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Einstufiges Verfahren zum kontinuierlichen Eintrag von sauerstoffhaltigen
Gasen in ein belebtschlammhaltiges Abwasser Zum Betrieb einer biologischen Abwasserkläranlage
muß im Belebtschlammbecken die für den Stoffwechsel der Mikroorganismen nötige Sauerstoffmenge
zugeführt und eine bestimmte SauerstoffXonzentration aufrechterhalten werden, damit
die Bakterienkultur aerob arbeiten kann. Der dazu notwendige Sauerstoff wird der
Flüssigkeit aus der Gasphase zugeführt.
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Die Nachschubgeschwindigkeit von Sauerstoff aus dem Gas in die Flüssigkeit
ist einerseits von der Größe der Phasengrenzfläche gasförmig/flüssig und von der
dort herrschenden Turbulenz abhängig, andererseits ist sie der Konzentrationsdifferenz
# c zwischen der maximal erreichbaren O2-Sättigungskonzentration und der herrschenden
O2-Konzentration in der Flüssigkeit direkt proportional.
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Zur Vergrößerung der Pha#.ngrenzfläche werden unter anderem Oberfläch.nb.ltifter
eingesetzt oder das Gas, im allgemeinen Luft,wird in die Flüssigkeit geleitet und
dort ggf. mittels Rührer oder Flüssigkeitsstrahlen (Ejektor; Injektor; Zweistoffdüse)
dispergiert. Im ersten Fall herrscht am Begasungsort
Normaldruck
, im zweiten Fall werden in der Regel 3 bis 5 m tiefe Becken verwendet, wodurch
an der Stelle der Gaszerteilung ein geringer hydrostatischer ueberdruck genutzt
wird.
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In der Regel wird die beschriebene Art der Begasung im offenen Becken
durchgeführt, wobei in Kauf genommen wird, daß die entweichende Abluft teils erheblich
Anteile an leichtflüchtigen Geruchsstoffen enthält, die zu einer Geruchsbelästigung
der Umgebung führt. Da der Luftsauerstoff bei den beschriebenen Belüftungsverfahren
nur sehr unvollkommen genutzt wird, ist die zur Deckung des Sauerstoffbedarfs notwendige
Luftmenge und somit auch die Abluftmenge groß, sodaß eine Desodorierung durch eine
thermische Behandlung sehr aufwendig wird.
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Eine wesentliche Beschleunigung des Sauerstoffnachschubs in die Flüssigkeit
läßt sich durch die Vergrößerung der Konzentrationsdifferenz k c erreichen. Diese
Vergrößerung der Konzentrationsdifferenz d c läßt sich in der Praxis nur durch Steigerung
des 02-Partialdrucks im Gas erzielen.
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Letzteres ist entweder durch Anhebung des Systemdruckes oder durch
Ubergang von Luft zu Sauerstoff oder zu sauerstoffangereichertem Gas möglich. Die
Verwendung von reinem Sauerstoff oder von sauerstoffangereichertem Gas setzt aus
wirtschaftlichen Gründen allerdings voraus, daß der Gasstrom beim Passieren der
Anlage weitgehend an Sauerstoff verarmt.
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Dies ist beim Arbeiten unter Normaldruck durch mehrfaches Einführen
des Gasstromes in die Flüssigkeit und/oder durch Führen des Gases durch hintereinander
geschaltete Absorptionsstufen möglich (sogenanntes ltmehrstufig betriebenes Belebtschlammbecken").
Das Erzielen einer engen Verweilzeitverteilung des Gasdurchsatzes durch Kaskadenschaltung
der Behandlungsräume ist Gegenstand des Verfahrens nach der deutschen Auslegeschrift
2 032 535.
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Die Anhebung des Systemdruckes zwecks Vergrößerung der Konzentrationdifferenz
25 c kann durch Ausbildung der Belebtschlammstufe in Form eines Schachtes bewerkstelligt
werden. Dieses Vorgehen setzt allerdings eine intensive Zirkulation der Flüssigkeit
voraus, damit einerseits die sauerstoffarmen Schichten in den Bereich des intensiven
Sauerstofftransports gelangen und andererseits die Flüssig#-keit dort nicht mit
Sauerstoff soweit gesättigt wird, daß es in Bereichen eines niedrigeren hydrostatischen
Druckes zum Ausgasen und damit zur Flotation des Belebtschlammes kommen kann. Die
Zirkulation der Flüssigkeit kann durch Unterteilung des Schachtes mittels Trennwänden
in einen aufsteigenden und in einen abfallenden Schenkel bewerkstelligt werden (deutsche
Offenlegungsschrift 2 425 085).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines einstufigen
Verfahrens zur Abwasserbehandlung in Belebtschlammbecken, bei dem sowohl der Vorzug
eines hohen hydrostatischen Druckes als auch der des Fehlens von Rückvermischung
in Bezug auf die Gasphase gewahrt sein soll, um damit einen hohen Nutzungsgrad des
Sauerstoffs des Gases beim einmaligen Durchperlen des belebtschlammhaltigen Abwassers
zu erreichen. Bei dem einstufig betriebenen Belebtschlammbecken soll das sauerstoffhaltige
Gas lediglich in eine einzige Absorptionsstufe geführt und hierin weitgehend an
Sauerstoff verarmen. Da es sich herausgestellt hat, daß es bei Großkläranlagen unökonomisch
ist, die Begasung außerhalb des Belebtschlammbeckens, z. B. in einem Schacht vorzunehmen,
weil dann die Anlieferung von gelöstem Sauerstoff einen kaum zu bewerkstelligenden
Flüssigkeitskreislauf erfordert, muß der Sauerstoffeintrag zwangsläufig innerhalb
der Belebtschlammstufe vorgenommen werden. Die Ausbildung der gesamten Belebtschlammstufe
als tiefer Schacht kommt hierfür jedoch aus Kostengründen nicht in Betracht.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zum
kontinuierlichen Eintrag von Luft oder sauerstoffhaltigen Gasen in ein belebtschlammhaltiges
Abwasser, wobei sauerstoffhaltiges Gas in einer einzigen Absorptionsstufe weitgehend
durch das belebtschlammhaltige Abwasser verbraucht wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das sauerstoffhaltige Gas mit weniger als 50 Vol.- 02 in das unter dem eigenen
hydrostatischen Druck stehende belebtschlammhaltige Abwasser an Stellen mit einem
hydrostatischen Druck zwischen etwa 0,9 bis 3 bar eingeführt wird, wobei der Gasdruck
des eingeführten Gases etwa 0,01 bis 0,5 bar über dem hydrostatischen Druck der
Gaseinführstelle liegt, und wobei jede Gaseinführstelle eine begaste Querschnittsfläche
von etwa 0.01 bis 2 m2 aufweist, die mit je 100 bis 1000 Effektivkubikmeter Gas
pro m2 Querschnittsfläche und pro Stunde belastet wird, und wobei die einzelnen
Gaseinführstellen einen Abstand von 0,5 bis 2 m,vom-Mittelpunkt einer Gaseinführstelle
gemessen, haben und vorzugsweise äquidistant zueinander angeordnet sind.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung
zur biologischen Abwasserbehandlung mit 10 bis 35 m Flüssigkeitshöhe, deren Verhältnis
von Höhe/Durchmesser zwischen etwa 5 und 0,5 liegt und die im Boden oder dicht über
dem Boden, vorzugsweise bis 0,5-1 m Uber dem Boden, möglichst äquidistant zueinander
angeordnete Gaseinführstellen mit einer individuellen Querschnittsfläche zwischen
etwa 0,01 bis 0,1 m2 im Abstand von 0,5 bis 2 m, vom Mittelpunkt einer Gaseinführstelle
gemessen, aufweist.
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Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß nach dem erfindungsgeiäßen
Verfahren bei Einsatz von Frischluft ein Abgas mit einet Saueratofigehalt von 8
- 9 Vol-X erzielt werden kann. Durch die gute Sauerstoffnutzung im Belebtschla:nibecken
kann der Lufteinsatz und somit auch die Abgasmenge auf 1/2 bis 1/4 des Wertes reduziert
werden der bei bekannten Verfahren, die mit Luft arbeiten, üblich ist. Dieser Umstand
ermöglicht es, daß auch der zur thermischen Desodorierung der Abluft bei etwa 1000
0C notwendige Brennstoffbedarf (z.B. Heizöl) auf 1/2 bis 1/4 der Menge gesenkt werden
kann, der normalerweise zur Verbrennung notwendig wäre.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in etwa 10 bis 30
m tiefen Belebtschlammbecken beliebigen Querschnitts durchgeführt. Das Verhältnis
Höhe/Durchmesser liegt vorzugsweise bei Werten zwischen etwa 5 und 0,5.
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Bezogen auf die Querschnittsfläche des Belebtschlammbeckens wird eine
Gaseinführstelle pro 0,2 bis 5 in2, vorzugsweise 1 bis 2 m Querschnittsfläche vorgesehen.
Diese Gaseinführstellen für das sauerstoffhaltige Gas besitzen eine Fläche 2 2 von
0,01 bis 0,1 m , vorzugsweise 0,05 bis 0,1 in und besitzen vorzugsweise eine kreis-
oder ringförmige Form. Darüber hinaus sind jedoch auch andere Formen, wie z. B.
eine quadratische oder gleichseitig dreieckige Flächenform möglich.
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Durch diese Gaseinführstellen wird das sauerstoffhaltige Gas in Durchsätzen
von 100 bis 1000 Effektivkubikmeter, be-2 zogen auf Fläche (in ) und Zeit (Stunden)
in das Belebtschlammbecken eingeführt (Querschnittsbelastung einer Gaszuführstelle).
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Vorzugsweise beträgt die Querschnittsbelastung einer Gaszuführstelle
500 bis 1000 Effektivkubikmeter/m2h (Unter Effektivkubikmeter wird das Gasvolumen
bezogen auf den Gasdruck und die Gastemperatur an der Gaseinführstelle verstanden).
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Die Gaszuführstellen können in bekannter Weise in Form von Düsen,
Ejektoren, Injektoren, Lochböden, usw. ausgebildet sein, die eine wirksame Dispergierung
des eingeführten sauerstoffhaltigen Gases in feine Gasbläschen ermöglichen. Sämtliche
Gaseinführstellen befinden sich vorzugsweise an Stellen gleichen hydrostatischen
Drucks und sind in einem Abstand von 0,5 bis 2 m, vorzugsweise 0,8 bis 1,2 m (gemessen
vom Mittelpunkt einer Gaseinführstelle) angeordnet. Ferner sollen die Gaseinführstellen
möglichst gleichmäßig über die gesamte Querschnittsfläche des Belebtschlammbeckens
angeordnet sein.
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Die Feinheit der an der Begasungsstelle primär erzeugten Gasblasen
hängt von der Leistung ab, die zum Zerteilen des Gasdurchsatzes in Gasblasen aufgewandt
wird. Diese Leistung wird bei Injektoren und bei Einlochböden (Chemie-Ingenieur-Technik
43 (1971) 6, 329 - 335) in der Regel durch einen bestimmten Flüssigkeitsdurchsatz
durch den Gaszerteilungsapparat aufgebracht. In einer speziellen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher gleichzeitig mit sauerstoffhaltigen
Gas durch die Gaseinfülirstelle flüssigkeit als TreibflUssigkeit durchgesetzt. Dieser
FlUssigkeitsdurchsatz beträgt etwa 10 bis 30 Volumen-% des Gasdurchsatzes, wenn
dieser auf Normalbedingungen bezogen wird. Besonders vorteilhaft ist es, als Treibflüssigkeit
belebtschlammhaltiges Abwasser zu verwenden.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft an einer
Vorrichtung zur biologischen Abwasserbehandlung erläutert, die mit Luft arbeitet:
Ein Belebtschlammbecken, das ein Flüssigkeitsvolumen von 13 000 m3 besitzt, wird
mit 1300 m3/h Abwasser beschickt. Der Sauerstoffbedarf dieser Anlage beträgt 1400
kg/h. Die Sauerstoffkonzentration in der Flüssigkeit beträgt 2 mg/l und die Wassertemperatur
35°C.
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Die Flüssigkeitshöhe im Belebtschlammbecken beträgt 23 m, der Belebtschlammbeckendurchmesser
des zylindrisch geformten Bekkens beträgt 27 m (Belebtschlammbecken-Querschnittsfläche
565 m²). Erfindungsgemäß wird die Luft nur an 565 Stellen (eine Begasungsstelle
auf 1 12) in die belebtschlammv haltige Flüssigkeit eingeführt, wobei diese Begasungsstellen
äquidistant (in den Ecken gleichschenkliger Dreiecke gedacht) angeordnet sind. Als
Gaseinführstellen werden Injektoren eingesetzt(begaste Querschnittsfläche: 0,001
m2), die sich etwa 1/2 m über dem Beckenboden befinden. Der Durchsatz Je InJektor
beträgt 4 Effektivkubikmeter/h (=14 Nm3/h ) Gas und 3 m3/h belebtschlammhaltigeß
Abwasser. Dieses belebtschlammhaltige Abwasser wird dem Belebtschlammbecken entnommen
und über Förderpumpe(n) den InJektoren als Treibflüssigkeit zugeführt. Der Uberdruck
des eingeführten Gases an der Gaseinführstelle beträgt hierbei etwa 0,01 bar über
dem hydrostatischen Druck. Die aus dem Belebtschlammbecken entweichende Abluft enthält
noch 9,5 Vol.-# 02 und läßt sich noch bei einer Temperatur von 10000C verbrennen.