrolyte usw. Bevorzugt Lrjt dabei Kalk, weil er billig idt und v/iedergev/onnen und wiederverwendet worden kann.

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Bei Verwendung von Kalk kann die Zugaberate automatisch kontrolliert werden, so daß der pH-Wert in der zweiten Stufe zwischen 9j5 und 11,ο auf dem gewünschten Wert gehalten wird. Der richtige pH-Wert ist" eine !Funktion verschiedener Veränderlicher, wie Alkaligehalt und Konzentration von Phosphor, Magnesium und Kalcium, wobei .iedes Abwasser unterschiedliche Werte hat. Der Betrieb der zweiten Stufe ist an sich - mit der Ausnahme der Schlammrückführung in die erste Stufe - wie üblich und jede Anzahl von Flockungsapparaten und Separator-Klärern bzw. Absetzgefäßen kann vorgesehen werden.

Wachfolgend wird ein Aasführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt ein Schema des Verfahrens bzw. einer Anlgg* nach dem Verfahren.

Das zu behandelnde Abwasser gelangt durch die Zuflußleitung 1o in den Belüftungsapparat (Belüfter) 11. Irischluft oder Sauerstoff wird durch eine Leitung 12 am Boden des ielüfters 11 eingegeben.Der Auslaß vom Belüfter gelangt über Verbindungsleitung 13 in den Absetzapparat (Separator) 14, in welchem sich der Schlamm absetzt und zum großen Teil über Schlammleitung 15 wieder in den Belüfter 11 zurückgeführt wird; ein kleinerer Anteil des Schlämmen wird über Schlammablaßleitung 16 abgelassen.

Der insoweit bereits geklärte Auslaß aus dem Separator 14 gelangt durch die Leitung 2o in den Flockungsapparat 21. Chemische Zusätze in Form von Lösung odor I³UlVOr v/erden vom Vorratstank 22 über Leitung 23 in die Leitung 2o, aüßo in den Einlaß des Elockungsapparats 21, eingegeben. Die jeweils zuge- l^nbene Mcn/?e wird dabei geregelt durch einen pH-Regler 24 nebst zwischengesohaü teton !Instrumenten 25·

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Bei Zugabe von Kalk wird die Kalkmenge abgestellt auf den im Flockungsapparat 21 gewünschten pH-Wert. Bei Zusatz von Chlorwasserstoff und gleichzeitig von Alaun kann die Chlorwasserstoffmenge geregelt werden zur Einhaltung eines konstanten pH-Wertes, während das Alaun in konstanter Menge zugegeben wird. Vom Flockungsapparat gelangt die Flüssigkeit mit dem ausgeflockten Feststoff über Leitung 26 in einen Absetz- und Klärapparat 27, der an sich gebräuchlicher Art ist. Bei dem eingesetzten Gerät (sludge blanket type) erfolgen Eindickung und Entfernung des Schlammes durch einen konischen Separator am Boden mit einem am Umfang arbeitenden Kratzer (nicht gezeigt). Der Schlamm wird rückgeführt über Leitung 28 in den Belüfter 11 in einer solchen Menge, daß die gewünschte relative Konzentration der anorganischen Festteilchen in der Flüssigkeit im Belüfter eingehalten wird. Diese Rückführungsleitung vom Absetz-Klärapparat 27 zum Belüfter 11 ist mit 28 bezeichnet. Der überschüssige Schlammanteil wird über Leitung 29 abgeführt. Der fertig geklärte Auslaß wird vom Klärapparat 27 abgeführt über Leitung 3o; da die Gehalte an "BOD", "COD" und Phosphor äußerst gering sind, kann der Auslaß aus der Leitung 3° nach pH-Wert-Einstellung in passender Weise abgelassen werden.

Ausführungsbeispiel

Die Anlage gemäß der Erfindung wurde betrieben mit einem Abwasserdurchsatz von zwei Gallonen pro Minute. Das Abwasser hatte einen BOD-Wert (biochemical oxygen demand) von 113 und. einen COD-Wert (chemical oxygen demand) von 241 (diese Werte wurden mit Standardmethoden gemessen). Die Verweilzeit im Belüfter 11 war 22 Minuten, dem Belüfter wurde Luft zugeführt durch einen Kompressor (nicht gezeigt) über ein Verteilersystem am Boden des Bassins in einer Menge, die das System ausreichend aerobisch hielt.

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Die Konzentration suspendierter Pestteilchen (SS) in der Flüssigkeit im Belüfter wurde gehalten auf 6000 mg/l, wovon angenähert 3000 mg/l suspendierte, schwimmfähige Festteilchen (VSS) organischer Natur waren. Die vergleibenden 3000 mg/l bestanden aus inoragnischem, chemischen Schlamm, der durch die Rückführung vom Klärapparat 27 der zweiten Stufe herrührt. Bei diesem Betrieb ergab sich eine volumetrische organische Belastung von 7,4 kg biologischen Sauerstoffsbedarf pro Tag und Kubikmeter'Belüftervolumen ( 460 pounds BOD per day per I000 cubic feet of aerator volume).

Die gemischte Flüssigkeit gelangt vom Belüfter 11 in den Schwerkraftseparator 14» wo sich die Schlammteilchen zügig absetzten. Dieser Schlamm wurde zu einem großen Teil rückgeführt in den Belüfter 11, während der Rest aus dem System abgeführt wurde. Der flüssige Auslaß aus dem Separator I4 wurde in den Flockungeapparat 21 eingeführt. Im Flockungsapparat wurde durch entsprechende Kalk-Zugabe der pH-Wert auf etwa 11 gehalten. Die durchschnittliche Dosis war dabei 28o mg Kalk/l. Die Verweilzeit im Flockungsapparat war 16 min. Der Auslaß vom Flockungsapparat wurde in den Absetz-Klärapparat 27 eingegeben, der nach der Schlammtuchart ^Ludge blanket manner) betrieben wurde; die "Verweilzeit darin war ungefähr 1 Stunde, Der Schlamm wurde kontinuierlich vom Boden des Klärapparates 27 entfernt; ungefähr 1o - 2o fa des Schlammes wurde rückgeführt in den Belüfter 11, wobei die Menge bzw. Konzentration an inorganischen oder mineralischen Feststoffen bei 3°°° mg/l gehalten wurde. Die organischen Festteilchen (VSS) wurden ebenfalls auf dieser Höhe gehalten. Der nicht rückgeführte Schlamm wurde durch Schlammauslaß 29 abgeführt. Das fertiggeklärte Wasser wurde durch Abflußleitung J>o abgelassen mit ausgezeichneter Klarheit. Es wies folgende Werte auf:

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BOD (biologischer Sauerstoffbedarf) 9,5 mg/l, was einer Reinheit bzw. Entfernung von 92 % des ursprünglichen Anteils entqp rieht;

COD (chemischer Sauerstoffbedarf) 41 mg/l, was einer Reinheit bzw. Entfernung von 83 % des ursprünglichen Anteils entspricht;

Der gesamte Phosphorgehalt war 0,44 mg/l entsprechend einer Reinheit von 96 p,

Organischer Stickstoff 2,1 mg/l, entsprechend 73 f° Reinheit; Schwebeteilchen (VSS ) 1,9 mg/l entsprechend 96 °/o Reinheit. Es sei nun noch eine Zusammenfassung, ein Abstrakt der Erfindung erlaubt:

Es handelt sich um Abwasserbehandlung mit einem aerobisch-biologischen Prozeß in einer erstenStufe und einer chemischen Ausflockung in einer zweiten Stufe. Bei der Ausflockung angefallene Festteilchen werden in den aerobischen Reaktor der ersten Stufe zurückgeführt in einer Menge, die ausreicht, den Gehalt an anorganischen Feststoffen, in der Ersten Stufe zwischen 3° und 60 io der insgesamt in der Schwebe enthaltenen Festteilchenmenge zu halten. Bei Anwesenheit dieser chemischen, anorganischen Festteilchen vermag der biologische Prozeß mit großer Wirksamkeit abbaubare Kohlenstoffverbindungen zu entfernen bzw. abzubauen, selbst bei hohen volumetrischen Belastungen von 300 und 600 Pfund BOD pro Tag per I00 Kubikfuß Belüftervolumen und bei einer Menge von 3000 - 6000 mg/l, oder mehr.

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Phosphate.werden in der chemischen Ausflockung ebenfalls bestens entfernt. Auch wird ein hoher Grad in der Entfernung organischen Stickstoffs erhalten.

Es sei nochmals bemerkt, daß nur .ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wurde, vielfältige Abwandlungen innerhalb des Erfindungsgedankens sind möglich.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Abwasseraufbereitung, insbesondere zur Entfernung abbaubarer Verbindungen .des Kohlenstoffs und Phosphors aus dem Abwasser, wobei ein biologisches System mit einem Belüftungsapparat und einem an diesen anschließenden Absetzapparat vorgesehen ist, mit Rückführung von Schlamm aus dem Absetzapparat in den Belüftungsapparat, dadurch gekennzeichnet,

daß als eine zweite Stufe ein chemisches System mit einem Flockungsapparat und einem an diesen angeschlossenen Absetz- und Klärapparat vorgesehen ist, wobei von dem Absetz- und Klärapparat des chemischen Systems abgezogene Pestteilchen rückgeführt werden in den Belüftungsapparat des biologischen Systems in einer so großen Menge, daß der Anteil an anorganischen, suspendierten Teilchen in dem Belüftungsapparat zwischen 3o und 60 Gew.io der insgesamt in dem Belüftungsapparat suspendierten Peststoffteilchen gehalten wird, und wobei die Aufbereitungsanlage mit einer Belastung von 5 - 1o kg biologischen Sauerstoffbedarfs pro Tag und Kubikmeter Belüftervolumen betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Konzentration aktiver biologischer Pestteilchen in dem Belüftungsapparat auf 3000 - 6000 mg/l gehalten wird.

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3. Verfahren naoh Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, '

daß der Belüftungsapparat beschickt wird mit einer Abwassermenge entsprechend einer volumetrischen Belastung von 5 - 1o kg büogischen Sauerstoffbedarfs pro Tag und Kubikmeter Belüftervolumen.

4. Verfahren naoh Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß aus dem Absetz- und Klärapparat des chemischen Systems Pestteilchen > kontinuierlich rückgeführt werden in den Belüftungsapparat in einer sol-

i chen Menge, daß der Gehalt an anorganischen Schwebeteilchen in dem Belüf- ι tungsapparat des biologischen Systems auf dem gewünschten Niveau gehalten wird.

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