DE2366033A1

DE2366033A1 - Verfahren zur nitrifikation von abwasser

Info

Publication number: DE2366033A1
Application number: DE19732366033
Authority: DE
Inventors: John Stratis Jeris
Original assignee: ECOLOTROL
Current assignee: ECOLOTROL
Priority date: 1972-06-19
Filing date: 1973-06-19
Publication date: 1977-07-14
Also published as: JPS5499348A; DE2331192A1; BE801127A; GB1430410A; CH572870A5; FR2189328B1; NL7308423A; FR2189328A1; JPS4951765A; NL161115B; IT985492B; CA986239A; JPS5245138B2; DE2331192B2; US3846289A; IL42496A; IL42496A0

Description

PATEN TAN wIlTE

DR. ING. E... HOFFMAN N (1930-1976) · DIPL-ING. W.EITLE · D R. RER. NAT. K. HOFFMAN N . DIPL.-ING.W. LEHN

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D-8000 MD NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 ■ TELEX 05-29619 (PATHE)

Ausscheidung aus der
Patentanmeldung P 23 31 192.4-25

Ecolotröl, Inc., Bethpage, N.Y./USA

Verfahren zur Nitrifikation von Abwasser

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Behandlung von flüssigen Abwässern unter Verwendung von Fließbetten. Die Erfindung betrifft.insbesondere ein Verfahren zur Nitrifikation von Abwasser.

Äbwässerbehandlungsanlagen sind üblicherweise dazu ausgestaltet, um Feststoffe und Sauerstoff erfordernde organische Materialien zu entfernen. Die Anlagen sind jedoch nicht beabsichtigt, um Algennährstoffe, wie Stickstoff und Phosphor, zu entfernen. Bei großen Mengen von fixiertem Stickstoff in Form von Ammoniak und Nitraten werden diese durch die große Verwendung von synthetischen Detergentien und Düngemitteln in die Biospähre eingeführt. Diese Stoffe scheinen das Ungleichgewicht der ökologischen Systeme für die Zukunft zu verändern. Derzeit enthalten Stadtabwässer im allgemeinen 25 bis 50 mg Stickstoff je Liter, und zwar in Form von Ammoniak, Aminen, Nitrat, Nitrit und dergleichen. Das Vorliegen von solchen Nährstoffen in natürlichen Wassern bewirkt eine Düngung und ein vegetatives Wachstum von Algen. Ein solches Wachstum führt oftmals zu einer beschleunigten Eutrophisierung.

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Denitrifikationsverfahren, die im Versuchsstadium durchgeführt worden sind, sehen im allgemeinen eine Nitrifikation des Abstroms von zeitweiligen sekundären Behandlungsanlagen vor, um die Amine und Ammoniak zu Nitraten zu oxidieren. Die nitrifizierten Abwasser werden sodann der Einwirkung einer denitrifizierenden Fauna bzw. Flora unterworfen, welche die Nitrate in Nitrite und sodann zu Stickstoffgas umwandeln. Das Stickstoffgas wird sodann von dem Abwasser abgegeben. Während der Denitrifikation ist eine Kohlenstoffquelle vorhanden. Wenn der Nitratstickstoff zu gasförmigem Stickstoff reduziert wird, dann wird eine Kohlenstoffquelle zur Kohlendioxid oxidiert, wobei gleichfalls auch zellförmiges Material gebildet wird.

Die herkömmlichen Nitriflkationsprozesse erfordern eine ungewöhnlich lange Verweilzeit, gewöhnlich von 3 bis 6 oder mehr Stunden. Solche Verweilzeiten erfordern große und teure Anlagen zur Behandlung von technischen oder städtischen Abwässern.

Es sind schon bestimmte experimentelle Nitriflkationsprozesse unter Verwendung von Stromabwärtskolonnen oder -betten durchgeführt worden. Solche Stromabwärtsbetten oder -packbetten neigen dazu, blockiert zu werden, wenn die Feststoffe in dem Abwasser herausgefiltert werden, wozu noch kommt, daß die anhaftende Flora bzw. Fauna auf den Substratsteinen oder dem Sand ein unkontrolliertes Wachstum besitzt. Eine solche Blokkierung bewirkt unüberwindliche KopfVerluste. Diese Verluste müssen durch ein häufiges und unpraktisches Rückwaschen gemindert werden.

Die hierin verwendete Bezeichnung "Abwasser" oder "flüssiges Abwasser" bedeutet organische oder anorganische Flüssigkeiten oder Gemische davon, die biologisch zersetzbare Verunreinigungen enthalten und die Stickstoff in reduzierter Form,

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insbesondere in Ammoniakf cem, enthalten. Städtische und technische Abwässer., die einer Mitrifikation-unterworfen werden sollen oder- die reduzierten Stickstoff enthalten,, sollen unter die obige Definition von Abwasser f allen...-

Ziel der Erfindung ist .es, ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser zur Verfügung zu stellen,, um den Ammoniak- oder Ämingehalt unter Anwendung von hohen Fließgeschwindigkeiten und niedrigen Verweilzeiten und unter Erzielung einer hohen Entfernung sleistung zu vermdndern.. Bei diesem Verfahren soll ein Fließbett verwendet werden können,, wobei die Meigung der Bettteilchen zur Vergrößerung und Äggiomerierang kontrolliert werden soll.. Das Abwasser soll weiterhin signifikante Mengen von. suspendierten Feststoffen enthalten können, ohne daß die Leistung des Prozesses wirksam vermindert wird., ". ;

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur. KEitrifi— kation von Abwasser, das; dadurch gekennzeichnet ist, daß.man ein Fließbett aus einer ηitrif!zierenden Flora bzw. Fauna, welche an einen festen teilchenförmigen Träger angehaftet ist, und dem Abwasser bildet, wobei der Träger eine Teilchengröße von etwa 0,2 bis 3 mm und ein spezifisches Gewicht von mindestens, etwa T ,1 ■ aufweist, daß· man in dem Abwasser ausreichend Sauerstoff vorsieht, um die Oxidation der zu nitrifizierenden Abwässer durch die Fauna bzw. Flora zu gestatten, daß man das Bett bei einer. Temperatur hält, welche ausreichend ist,, um eine bakterielle Aktivität zu gestatten, und daß man ■'überschüssiges Wachstum von dem teilchenförmigen Träger in vorgewählten Intervallen mechanisch entfernt. --. :

Die hierin verwendete Bezeichnung "Fließbett."' oder "Wirbelbett" soll sich auf den Aufwartsstrom einer geeigneten Flüssigkeit durch ein Bett von fe'sten Teilchen mit geeigneter Grosse mit einer Geschwindigkeit beziehen, welche, ausreichend hoch

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ist, uitc den Teilchen einen Auftrieb zu verleihen, um den Einfluß der Schwerkraft zu überwinden und diesen eine Bewegung innerhalb· eines Bettes zu verleihen, das zu einer größeren Tiefe expandiert ist," als wenn durch das Bett kein Strom strömt.

Wenn der Stickstoff in der Form von Aminen und/oder Ammoniak aus dem Abwasser,, das durch das Fließbett strömt, entfernt wird, dann wird das Bakterienwachstum gesteigert und die Grösse nimmt, wennn· keine Kontrolle erfolgt, zu und es besteht die Neigung, daß die auf dem Träger vorliegende Flora bzw. Fauna Aggregate bildet, wodurch die Oberfläche vermindert wird und die !Leistung der Säule verkleinert wird. Ferner neigen die Teilchen, dazu, hinsichtlich ihres spezifischen Gewichts vermindert zu werden, wenn sie expandieren, und sie neigen dazu, von dem Bett weggetragen zu werden. Es ist ein Merkmal des Ferfahrens der vorliegenden Erfindung, daß bei periodischen Intervallen ein überschüssiges Bakterienwachstum von den Teilchen entfernt wird, wodurch ein genügendes Wachstum für die Mitrifikationi zurückbleibt.'

Die Anwendung eines Fließbettes zur Nitrifikation gestattet auch, daß, darin ein Abwasser behandelt wird, welches erhebliche Mengen von suspendierten Stoffen enthält. Solche suspendierten Stoffe gehen im allgemeinen leicht durch das Fließbett hindurch. Gepackte Betten sind durch ein überschüssiges Wachstum und du-rett eine Retention von teilchenförmigen Stoffen, die in dem Abwasser enthalten sind, einem Verstopfen unterworfen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich, eine wirksame Miitrifikation von Abwasser mit unerwartet hohen Fließgesehwittdxgkeiten und niedrigen Verweilzeiten durchzuführen. . ·

Bas Fließbett, durch das das einströmende Abwasser fließt,

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wird vorzugsweise in einer aufrechten zylindrischen Kolonne gehalten. Das Abwasser tritt in die Kolonne durch einen Verteiler auf ihrer Grundlage ein. Eine zylindrische Verteilerplatte mit einer Reihe von im Abstand angeordneten Löchern kann dazu verwendet werden, um den Fluß von Wasser durch die Kolonne zu regulieren und auszugleichen, obgleich eine breite Vielzahl herkömmlicher Verteilungseinrichtungen und -systeme gleichfalls verwendbar ist.

Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Fließbett bzw. Wirbelschichtbett, das aus einer nitrifizierenden Flora bzw. Fauna gebildet wird, die an einen festen teilchenförmigen Träger oder ein Substrat angefügt ist, erzeugt. Beispiele für geeignete Trägermaterialien sind natürliche oder künstliche Materialien, wie Kohle, vulkanische Schlackai, Glas- oder Kunststoffperlen, Sand, Aluminiumoxid und, was am meisten bevorzugt wird, Aktivkohleteilchen. Die Größe der Teilchen ist eine Funktion sowohl ihres spezifischen Gewichtes als auch der Oberfläche. Meistens wird es bevorzugt, Trägerteilchen mit einem Durchmesser zwischen etwa 0,2 und 3 mm zu verwenden. Insbesondere wird es bevorzugt, poröse Teilchen mit einem Durchmesser von zwischen 0,6 und 1,5 mm zu verwenden (wobei kugelförmige Teilchen angenommen werden). Die Teilchen haben, was am meisten bevorzugt wird, eine gleichförmige Größe. Während die obigen Trägermaterialien für das Bett Beispiele von bevorzugten Trägermaterialien sind, können auch weitere, gegenüber Bakterien nicht toxische Materialien entweder natürlicher oder synthetischer Herkunft verwendet werden.

Für eine optimale Nitrifikation hat jedes Betteilchen vorzugsweise eine dünne, darauf gesäte Schicht von Bakterien. Im allgemeinen werden die Betteilchen zuerst durch Samenbakterien, wie Nitrosomonas oder Nitrobacter, kultiviert. Das Säen wird von außen oder vorzugsweise im Innern des Systems

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unter Anwendung herkömmlicher Maßnahmen durchgeführt. Das spezifische Gewicht von solchen gesäten Teilchen darf nicht weniger als etwa 1,1 betragen und ist vorzugsweise größer als etwa 1,20, damit gewährleistet wird, daß diese Teilchen während des Betriebs nicht aus dem System herausgetragen werden.

Bei einem Gesichtspunkt des Betriebs sind die Betteilchen in eine aufrechte Nitrifikationskolonne eingegeben. Wenn die einströmende Beschickung genügende Mengen von biologisch verfügbarem organischen Kohlenstoff enthält, dann braucht keine äussere Kohlenstoffquelle verwendet zu werden. Die Beschickung wird sodann in die Kolonne mit einer Geschwindigkeit eingepuitpt, die ausreicht, daß die besäten Teilchen im Wirbelschiehtzustand getragen werden.

Der Druck der Beschickung am Punkt der Wirbelschichtbildung variiert in Abhängigkeit von vielen Faktoren mit Einschluß der Menge der Betteilchen und ihres spezifischen Gewichts. Es wurde gefunden, daß verbesserte Ergebnisse erhalten werden, wenn die Fließgeschwindigkeit etwa 22,7 bis 151 l/min je 0,09 m (6 bis 40 Gallonen je Minute je square foot) des natürlichen oder künstlichen Betts beträgt. Besonders stark verbesserte Ergebnisse werden dann erhalten, wenn die Fließgeschwindigkeit etwa 30,3 bis 94,6 l/min (8 bis 25 Gallonen) je 0,09 m (1 square foot) des Bettes beträgt. In Abhängigkeit von der gewählten Fließgeschwindigkeit kann die tatsächliche Verweilzeit innerhalb einer speziellen Kolonne so gering wie 3 bis 5 Minuten sein.

Wenn in einem gegebenen Bett die Fließgeschwxndigkeit erhöht wird, um das Volumen des behandelten Abwassers zu erhöhen, dann erhöht ein spezielles Bett aus den mit Mikroorganismen versehenen Teilchen seine Höhe in dem Maß, wie sich die Teil-

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chen voneinander abtrennen. Um diese Neigung des Bettes zur Steigerung der Höhe bei höheren Fließgeschwindigkeiten zu kompensieren, kann es zweckmäßig sein, schwerere zusätzliche Betteilchen zu verwenden oder ein frisches Bett einzusetzen, das Teilchen mit höherem spezifischen Gewicht aufweist. Bei Verwendung eines identischen Fließbettes wurden Versuche durchgeführt, welche gezeigt haben, daß bei einer Steigerung der Fließgeschwindigkeit von etwa 45,4 l/min je

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0,09 m des Bettes auf etwa 90,8 l/min je 0,09 m des Bettes die prozentuale Expansion des Bettes sich mehr als verdoppelte. Gewünschtenfalls kann dieser Effekt wieder ausgeglichen werden, indem Betteilchen mit höherem spezifischen Gewicht verwendet werden, wenn mit höheren Fließgeschwindigkeiten gearbeitet wird, z.B. aus Sand, Granat und dergleichen.

Im allgemeinen wird der pH-Wert des Systems, wenn es erforderlich ist, so eingestellt, daß er in den Bereich von etwa 5,5 bis 9,5 fallt. Bessere Ergebnisse werden bei pH-Werten von etwa 6,5 bis 8,5 erhalten, was bevorzugt wird. Die Temperatur der Fließbettumgebung sollte ausreichend hoch sein, um eine bakterielle Aktivität zu gestatten. Gewöhnlich wird die Bettemperatur bei etwa 5 bis 45 C gehalten. Naturgemäß variiert die Temperatur entsprechend dem einströmenden Abwasser, so daß demgemäß ümgebungsbetriebstemperatüren in der Gegend von 10 bis 25 ⁰C zufriedenstellend sind.

Wenn die Nitrifikationsreaktion in dem expandierten Bett fortschreitet, dann neigen die Bakterien auf der Oberfläche der Trägerteilchen zum Wachstum. Nach einer bestimmten Zeit neigen daher, wenn keine Kontrolle erfolgt, die Betteilchen dazu, dicke Schichten zu bilden und sich bis zu einem solchen Ausmaß auszudehnen, daß sie Agglomerate und/oder gelatineartige Massen bilden. Wenn man dies durchgehen läßt, dann wird die für die Nitrifikation verfügbare Oberfläche erheblich vermindert und dementsprechend wird auch die Leistung des Prozesses

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verringert. Ferner neigen die Agglomerate dazu, aus dem expandierten Bett herausgetragen zu werden, wenn ihr spezifisches Gewicht abnimmt.

Um diese Probleme zu überwinden, wird ein überschüssiges bakterielles Wachstum mechaniaai von den Teilchen entfernt. Ein ausreichendes Wachstum in der Form einer dünnen Bakterienschicht muß aber auf den Teilchen zurückbleiben, damit die Leistung des Prozesses beibehalten wird. Die Entfernung des gesamten Wachstums, das für expandierte AufwärtsStrombett-Prozesse vorgeschlagen wird, welche zur Behandlung von Abwasser, um Kohlenstoff zu entfernen, verwendet werden, zerstört die Leistung des Verfahrens der Erfindung. Zur Entfernung des Wachstums können vorgewählte Mengen von Betteilchen durch eine ventilkontrollierte Auslaßöffnung entfernt werden und mechanisch durchbewegt und abgeschliffen werden, um überschüssige Bakterien zu entfernen. Diese Operation kann in einem getrennten Abriebgefäß durchgeführt werden, wobei ein Mischer verwendet werden kann, der einem drehenden Messer in einem Waring-Mischer ähnelt. Die abgeschliffenen Teilchen werden sodann zu dem Boden des Fließbettes zurückgegeben. Alternativ können auch die Teilchen in dem Schleifgefäß der Einwirkung von Druckluft oder von Wasserstrahlen ausgesetzt werden, um überschüssige Mikroorganismen zu entfernen.

Andere geeignete Durchbewegungsmechanismen und Vorrichtungen werden für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich. Nach der Behandlung werden die abgeschliffenen Teilchen in das expandierte Bett an seiner Grundlage durch eine geeignete Einlaßöffnung eindosiert. Die Entnahme von gemessenen Mengen von Betteilchen, ihre Reinigung und ihre Zurückführung in den Prozeß können ohne eine signifikante Störung der Kontinuität des Prozesses durchgeführt werden.

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Bei einer zweiten und mehr bevorzugten Ausführungsform werden die Teilchen in situ behandelt, um überschüssige Bakterien von ihren äußeren Oberflächen zu entfernen. Vorzugsweise wird komprimierte Luft durch das Bett gerichtet, obgleich hierzu auch eine Vielzahl von mechanischen Durchbewegungsvorrichtungen entweder allein oder in Kombination im Inneren der Kolonne verwendet werden kann. So können beispielsweise im Inneren der Kolonne mechanische Mischer, Abblendplatten und andere abschleifende Oberflächen sowie Wasserstrahlen, die nach oben und nach der Seite gegen die Kolonnenwände gerichtet sind, um Strudel und dergleichen zu erzeugen, sowie andere herkömmliche Durchbewegungseinrichtungen verwendet werden.

Es hat sich gezeigt, daß genügend Wachstum entfernt wird, wenn die Höhe des expandierten Bettes nach der Behandlung auf eine Größenordnung von etwa 10 bis 20 % seiner ursprünglichen expandierten Länge bei der gleichen Fließgeschwindigkeit vermindert wird. Bei stark erhöhten und verminderten Fließgeschwindigkeiten kann die Höhe etwas oberhalb oder unterhalb dieses Bereiches liegen. Zur Entfernung von überschüssigem Wachstum in situ unter Anwendung der Luftreinigungsmethode kann z.B. die Fließgeschwindigkext in die Kolonne auf etwa ein Viertel des normalen Flusses reduziert werden. Das Bett setzt sich zu einer neuen geringeren Höhe ab. Während und unmittelbar nach dem Abrieb bzw. dem Abschleifen werden die entfernten Wachstumsteilchen aus dem Reaktor hinausgetragen und von dem System abgegeben. Danach kann die Fließgeschwindigkeit wieder auf ihre normale Größe erhöht werden.

Je nach der Natur des in dem Fließbett behandelten Abwassers kann es erforderlich sein, für eine leistungsfähige Nitrifikation mehr als eine in Reihe geschaltete Kolonne zu verwenden. Für die meisten Zwecke reicht jedoch eine einzige Kolonne aus. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Abstrom von der

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ersten Kolonne als Beschickungsstrom für die zweite Kolonne zu verwenden, wenn die Konzentration der Amine oder von Ammoniak in dem Abstrom zu groß ist. In der zweiten Kolonne werden diese Stoffe weiter zu Nitriten oxidiert. Während des Anfahrens hat es sich als zweckmäßig erwiesen, mindestens einen Teil des behandelten Abstroms in die Kolonne zurückzuführen, um ein anfängliches Wachstum der Bakterien auf den Bettträgerteilchen in situ zu fördern.

Während der Nitrifikation wird das Bakterienwachstum auf den Teilchen von der Bettexpansion durch eine herkömmliche optische Vorrichtung oder einen anderen Typ eines Feststoff-Abfühlers H überwacht, der die Kontrolle des überschüssigen Wachstums unterstützt. Wenn die Bettexpansion eine bestimmte Höhe erreicht, wodurch das durch die Kolonne tretende Licht auf ein angegebenes Minimum verringert wird, dann werden die Bettteilchen durch Abschleifen einer Regenerierung unterworfen, um überschüssiges Wachstum zu entfernen.

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Claims

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN [\93QA976) - DIPt.-l NG. W.EfTLE · DR.RER. NAT.K. HOFFMANN · D I PU-ING. W. LEH N

DtPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. BANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS} · D-8Q00 MÖNCHEN 81 · TELEFON [OB?) ?T 1087 · TELEX 05-27619 (PATHE)

Ausscheidung

aus der Patentanmeldung P 23 31 192.4-25

Ecolotroi, Inc._? Bethpage, H.Y./USA

Verfahren zur Efitrifikation von. Abwasser

Patentansprüche :

1-) Verfahren zur biologischen Behandlung von

«asser, bei dem das zu reinigende Abwasser in zumindest einem senkrechten säulenartigen Behälter von unten nach oben durch ein Bett, das aus festen Teilchen mit einem spezifischen Gewicht von mindestens etwa 1,1, an denen ein Bewuchs aus Bakterien haftet, gebildet ist* hindurehgeflihrt wird, bei dem in dem Bett eine für die Aktivität der Bakterien günstige Temperatur aufrechterhalten und überschüssiges bakterielles Wachstum von den festen Teilchen zu bestimmten. Zeiten entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man in dem säulenartigen Behälter aus dem Abwasser und den festen, mit aerobischen Bakterienbewuchs versehenen _e eine Größe von etwa 0,2 bis 3 mm aufweisenden Teilchen ein fluidisiertes Bett erzeugt, indem man das Abwasser in Gegenwart von Sauerstoff mit einer Durchflußrate durch das Bett hindurchleitet, daß die Teilchen im ständigen Schwebezustand gehalten sind und eine ständige Bewegung innerhalb des Bettes erfahren, und daß die Entfernung des überschüssigen bakteriellen Wachstums derart

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kontrolliert erfolgt, daß ein für die Wahrung der Leistung' des Reimigiiingsprozesses ausreichendes Wachstum in der Form einer dtinnen Bakterienschicht auf den Teilchen zurückbleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Träger ein poröses teilciienfönniges Material mit einer im wesentlichen gleichförmigen Größe vmd einem Durchmesser zwischen etwa 0,6 und 1 ,0 nna verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet , daß man als Träger Aktivkohle verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man das Fließ- bzw. Wirbelschichtbett bildet,, indem man das Abwasser durch eine vertikale Kolonne, die die an den festen teilchenförmigen Träger angefügte Flora bzw... Fauna enthält, mit einer Fließgeschwxndigkext zwi-

2 sehen etwa 22,7 und 151 l/min je 0,09 m (6 bis 40 Galonnen je Miniüte je square foot) des Bettes leitet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man das überschüssige Wachstum entfernt, indem man die Fließgeschwindigkeit des flüssigen Abwassers in das Bett genügend vermindert, daß die Betthöhe um mindestens etwa ein Viertel vermindert wird, und daß man sodann komprimierte Luft in das Bett einleitet, um die Betteilchen dttremzufoewegen und überschüssiges Wachstum abzuschleifen bzw. abzureiben.

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