-
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Rei-
-
nigung von Abwasser unter Verwendung fester Körper, die im Schwebezustand
und in ständiger Bewegung gehalten werden und an denen ein bakterieller Bewuchs
haftet, wobei das überschüssige bakterielle Wachstum derart entfernt wird, daß ein
für den Reinigungsprozeß ausreichendes Wachstum in Form einer dünnen Bakterienschicht
auf ihrer Oberfläche zurückbleibt.
-
In der aeroben biologischen Abwasserreinigung werden die im natürlichen
Gewässer ablaufenden biologischen Selbstreinigungsprozesse technisch nachgebildet.
Bei diesen technischen Verfahren (Belebungs und Tropfkörperverfah ren) wird ein
eng begrenzter Ausschnitt eines natürlichen Lebensraumes nachgebildet. Anstatt die
gesamte "Freßkette" ablaufen zu lassen, wird sie hier nach dem 2. bzw. 3.
-
Glied, den Protozoen bzw. Rotatorien, durch Entfernen der Organismen
in Form von Schlamm abgebrochen, denn nur die ersten Glieder sind für den direkten
Entzug der Schmutzstoffe aus dem Wasser verantwortlich.
-
Um die aeroben biologischen Vorgänge, wie sie sich bei der Selbstreinigung
der natürlichen Gewässer abspielen, für zeitlich und räumlich begrenzte Reaktionen
nutzbar zu machen, sind folgende Bedingungen einzuhalten: 1. die Abwasserinhaltstoffe
müssen biologischen Bakterien zugänglich sein, 2. aus der luft muß Sauerstoff entnommen
werden können, wobei Konzentrationen über 2 bis 3 mg 02/1 auf den biologischen Reinigungsvorgang
ohne Einfluß sind, 3. biologisch aktive Substanz, doh. Mikroorganismen, vorwiegend
Bakterien und Protozoen, die unter aeroben Bedingungen organische Wasserinhaltstoffe
adsorptiv an sich binden und absorptiv zum Aufbau von Zellsubstanz bzw. als Energiequelle
verzehren, muß anwesend sein,
4. eine gute Verteilung von Abwasserinhaltstoffen,
Sauerstoff und Mikroorganismen im Reaktionsraum, sowie auch ein schneller Wechsel
der Kontaktflächen zwischen#organisch- verschmutztem Abwasser und den Kleinlebewesen
muß gewährleistet sein und 5. die Reaktionszeit muß ausreichend sein.
-
Die aerobe biologische Abwasserreinigung wird heute in zwei Hauptverfahren
sowie einigen Abwandlungen dieser Verfahren durchgeführt: a. das Belebungsverfahren,
b. das Tropfkörperverfahren.
-
Zu a.) Belebungsverfahren.
-
Die technische Anlage fahr dieses Verfahren besteht aus dem biologischen
Reaktor, dem-sogenanaten Belebungsbecken, und einem Absetzbeckenr dem Nachklärbecken,
in dem sich die belebte Masse in Form von Schlamm vom gereinigten Abwasser durch
die Schwerkraft trennt.
-
Der abgesetzte Schlamm, der eigentliche Träger der Reinigungsleistung,
wird kontinuierlich am Trichtergrund des Absetzbeckens abgezogen und zu weiterem
Abbaueinsatz in das Belebungsbecken zuruckgeleitet. Der Schlamm ist also ständig
im Kreislauf. Nur der Schlammzuwachs wird als Überschußschlamm entfernt.
-
Zu b.) Tropfkörperverfahren.
-
Der Tropfkörper stellt eine Kopie der obersten Bodenschichten in technischem
Maßstabe dar, Aufgrund der Bodenfreiheit und des Porenvolunens wird die Sauerstoffversorgung
durch Luftströmungen gewährleistet0 Auf der Oberfläche
des Gesteinmaterials
kann sich - genau wie bei den Bodenpartikelchen - eine aerobe Lebensgemeinschaft
ansiedeln.
-
Tropfkörper bestehen überwiegend aus Gesteinsbrocken oder Schlacke,
dem ~Füllmaterial", mit größerem Hohlraumanteilo Bei runden Tropfkörpern verteilen
meist Drehsprenger, die durch Wasserrückstoß in Bewegung gehalten werden, das vorgeklärte
Abwasser über die Oberfläche. Rechteckige, sechs- oder achteckige Tropfkörper können
mit fest angeordneten oder fahrbaren Verteilern beschickt werden.
-
An der Tropfkörpergrundfläche wird das durchrieselte Wasser unter
einem Rost gesammelt und in Rinnen abgeleitet. Der Hohlboden und die zwischen den
Brocken verbleibenden Lücken ermöglichen die Sauerstoffzufuhr aus der vertikal durch
den Tropfkörper streichenden Luft. Die Mikroorganismen haften in Schleimhäuten als
biologischer Rasen an dem Füllmaterial. Das Entfernen auch der ungelösten Schmutzstoffe
aus dem Abwasser geschieht im Tropfkörper mit den größeren Hohlräumen zwischen den
Brocken nicht durch Filterung, sondern durch Adsorption am biologischen Rasen Dem
Tropfkörper wird in der Regel ein Absetzbecken nachgeschaltet, um die im Abfluß
enthaltenen Schlammteile des abgespülten biologischen Rasens dem Vorfluter fernzuhalten.
-
Beim Belebungsverfahren wird der Uberschußsohlamm kontinuierlich oder
diskontinuierlich aus dem System Belebungsbecken - Nachklärbecken entfernt, Das
Schlammalter, welches entscheidend verantwortlich für schwer abbaubare Substanzen
ist, wird mit zunehmender Belastung geringer, denn das Schlammalter ergibt sich
aus dem Verhältnis der im Belebungsbecken arbeitenden Schlammmenge zur täglich entfernten
Uberschußschlammenge.
-
In einer.zweistufigen Belebungssulage wird dies berücksichtigt. Es
werden zwei Biozenosen mit- unterschiedlichen Eigenschaften eingesetzt. Dabei werden
in-der ersten Stufe vorwiegend die leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindungen und
in der zweiten Stufe die schwerer- abbaubaren Stickstoffverbindungen abgebaut. Hierzu
ist allerdings ein Zwischenklärbecken erforderlich.
-
Für eine Reinigung mit Stickstoffoxidation sind somit bei der einstuSigen
Behandlung große Beckenvolumen mit den daraus resultierenden großen Aufenthalts-
und Belüftungszeiten erforderlich. Bei einer zweistufigen Anlage kann d er der Belebungsbeckeninhalt
kleiner gehalten werden, eine zusätzliche Zwischenklärung ist dann aber unvermeidlich.
-
Beim Tropfkörperverfahren hat der biologische Rasen auf Grund seines
Alters die Eigenschaften, die für den Abbau schwerer abbaubarer Substanzen erforderlich
sind. Die mögliche Reinigungsleistung in einem Reaktor (Belebungsbecken wie auch
Tropfkörperbett) ist abhängig vom Produkt aus biologisch aktiver Substanz und Reaktionszeit.
Die Reaktionszeit-in einemltropfkörper ist jedoch relativ kurz (10 - 30 Min.). Beim#Tropfkörperverfahren
ist außerdem eine 3mal größere Auf##enthaltszeit in der Vorklärung (3faches Beckenvolumen)
als beim Belebungsverfahren wegen der Verstopfungsgefahr des Tropfkörpers notwendig.
-
Während beim Belebungsverfahren wesentliche BinflKsse (Bakteriendichte,
Rücklaufschlamm, Sauerstof#fzufuhr) betrieblich zu regulieren sind, sind beim Tropfkörper
die wichtigsten Betriebsdaten bereits bei der Bemessung festgelegt.
-
Beim Iropfkörperverfahren tritt auch als Rand effekt in Teilbereichen
(Nischen und tieferen Schichten)
Sauerstoffmangel auf. Dies hat
bei schwach belasteten Tropfkörpern eine Verringerung des Gesamt stickstoff es bis
25 ffi zur Folge. Höhere Werte sind nur selten erreichbar und im Verfahren nicht
steuerbar.
-
Tauchtropfkörper haben sich bisher in einer Größenordnung zwischen
10 und 15 000 Einwohner gleichwerten bewährt. Bei ihnen sind allerdings sehr hohe
Oxidationszeiten erforderlich. Das Prinzip beruht wie beim Schwebekörperverfahren
(DE-OS 23 66 033) darauf, Organismenaufwuchsflächen in das Abwasser zu bringen.
-
Die Größenordnung dieser Flächen bleibt aber weit hinter der beim
Schwebekörperverfahren möglichen zurück.
-
Diese neueren Entwicklungen haben den Nachteil, daß sie besondere
Reaktionsbehälter und/oder besondere Aufrührgeräte benötigen. Sie sind somit nicht
oder nicht ohne großen Aufwand in bestehenden Anlagen zu verwenden.
-
In keinem der Verfahren wird Sauerstoffmangel zugelassen oder bewußt
erzeugt, eine Denitrifikation im Verfahrensschritt ist somit nicht möglich.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile des Belebungs-
und des Tropfkörperverfahrens in einem Reaktionsbecken zusammenzufassen und die
Voraussetzungen dafür zu schaffen, daß in einem Belebungsbecken Mikroorganismen
mit unterschiedlichen Reinigungseigenschaften aufgezogen werden können, mit denen
in einem Arbeitsgang leicht- und schwerabbaubare Stoffe abgebaut werden können einschließlich
Nitrifikation und Denitrifikation der Stickst offv erbindung en.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch
eines Belebungsbeckens bekannter Art in Gegenwart von Sauerstoff offene Hohlkörper
zugegeben
werden, deren spezifisches Gewicht in Anpassung an dasjenige des Gemisches und an
dessen Strömungskräfte so gewählt ist, daß sie in der Strömung treiben, und deren
Form und Große so gewählt ist, daß in ihrem Inneren die Bakterien eine gegen mechanischen
Abrieb geschützte Aufwuchsfläche finden. Bei festgelegtem spezifischem Gewicht läßt
sich der Schwebezustand durch das Rücklaufschlammverhältnis steuern.
-
Zur gleichzeitigen Nitrifikation und Denitrifikation im Belebungsbecken
werden folgende Eigenschaften der Bakterien ausgenutzt: In natürlichen Gewässern-sind
an der Selbstreinigung eine Reihe von fakultativ anaerob lebenden Bakterien beteiligt,
d.h. ~3akterien, die sowohl elementaren, als auch gebundenen Sauerstoff-nutzen.
Fehlt freier Sauerstoff im Wasser, so sind solche Eakterien-in der Lage, gebundenen
Sauerstoff aus Nitriten, Ritraten und Sulfaten für die anaerobe Oxidation organischer
Kohlenst offverbindungen zu verwenden.
-
Sie können sowohl mit Nitratsauerstoff wie mit elementarem Sauerstoff
Kohlenstoffverbindungen oxidieren, wie z.B0 die Pseudomonas - Arten P. fluorescens,
P. aeruginoss und P. denitrificans.
-
Typische fakultativ anaerobe Stickstoffverwerter sind Iroteus vulgaris
und Escherichia coli. Einige Bakterien können bezüglich der Stickstoff-Quellen heterotroph
oder autotroph sein; z.B. verwertet Escherichia coli het-erotroph Eiweiß, Peptone,
Aminosäuren, autotroph Ammonium, P. fluorescens verwertet die gleichen organischen
N-Quellen, außerdem Ammonium und Nitrat. Heterotroph sind auch die meisten Nitratreduzierer,
die anaerob Nitrat zu -molekularem Stickstoff reduzieren, wie z.B. Micrococcus denitrificans.
-
F.W. Siepmann hat in seiner Diplomarbeit an der T.H. Darmstadt nachgewiesen,
daß die beschriebene anaerobe Nitratreduktion im Sediment einer Gewässersohle auch
dann abläuft, wenn im Wasser noch Sauerstoff vorhanden ist. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß in den Hohlräumen an der Sohle und in tieferen Zellschichten auf den Steinen
immer Zonen mit Sauerstoffmangel auftreten, und zwar in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt
des Umgebungswassers.
-
In Gewässern kommt der in der-Versuchsanordnung unter Lichtabschluß
gemessene Effekt nur nicht zur Geltung, weil Ammonium und Nitrat ständig über Algen
und höhere Pflanzen in den Nährstoffkreislauf eingebaut werden und nachts, wenn
das Licht fehlt, in überdüngten Flüssen der Sauerstoff zur Oxidation über Nitrit
zu Nitrat fehlt.
-
Diese Erkenntnisse macht sich die Erfindung zunutze. Das System Belebungsbecken-Schwebekörper
stellt dabei das System Fluß - Sohlehohlräume - bewachsene Steine dar.
-
Kurzfristig wie auch langfristig werden Wechselzustände bei der Atmung
der fakultativ anaeroben Bakterien durch die Schwebekörperform, deren Lage in der
Strömung und örtlich im Belebungsbecken auftreten, und zwar: In der rotierenden
Strömung werden die strömenden und treibenden Schwebekörper mit statistischer Verteilung
einmal von der offenen Seite, das andere Mal von der geschlossenen Seite und auch
in allen anderen Lagen von der mit Sauerstoff angereicherten Strömung getroffen,
d.h.
-
einmal erreicht der Sauerstoff den biologischen Aufwuchs direkt, ein
anderes Mal nur über Diffusion.
-
Bei den Schwebekörpern stellt sich mit statistischer Verteilung ein
unterschiedlich dichter Bewuchs mit unterschiedlicher Sauerstoffversorgung ein.
Der Aufwuchs
innerhalb der Schwebekörper wird solange anwachsen,
bis die unteren Bakterienschichten absterben und von-der Strömung abgespült werden.
-
Da die Strömung nicht stationär ist, ist für einzelne Schwebekörper
die Zeit von Belüftung zu Belüftung - wieder mit statistischer Verteilung - unterschiedlich-lang.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist der Hohlraum der Hohlkörper durch
Lamellen in nischenartige Teilräume unterteilt.
-
Dadurch wird die besiedelbare Oberfläche vervielfacht.
-
Durch die Zahl der Lamellen innerhalb der Hohlkörper wird die Ätmungsart
der fakultativ anaeroben Bakterien ebenfalls beeinflußt.
-
Verdichtung der Lamellen heißt dabei Erhöhung des anaeroben Bereichs.
-
In einer vorteilhaften Gestaltung sind die Hohlkörper Kalotten von
einem ~ 2 c D -< 15 cm und einer Höhe H = D/2 + 0,25 cm. Die Anzahl n der Lamellen
sollte 0,5 zwischen D i n L 2D liegen.
-
Durch Variation der Kugeldurchmesser und Anordnung der 11Betriebsdichte111#
kann die Aufwuchsfläche in einer großen Spannbreite variiert werden. Die Größe der
Lamellenhaibkugeln wird nach unten dadurch begrenzt, daß sie nicht in das Nachklärbecken
absoliwimmen dürfen. Hierfür sind Siebe entsprechender Lochweite am Auslauf des
Belebungsbeckens vorzusehen.
-
1) Betriebsd-ichte gleich 1 bedeutet Kugeln in lockerster Kugelpackung
gelagert, Betriebsdichte gleich 0,5 bedeutet halb so dicht wie die lockerste Kugelpackung
gelagert.
-
Zur Herstellung der Lamellenhalbkugeln sollten POLYAMIDE oder in den
Eigenschaften vergleichbare Kunststoffe mit einem spezifischen Gewicht zwischen
1,0 und 1,03 g/cm3, je nach Beschaffenheit des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches,
Verwendung finden.
-
Dabei sollten vorzugsweise folgende Verhältnisse gewählt werden.
-
a) Bakterientätigkeit überwiegend im aeroben Bereich: D = n/2 (D in
cm) D = Durchmesser der Halbkugeln (H = D/2) n = Zahl der Lamellen je Halbkugel
Die spezifische Oberfläche je m3 bei lockerster Kugelpackung (lockerste Kugelpackung
gleich 52 r# Rauminhalt je m3) beträgt dann:
Zugunsten größerer Bewegungsfreiheit der einzelnen Schwebekörper sollte immer weniger
als die lockerste Kugelpackung eingesetzt werden.
-
Kleine Kugeldurchmesser begünstigen dabei die Austauschvorgänge innerhalb
der Lamellen und somit den aeroben Abbau.
-
b) Substratabbau mit verstärkter Denitrifikation:
Die Lam ell enzwi s chenräume dienen als "Denitrifikationsnischen?1.
-
Das Maß der Denitrifikation wird über den Sauerstoffge halt im Belebungsbecken
gesteuert und sollte nicht über 3 mg/l liegen.
-
Bei biologischen Stufen mit weitgehender Stickstoffoxidation findet
die Denitrifikation als ungewollt er Effekt im abgesetzten Schlamm des Nachklärbeckens
statt. Ungewollt deshalb, weil aufsteigendes Stickstoffgas den Schlamm auStreibt
und dieser über den Auslauf abschwimmt.
-
Beim erfindungsgemäßen Verfahren findet dieser Prozeß in den dafür
vorgesehenen "Denitrifikationsnischen" der Hohlkörper statt. Es wird bewußt ein
Sauerstoffengpaß innerhalb eines Anteils der Hohlkörper erzeugt.
-
Die Nitrifikation und der Abbau schwerabbaubarer Substanzen wird von
dem restlichen, überwiegenden Deil der aerob arbeitenden Bakterien übernommen.
-
Das Verfahren eignet sich besonders zur-Reinigung von konzentrierten
Industrieabwässern, da durch Form, Größe und Betriebsdichte der erfindungsgemäßen
Schwebekörper die erzlelbare Fläche sehr groß im Vergleich zu anderen Verfahren
gewählt werden kann. Außerdem ist ein "Nachregulieren" durch erhöhte Zugabe von
Hohlkörpern möglich.
-
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bestehende Kläranlagen mit
überlastetem Belebungsbecken durch Zugabe solcher Hohlkörper, insbesondere lamellenhalbkugeln
auf einfache Weise saniert werden können.
-
Bei Neuanlagen können erhebliche Bau- und Betriebskosten eingespart
werden durch
a) wirtschaftlichere Ausnutzung des eingetragenen
Sauerstoffs, da besonders bei Belebungsbecken mit Druckbelüftung nicht in das Wasser
übergegangene luftblasen an und in den Hohlkörpern haften und somit eine längere
Verweilzeit im Wasser bleiben, b) verringerte Rücklaufs chlammkost en, c) eingespart
es Beckenvolumen durch Vergrößerung der aktiven Biomasse und damit verbunden kürzere
Belüftungs-und Aufenthaltszeiten.
-
Folgende Verfahrenskombinationen bieten sich an: Bei konzentriertem
Industrieabwasser (Molkerei, Schlachthöfe u.a.) Einsatz der Schwebekörper ohne Rücklaufschlammeinsatz
und Steuerung des Abbaus a) vorwiegend aerob, b) aerob und anaerob.
-
Bei häuslichem und industriellem Abwassergemisch Einsatz der Schwebekörper
mit dem üblichen Belebtschlammverfahren und Steuerung des Abbaus a) vorwiegend aerob,
b) aerob und anaerob.
-
Im folgenden wird ein Berechnungsbeispiel gegeben.
-
In der Rechnung bedeuten: Q = Wassermenge d = Tage BSB5 = Biochemischer
Sauerstoffbedarf, d.h. Menge an gelöstem Sauerstoff, die zum oxidativen biologischen
Abbau organischer Stoffe im Wasser in 5 Tagen benötigt wird TSR = Feststoffgehalt
im Belebungsbecken BTS, HR, Q/18 = Bemessungsrichtwerte TS = Trockensubstanz
Eine
Gemeinde, deren Abwasserqualität sich in den letzten Jahren durch Brauerei-, Molkerei-
und Großtäokereiabwasser entscheidend verschlechtert hat, soll saniert werden.
-
Daten: Q = 9333 m3/d Bemessungs BSB5 - 600 mg/l Bemessungs BSB5,abgesetst
= 420 mg/l Bemessungsmenge = Q/18 BSB5 - Fracht = 420 mg/l 9333 m3/d Belebungsbecken
V = 1200 m3 Schlammtrockensubstanz TSR = 3 kg/m3 BSB - Fracht Schlammbelastung BTS
= 5 BS35/d = kg BSB5 kg TS od 3920 - kg BSB5 Aufenthaltszeit t w 7 = 1200 = 2,3
h Auf eit t = Q/18 9333/18 d.h. hochbelastetes Belebungsbecken, Wirkungsgrad etwa
72 %.
-
Sanierung : Vollreinigung mit Stickstoffoxidation Aufteilung der Reinigung
in zwei Stufen.
-
Die bestehende Anlage arbeitet als 1. Stufe, als 2. Stufe werden Schwebekörper
zugegeben.
-
Die Abschätzung der Reinigungsleistung der 2. Stufe wird aus der Reinigungsleistung
von Tropfkörpern abgeleitet (siehe Tabelle).
-
Br,erf 0,4 kg BSB5/m3.d BSB /d BR (kg BSB5/m3.d) Reinigungsleistung
(kg m² m 0,2 0,0025 0,3 0,00375 0,4 0,005 0,5 0,00625 0,6 0,0075 0,7 0,0088 0,8
0,01 Kontaktzeit: 10 - 30 Min.
-
Gut vergleichbare Werte sind auch in Gewässern für Organismen auf
treibenden Sandkörnern gemessen worden.
-
Wieviel m2 Aufwuchsfläche müssen zugegeben werden? 3920 . (1 - 0,72)
= 1114 kg BSB5/d müssen von der zweiten Stufe abgebaut werden.
-
1114 kg BSB /d 2 222 800 m2 5 222 800 m 0,005 kg BSB5/dm
erforderliche
Fspez. - 222 800 m² - 185,66 1200 m3 m²/m³ Gewählt: D # 5 cm, Halbkugel spez. Fläche
bei lockerster Kugelpackung Je m³ = 282,7 2 67,5 % der lockersten Kugelpackung werden
eingesetzt: 282,7 ~ 0,675 o 1200 = 229 255 m d.h. die Lamellenhalbkugeln nehmen
im Becken ohne Wasser 0,52 ~ 0,675 = 0,35 = 35 # des Beckenvolumens ein.
-
Für die Verringerung des Gesamt-Stickstoff werden ebenfalls die Werte
eines Vergleichstropfkörpers herangezogen.
-
Bei etwa fünffacher Aufenthaltszeit im gerechneten Belebungsbecken
gegenüber der Durchtropfzeit beim Tropfkörper werden sicherheitshalber die Tropfkörperwerte
nur verdreifacht.
-
Verringerung des Gesamt-Stickstoff: 25 %. 3 = 75 % Die Rechnung liegt
in allen Punkten auf der -sicheren Seite.
-
Das beiliegende Diagramm zeigt die- durch Messungen nachgewiesene
Abhängigkeit zwischen dem Sauerstoffgehalt des Flußwassers und der Abnahme des Nitrat-Stickstoffs
während des Versuchszeitraums im abgeschlossenen Kontrollvolumen der Meßeinrichtung
bei gleichzeitiger Abnahme des Gesamt-Stickstoffs für verschiedene Sande und Kiese.
-
Die Meßeinrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffverbrauchsfestsitzender
Organismen in Gewässern unter natürlichen Bedingungen ist in der- sorerwshnten Diplomarbeit
beschrieben.
-
Die Zeichnung zeigt als Beispiel eine Lamellen-Halbkugel in Draufsicht
und Seitenansicht in natürlicher Größe mit den Werten D = 7 cm H = D/2 und n = 8
sowie einer Wandstärke von 1 mm.