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Verfahren und Anlage zur Reinigung von Abwasser nach dem Belebtschlammverfahren
Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren und auf eine Anlage zur
(vollständigen oder teilweisen) Reinigung von Abwasser nach dem Belebtschlammverfahren,
- die Anlage mit Belebungsbecken und Nachklärbecken, wobei das Belebungsbecken eine
Einlaufeinrichtung für das zu reinigende Abwasser, zumindest eine Umwälzbelüftungseinrichtung
mit Belüfter für die Belüftung und für die Umwälzung der Abwasser/ Belebtschlamm-Emulsion
aufweist und wobei an das Nachklärbecken
eine Rückführeinrichtung
für Rückführschlamm angeschlossen ist, die im Belebungsbecken mündet. Es versteht
sich von selbst, daß die Umwälzbelüftungseinrichtungen bzw. die Belüfter steuerbar
oder regelbar sind, z. B. durch Niveauregelung und/oder Regelung der Eintauchtiefe
der Belüfter. Die Erfindung bezieht sich dabei hauptsächlich und schwerpunktmäßig
auf sog. niederbelastete Anlagen. Der Begriff niederbelastet ist in der Abwassertechnik
qebräuchlich und definiert.
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Unter den Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser aller
Art gewinnt das Belebtschlammverfahren, welches in gattungsgemäßen Anlagen durchgeführt
wird, zunehmend an Bedeutung. Es sind dafür verschiedene Verfahrensweisen vorgeschlagen
worden. Stets erfolgt der Reinigungsablauf in verschiedenen Phasen, wobei sich die
einzelnen reaktionskinetischen Vorgänge in besonderen Merkmalen unterscheiden und
- obwohl sie ineinander übergehen - in ihrem Ablauf voneinander abgegrenzt werden
können. Die Abwasserreinigung nach dem Belebtschlammverfahren wird verständlich
über die biochemischen und molekular-biologischen Vorgänge. Vergleichende Untersuchungen
zwischen dem Belebtschlammverfahren zur Abwasserreinigung und dem modernen biotechnischen
Produktionsverfahren mittels einstufiger Bioreaktoren haben Hinweise ergeben auf
die besonderen Faktoren, die für die Umsetzung eine wichtige Rolle spielen. Dazu
gehören hauptsächlich Durchmischungsgrad von Biomasse, abwassertechnisch ausgedrückt
von Belebtschlammasse und Nährstofflösung, von von Sauerstoffangebot und Umsetzungsproduktion
sowie die hierbei herrschenden Konzentrationsverhältnisse und Milieubedingungen,
Gleichgewicht
zwischen Wachstum und Ausschwemmung der Bakterien oder sonstigen Mikroorganismen.
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Bei der biologischen Abwasseraufbereitung und insbesondere beim sogenannten
Belebtschlammverfahren ist die Elimination der Abwasserinhaltsstoffe eindeutiger
Zweck des Verfahrens und die Produktion und Erhaltung der als Belebtschlamm bezeichneten
Biomasse nur Mittel für diesen Zweck.
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Bei den bekannten gattungsgemäßen Anlagen erfolgt der Einlauf des
Abwassers über einen einfachen, wehrartigen ueberlauf an einer Stelle oder über
ein einmündendes Rohr mit vorgesetzter Prallplatte ("Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik",
Band II, 19-74, S. 157 Bild 78), jedoch keinesfalls in feiner Verteilung sondern
vielmehr in einem breiten Strom. Der Rückführschlamm wird in ähnlicher Weise und
an anderer Stelle eingeführt. Im Ergebnis ist einerseits der oben erwähnte Durchmischungsgrad,
ist andererseits das Gleichgewicht zwischen Wachstum und Ausschwemmung der Bakterien
und sonstigen Mikroorganismen häufig verbesserungsbedürftig.
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Erhebliche Zellüberschußproduktion (Schlammproduktion) kann die Folge
sein. Die Beseitigung dieses Uberschußschlammes wirft neue und zusätzliche Probleme
auf und verlagert nur die Probleme der Abwasserreinigung auf die der Schlammbeseitigung.
Bei niederbelasteten Anlagen, auf die die Erfindung sich hauptsächlich bezieht,
führen die beschriebenen Mängel dazu, daß die Verhältnisse nur bis zu 2000 bis 3000
Einwohnergleichwerten beherrschbar sind.
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Bei höherer Belastung wird keine ausreichende Reinigung erreicht.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße
Verfahren sowie eine gattungsgemäße Anlage so weiter
auszubilden,
daß Durchmischung und Gleichgewicht ohne weiteres optimiert werden können, und zwar
so, daß Überschußschlammproduktion praktisch nicht auftritt oder auf ein Minimum
beschränkt wird.
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Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Reinigung von Abwasser
nach dem Belebtschlammverfahren, wobei das zu reinigende Abwasser und Rückführschlamm
aus einem Nachklärbecken in ein Belebungsbecken eingeführt werden und die Abwasser/Belebtschlammemulsion
an zumindest einem Belüftungsbereich oberflächenbelüftet wird. Die Erfindung besteht
darin, daß das zu reinigende Abwasser und der Rückführschlamm in feiner Verteilung
im Belüftungsbereich in die Abwasser/Belebtschlammemulsion eingeführt werden. Nach
bevorzugter Ausführungsform der Erfindung geht man dabei so vor, daß der Sauerstoffgehalt
in der Abwasser/Belebtschlammemulsion im Bereich eines Ablaufs zum Nachklärbecken
gemessen und danach die Belüftung geregelt wird. Wie das im einzelnen geschehen
kann wird weiter unten erläutert. Diese Regelung ist in Kombination zu den vorbeschriebenen
Maßnahmen von besonderer und von selbständiger Bedeutung.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe lehrt die Erfindung außerdem, daß
bei der eingangs beschriebenen gattungsgemäßen Anlage die Einlaufeinrichtung zumindest
einen Abwasser-Feinverteiler, die Rückführeinrichtung zumindest einen Rückführschlamm-Feinverteiler
aufweisen, deren Abgabemenge an Abwasser bzw. Rückführschlamm steuerbar und/oder
regelbar ist, und daß der Abwasser-Feinverteiler sowie der Rückführschlainm-Feinverteiler
im Bereich des Belüfters angeordnet sind. Im folgenden wird bezüglich der Uitt###älzbelüftungseinrichtung,
des
Belüftungsaggregates, des Abwasser-Feinverteilers und des Rückführschlamm-Feinverteilers
stets im Singular formuliert, obwohl die Erfindung auch Anlagen umfaßt, bei denen
die genannten Bauteile mehrfach vorgesehen sind, und obwohl sogar hauptsächlich
erfindungsgemäße Anlagen zur Reinigung von Abwasser nach dem Belebtschlammverfahren
mit mehreren Umwälzbelüftungseinrichtungen, Belüftungsaggregaten, Abwasser-Feinverteilern
und Rückführschlamm-Feinverteilern ausgerüstet sind, die dann jeweils in der beschriebenen
Weise einander zugeordnet sind.
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Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind bei einer solchen
Anlage mit mehreren Belüftern jedem Belüfter (bis auf den letzten vor dem Abzug
zum Nachklärbecken) ein Abwasserfeinverteiler und ein Rückführschlammfeinverteiler
zugeordnet. - Bei einer erfindungsgemäßen Anlage werden also das Abwasser einerseits,
der Rückführschlamm andererseits unmittelbar in feiner Verteilung in die Zone der
Belüftung eingegeben, wobei ohne weiteres und unter Ausnutzung der Wirkung des Belüfters
eine intensive und schnelle Vermischung mit der im Belebungsbecken in Zirkulation
befindlichen Abwasser/Belebtschlamm-Suspension stattfindet. Dabei ist es ohne weiteres
möglich, die Menge des auszuführenden Abwassers und des Rückführschlammes in beliebiger
Weise zu dosieren sowie im abgestimmten Verhältnis auf die einzelnen Belüftungszonen
oder Belüfter aufzuteilen und Rückführschlamm und Abwasser jeweils in der günstigsten
Zone des Belebungsbeckens beizumischen. Es werden im Belebungsbecken gleichsam Bereiche
erhöhter Rückführschlammkonzentration und Abwasserkonzentration geschaffen, was
den Reaktionsablauf in vorteilhafter Weise beschleunigt. Im Sinne einer Optimierung
ist eine bevorzugte Aus führungs form der Erfindung (im Kombination zu den vorbeschriebenen
Maßnahmen) dadurch
gekennzeichnet, daß dem Abzug zum Nachklärbecken
ein höhenverstellbares Überlaufwehr zugeordnet ist und daß dieses Überlaufwehr,
vorzugsweise über einen entsprechenden Regelkreis mit Stellmotor, nach Maßgabe des
Sauerstoffgehaltes der Abwasser/Belebtschlammemulsion im Bereich des Abzuges höhenverstellbar
ist. Man kann die nach der Belastung an ein fließendem Abwasser unterschiedliche
Belüftung aber auch auf andere Weise steuern oder regeln, jedenfalls einfach stets
so, daß Abwasser zum Nachklärbecken nicht ungereinigt durchschlagen kann. Das Fassungsvermögen
klassischer, niederbelasteter Anlagen wird dadurch wesentlich erhöht.
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Bei einem Belebtschlammverfahren erfolgt der biochemische und molekularbiologische
Ablauf des Reinigungsvorganges in zwei sich unterscheidenden und aufeinanderfolgenden
Stufen mit verschiedenem Geschwindigkeitslauf. Die erste Stufe umfaßt die Absorption
der organischen Verunreinigungen des Abwassers an und in der Belebtschlammflocke.
Dieser Vorgang verläuft verhältnismäßig rasch, im Verlauf von Minuten und, wie die
Erfindung erkannt hat, in Abhängigkeit von der Intensität der Durchmischung von
Abwasser und aktivem Belebtschlamm, d. h. Rückführschlamm. In der zweiten Stufe
werden die von der Belebtschlammflocke absorbierten Stoffe auf enzymatischem Wege
umgewandelt und von den Bakterienzellen biologisch aufgearbeitet, d. h. aufoxidiert
und zum Zellsubstanzaufbau verwendet. Diese zweite Stufe, die wesentlich langsamer
verläuft, kann bis zu mehreren Stunden benötigen, bis schließlich das aufsenommene
Abwasser umgewandelt und die Flocke wieder für die erste Abbaustufe regeneriert
wird. Diese beiden Stufen verlaufen bei dem Belebtschlammverfahren in dem Belebtschlammbecken
nebeneinander ab. Erfindungsgemäß wird dann, infolge der beschriebenen Feinverteilung
des Rückführschlamms, der regenerierte Schlamm kurzfristig
mit den
Verunreinigungen im Abwasser durch Absorption aufgeladen, was gesteuert und unter
weitgehender Ausnutzung der Reaktionspartner erfolgt, während daran die Biosorption,
d. h. die biomolekulare Oxidationsreaktion, sowie der enzymatische Aufbau neuer
Zellsubstanz anschließen. Erfindungsgemäß werden also die beiden biochemisch und
molekularbiologisch differenzierten Stufen auch differenziert durchgeführt, sie
lassen sich differenziert steuern und regeln.
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Für die erste Stufe ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
in anlagenmäßiger Hinsicht dadurch gekennzeichnet, daß der Abwasser-Feinverteiler
und der Rückführschlamm-Feinverteiler mit dem Belüfter baulich vereinigt sind. Dadurch
läßt sich erreichen, daß die Absorption weitgehend an der Grenze des Zweiphasensystems
Flüssigkeit/Luft erfolgt, was nach einer Erkenntnis der Erfindung, vermutlich infolge
der Gegenwart von gasförmigem Sauerstoff, beschleunigt erfolgt. Zur Optimierung
der ersten Stufe trägt es außerdem bei, die Anordnung so zu treffen, daß der Abwasser-Feinverteiler
und der Rückführschlamm-Feinverteiler in Strömungsrichtung der Abwasser/Belebtschlamm-Emulsion
vor dem Belüfter angeordnet sind. Das schließt allerdings nicht aus, die genannten
Verteiler auch hinter dem Belüfter oder zusätzlich hinter dem Belüfter vorzusehen.
Bei gattungsgemäßen Anlagen sind häufig Hilfsstoff-Zugabeeinrichtungen vorgesehen,
die dazu dienen, Hilfsstoffe, wie Flockungsmittel, Aktivierungsmittel, Zusatznährstoffe
und dergleichen, in das Belebtschlammverfahren einzuführen.
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Das gilt insbesondere, wenn es sich um die Behandlung von einseitigen
Industrieabwässern handelt. Für diese Ausführungsform gattungsgemäßer
Anlagen
lehrt die Erfindung, in Ergänzung zu den bereits beschriebenen Maßnahmen, die Anordnung
so zu treffen, daß die Hilfsstoff-Zugabeeinrichtung einen Hilfsstoff-Feinverteiler
aufweisen und daß der Hilfsstoff-Feinverteiler ebenfalls im Bereich des Belüfters
angeordnet ist, vorzugsweise in Strömungsrichtung der Abwasser/Belebtschlamm-Emulsion
vor dem Belüfter und/oder vor dem Abwasser-Feinverteiler bzw. dem Rückführschlamm-Feinverteiler.
Die Feinverteiler sind im einfachsten Falle Rinnen oder Wehre mit begrenzenden Zackenbändern,
die z. B. dreieckförmige Zacken und entsprechende Zwischenräume aufweisen. Feinverteiler
bedeutet im Rahmen der Erfindung stets, daß die Zuführung des Abwassers bzw. des
Rückführschlammes bzw.
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der Hilfsstoffe so erfolgt, daß sich in der Abwasser/Belebtschlamm-Emulsion
ohne weiteres und kurzfristig eine feine Verteilung einstellt, in der alle Reaktionspartner
mehr oder weniger gleichmäßig verteilt sind. Im einfachsten Falle sind dazu die
Feinverteiler als über die Breite des Belebungsbeckens (quer zur Strömungsrichtung
der Abwasser/Belebtschlamm-Emulsion) erstreckte Verteilerrinnen ausgeführt, die
das Abwasser bzw. den Rückführschlamm bzw. die Zusatzstoffe über ihre Länge in gleichmäßiger
Verteilung der Abwasser/Belebtschlamm-Emulsion aufgeben.
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Da die Aufgabe im Bereich der arbeitenden Belüfter erfolgt, erfolgt
gleichzeitig dann auch eine Durchmischung. Im Rahmen der Erfindung liegt es, Abwasser-Feinverteiler
und Rückführschlamm-Feinverteiler zu vereinigen, also die beiden Ströme zu vereinigen,
ehe sie in der beschriebenen Weise über einen Verteiler verteilt werden. Handelt
es sich um eine Anlage zur Reinigung von Abwasser nach dem Belebtschlammverfahren,
die mit einem Oxidationsgraben ausgerüstet ist und die Walzenrotoren als Belüfter
aufweist,
so empfiehlt die Erfindung, daß die Verteiler in Strömungsrichtung vor und achsparallel
zu den Walzenrotor angeordnet sind. Bei Belüftern mit um eine mehr oder weniger
vertikale Achse rotierenden Flügeln wird man die Feinverteiler so anordnen, daß
sie diesen Belüfter oder dessen Achse kreisförmig umgeben, vorzugsweise als Ringrinnen
im Bereich der Turbulenz. Die Feinverteilung kann auch hier über Zackenbänder erfolgen.
Um sicherzustellen, daß der Rückführschlamm sehr aktiv ist, empfiehlt die Erfindung,
das Nachklärbecken zusätzlich als Regenerationsbecken für den Rückführschlamm auszubilden
oder mit einem solchen zu kombinieren.
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Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß erfindungsgemäß Durchmischungsgrad
und Gleichgewicht zwischen Wachstum und Ausschwemmung der Bakterien oder sonstigen
Organismen ohne Schwierigkeiten so einstellbar, steuerbar oder sogar regelbar sind,
daß eine Uberschußschlammproduktion jedenfalls in störendem Maße nicht mehr eintritt.
Also werden bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Anlage die Probleme der Abwasserreinigung
nicht mehr auf die Schlammbeseitigung verlagert. Die Zumischung des Rückführschlammes
zum Abwasser kann stets so eingestellt werden, daß die Belastung des Abwassers an
abzubauenden Substanzen und die aktive Biomasse jeweils so übereinstimmen, daß die
erste Phase des Reinigungsablaufes, die rasch verlaufende Anfangsabnahme, voll ausgenützt
werden kann, während die zweite langsamer fortschreitende Phase mit Zellaufbau in
den weiteren Strömungszonen optimal abläuft. Gleichzeitig bringt die erfindungsgemäße
Phasentrennung eine Verbesserung der kinematischen Bedingungen für die Reaktion
in der ersten Phase und damit gleichsam auch eine Verbesserung des Wirkungsgrades.
Im Ergebnis läßt sich erreichen, daß bei biologischer Vollreinigung
ein
Minimum an überschußschlamm gebildet wird, und zwar bei einer Optimierung der Abwasserreinigung
insgesamt. Klassische niederbelastete Anlagen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben und entsprechend umgerüstet werden, lassen sich höher belasten. Entsprechende
Neuanlagen können bei vorgegebener Belastung baulich kleiner ausgeführt werden als
klassische.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt eine Anlage zur Reinigung von Abwasser nach
dem Belebtschlammverfahren in einer schematischen Darstellung.
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Das aus einem mechanischen Absetzbecken kommende Abwasser wird zum
weiteren Ausgleich von Mengen und Belastungsschwankungen durch ein Pufferbecken
1 geleitet. Darin hat das Abwasser eine durchschnittliche Verweilzeit von 6 bis
8 Stunden. Zur Durchmischung und Sauerstoffeintrag ist dieses Pufferbecken 1 mit
einem Rotor versehen, welcher das Wasser zusätzlich umwälzt. Das aus dem Pufferbecken
1 ablaufende Abwasser wird dem Belebungsbecken 2 zugeführt, dessen Inhalt so bemessen
ist, daß eine durchschnittliche Verweilzeit von 20 bis 24 Stunden gewährleistet
ist.
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Umwälzbelüftungseinrichtungen mit Belüfter 3 setzen das Wasser im
Belebungsbecken 2 in Bewegung und belüften es in der Weise, daß ein gleichmäßiger
02-Spiegel aufrechterhalten wird.
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Vor den Belüftern 3 (in Bewegungsrichtung gesehen) sind in ihrer ganzen
Breite als Verteilerrinnen ausgebildete Abwasser-Feinverteiler 4, Rückführschlamm-Feinverteiler
5 angeordnet, die als Überlaufrinnen mit Zackenkante ausgebildet sind. Über die
Zakkenkante der Verteilerrinne 4 wird von der einen Seite her Abwasser 7 über die
ganze Breite des Belebungsbeckens 2 in dieses eingeleitet und von der anderen Seite
her Rückführschlamm 8 aus dem Nachklärbecken 9.
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Vom Belebungsbecken 2 wird die Abwasser-Belebtschlamm-Emulsion 10
in bekannter Weise dem Nachklärbecken 9 zugeleitet zur Abtrennung von Schlamm 12
vom gereinigten Wasser 11. Alle Zulaufmengen können an jeder der Verteilerrinnen
4, 5 getrennt dosiert werden, wie auch die Intensität der Belüftung durch die Eintauchtiefe
und Drehzahl der zugeordneten Rotoren der Belüfter 3 regelbar ist. - Strichpunktiert
angedeutet ist in der Zeichnung, wie bei Anlagen mit Oberflächenbelüftern 13 mit
rotierenden Lüfterflügeln gearbeitet wird, wo die Feinverteiler 4, 5 kreisförmig
den Oberflächenbelüfter 13 bzw. dessen Achse im Turbulenzbereich umgeben.
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Durch die beschriebene Anordnung der Abwassereinleitung einerseits
und der Rückführschlammdosierung andererseits kann in einfacher und technisch zweckmäßiger
Weise die für den Ablauf des Klärvorganges wichtige technologische Forderung erfüllt
werden, daß die Vermischung von regeneriertem und konzentriertem Belebtschlamm mit
Abwasser 7 möglichst rasch und vollständig sowie in einstellbaren dosierten Mengen
erfolgen kann. Als erste Phase des Reinigungsvorganges erfolgt dann in der Zone
intensiver Durchlüftung rasch die Absorption wesentlicher Teile des BSB5-Last
des
Abwassers an die Belebtschlammflocke, während auf dem weiteren Weg durch das Belebungsbecken
2 in der zweiten Phase bevorzugt der Abbau der Schmutzstoffe durch Biosorption,
d. h; durch biomolekulare Oxidation in der Zelle sowie durch Aufbau neuer aktiver
Biomasse erfolgen kann. Dieser Vorgang verläuft wesentlich langsamer in einem Zeitablauf
von mehreren Stunden und in Abhängigkeit von dem biochemischen Massenwirkungsgesetz
(Substratangebot, aktive Biomasse und Sauerstoffangebot).
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Durch die beschriebenen Regelmöglichkeiten der für den Reinigungsvorgang
maßgebenden Faktoren - Nährstoffangebot, Biomasse, °2-Angebot, Durchmischung - läßt
sich die Anlage anhand der ermittelten Kennzahlen und Bemessungsgrößen so führen,
daß ein optimaler Reinigungsablauf erreicht wird und die Bildung von überschußschlamm
auf ein Minimum beschränkt werden kann. Da die Beseitigung von Überschußschlamm
gleichfalls Probleme aufwirft, ist darin ein weiterer wesentlicher Fortschritt bei
dem beschriebenen Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung zu sehen.