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"Verfahren zur Aufrechterhaltung einer optimalen
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Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken"
Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Aufrechterhaltung einer optimalen Sauerstoffkonzentration,
entsprechend dem sich ändernden biologischen Sauerstoffbedarf im Belebungsbecken
von biologischen Abwasserreinigungsanlagen.
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Bei den heute üblichen Belebtschlammverfahren sind die Vorgänge der
biologischen Selbstreinigung eines natürlichen Gewässers auf engstem Raum zusammengedrängt
und wesentlich abgekürzt.
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Hierbei ballen sich durch die Wirkung der künstlichen Belüftung zunächst
die kolloidal gelösten Stoffe um die teils organischen und teils anorganischen Schwebstofe
zu Flocken zusammen und bilden einen guten Nährboden für Bakterien und Kleinlebewesen.
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Die Flocken sind praktisch mit dem biologischen Rasen eines Tropfkörpers
vergleichbar, jedoch mit dem Unterschied, daß dieser beim Tropfkörper ortsfest gebunden
ist, währen die Flocken durch aufsteigende Luftblasen und/oder durch rührwerksähnliche
Einrichtungen in der Schwebe gehalten werden. Durch die Lebenstätigkeit der Bakterien
wird eine Ansaugkraft auf die gelösten und kolloidalen organischen Schmutzstoffe
ausgeübt und diese in den Flocken adsorbiert.
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Anschließend setzt der eigentliche Oxidationsvorgang der adsorberten
Stoffe durch Bakterien, mit Hilfe von Enzymen, in Gegenwart von Sauerstoff, ein.
In LUEGER, Band 17, Seite 150 wird die biologische Reinigungswirkung als ein Wechselspiel
der Oberflächenwirkurig der Flocken und der Oxidation der adsorbierten Stoffe erzielt,
wobei
im einstufigen Belüftungsbecken in der ersten Hälfte der Belüftungsstrecke im wesentlichen
Adsorptionsvorgänge und in der zweiten Hälfte Oxidations- und Regenerationsvorgänge
stattfinden.
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Die Belüftung erfolgt in aller Regel mittels Druckluft, wobei in einer
solchen Menge fein- und grobblasig eingetragen wird, daß der O2-Gehalt 1 bis 1,5
mg/l nicht unter- und 3 bis 5 mg/l nicht überschreitet. Der Sauerstoffbedarf ist
dabei im wesentlichen eine Funktion des BSB5-Verlaufs des zu reinigenden Wassers
während des Tages- und des Nachtbetriebes. Durch ein voreingestelltes Zeitprogramm
für den Betrieb der DruckluULgebiä#e wird bei bekannten Anlagen, in üblicherweise
12 Schritten, eine grobe Anpassung in vorgegebenen Stufen der Gebläseleistung an
den BSB5-Verlauf ermöglicht.
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Diese Art der zeitprogramnucrten, stufenweisen Belüftungssteuerung
kann jedoch sowohl verfahrenstechnisch als auch wirtschaftlich aus nachstehenden
Gründen nicht als optimal betrachtet werden: 1. Um den Sauerstoffgehalt im Belebungsbecken
nicht zu unterschreiten, muß ständig mehr l.uStsauerstoff eingeblasen werden als
erforderlich ist.
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Dieser Überschußbetrieb bedeutet einen erhöhten Energieverbrauch.
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2. Die stufenweise Um- oder Zuschaltung von Druckluftgebläsen bedingt
eine ständige Schwankung des Sauerstoffgehaltes des Belebtschlammgemisches, was
sich negativ auf die biologische Masse auswirkt.
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3. Durch die ständige Umschaltung wird die Lebensdauer der Druckluftgebläse
verkürzt.
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Diese Sachlage führte u.a zur Entwicklung von Analysatoren, die die
Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfes (CSB) erlauben. Der chemische Sauerstoffbedarf
wird als diejenige O2-Menge definiert, die die chemische Oxidierbarkeit von in wasser
enthaltenen, reduzierend wirkenden Stoffen kennzeichnet. Der CSB wird dabei in aller
Regel durch Rücktitration einer Kalium-Dichromatlösung in schwefelsauerer Lösung
mit Hilfe von Eisen (II)-Salzlösung bestimmt und kann in Relation zum biologischen
Sauerstoffbedarf (BSB) gesetzt werden.
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Diese Geräte, die eine kontinuierliche Förderung und Dosierung eines
Teilstroms des Abwassers als Probe und der erforderlichen Reagenzien durch Schlauchpumpen
vorsehen, um innerhalb der gesamten Apparatur einen kontinuierlichen Fluß aufrechtzuerhalten,
sind relativ kompliziert. Sie benötigen, neben dem Analysatorteil, der die bereits
erwähnte Schlauchpumpe, eine Aufbereitungsstufe, eine Aufschlußeinheit und eine
Redoxzelle mit Platinelektroden beinhaltet, noch ein zusätzliches Meß- und Steuerteil,
das aus einem Temperaturregler für die Aufschlußeinheit, einem Meßzellenverstärker
und einem Anzeigeinstrument besteht.
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Es ist nun denkbar, den mit einem solchen aufwendigen und komplizierten
System kontinuierlich ermittelten CSB-Wert oder den hieraus resultierenden BSB-Wert
zur Regelung der stufenweisen Steuerung der Druckluftgebläse heranzuziehen.
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Abgesehen von dem gerätebedingten Aufwand und der erforderlichen besonderen
fachlichen Qualifikation des Bedienungspersonals für die handhabung solcher Einrichtunqen,
ist jedoch die Tatsache eines zum Zeitpunkt des Abgriffes nicht aktuellen, sondern
eines ze i 1 ich von der Prebenahme bis zum Abschluß 1> i ztiiii Au.'-wertung,
um ca. 40 min. verschobeen Wertes, eill nicht zu übersehender Nachteil dieser Methode.
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Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die oft nur zweis.tündi<je
Verweilzeit Ifl Belebungsbecken und die möglichen, plötzlich nicht erwarteten Änderungen
des BSB.
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Eine unmittelbare Regelung der Belüftungssteuerung durch einen momentane'#
()2-Wert, dessen Änderung z.B.
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mittels einer handelsüblichen O2-Industrieelektrode in jeweils weniger
als 1 min. erfaßt wird, kann letztlich ebenfalls nur eine Ein-Aussteuerung oder
- über einen gewissen Bereich - auch eine Steuerung in Stufen ermöglichen. Auch
eine solche Ausbildung führt nicht zu einer Verbesserung oder Behebung der grundsätzlich
gegebenen Nachteile einer stufenweisen Steuerung.
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Es ist deshalb Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren nach der eingangs
beschriebenen Art zu nennen, das einfach und weitgehendst betriebssicher ist, das
Sauerstoffüberdosierungen und plötzliche Änderungen des Sauerstoffgehaltes des Belebtschlammgemisches
vermeidet und das einen schonenden Betrieb der Druckluftgebläse ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß im Austrittsbereich
aus dem Belebungsbecken der spezifische Sauerstoffgehalt im Wasser festgestellt
und bei ca. 2/3 des vorgesehenen 02-Gehaltes, d.h. des Sollwertes, volle Zugabeleistung
der Belüftungseinrichtung über die Belüftungsstrecke gegeben ist, daß die Zugabeleistung
mit zunehmender Angleichung an den Sollwert kontinuierlich bis zur Einstellung einer
den Sollwert erhaltenden Mindestleistung gedrosselt wird, und daß bei Abfall vom
Sollwert, eine jeweilige Anpassung an die geänderte und die sich ändernde Situation
stattfindet.
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Durch dieses Verfahren, das von der einführung eines versuchs- oder
erfahrungsbedingten Sollwertes des Sauerstoffinhaltes ausgeht, und das bei Festsüilung
einer Meßwerthöhe von etwa 2/3 des vorgesehenen Sauerstoffgehaltes im Austrittsbereich
des Belebungsbeckens und Einsatz der vollen Belüftungsleistung vorsieht, wird eine
schnelle Heranführung des Istwertes an den Sollwert erreicht, wobei bereits mit
zunehmender Angleichung einer Drosselung der Belüfterleistung und bei Erreichung
des Sollwertes eine diesen erhaltende Mindestdosierung gegeben ist.
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Dasselbe (litt .lurch in uw ekehrter ltichtung, d.h.
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bei Abfall des Istwertes, z ß. durch unerwartete Zuflüsse. Hier findet
ebenfalls eine umgehende Nachführung der Belüfterleistung statt.
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Selbstverständlich ist es möglich, die Volleistung der Belüftungseinrichtung
bei einem niedrigeren oder höheren Istwert des Sauerstoffgehaltes einzustellen.
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Wie bereits aus den vorstehenden Ausführungen abzuleiten ist,ist also
vorgesehen, daß der durch das momentane Ergebnis der Sauerstoffmessung gegebene
Meßwert Regelgröße für die Leistungseinstellung des Belüfters ist. Hierbei erfolgt
die Leistungssteuerung durch Veränderung der Einstellung der Drehzahl des Belüfterantriebes.
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Als eine einfache und betriebssichere Leistungssteuerung dieser Art
wird die Drehzahlsteuerung des Belüfterantriebes durch eine Gleichstrommaschine
ausgewiesen.
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Durch diese Maßnahme kann in einem weiten Bereich die Belüftungsleistung
entsprechend dem Meßwertergebnis der Sauerstoffmessung nachgeführt werden.
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Ebenso ist es auch möglich, die Drehzahlsteuerung des Belüfterantriebes
durch eine mit Frequenzumformer ausgerüstete Asynchronmaschine vorzunehmen.
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Dieses Vorgehen führt praktisch zu den selben Ergebnissen.
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In diesem Zusammenhang muß jedoch erwähnt werden, daß, zumindest noch
heute, der Kostenaufwand für diese frequenzgesteuerte Maschine im Vergleich zu den
Kosten von Gleichstrommaschinen, wesentlich höher liegt.
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Desweiteren kann die Drehzahlsteuerung des Belüfterantriebes durch
hydraulisch oder pneumatisch angetriebene Maschinen oder aber auch durch Verbrennungsmaschinen,
insbesondere Gasmaschinen, erfolgen.
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Im letzteren Fall kann entstehendes Klärgas als Verbrennungskraftstoff
für den Antrieb verwendet werden.
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Unabhängig davon kann die Drehzahlsteuerung des Belüfterantriebes
durch eine mit einem Variatorantrieb verbundene Maschine beliebiger Art erfolgen
und damit fallweise eine Verbreiterung des möglichen Steuerbereiches erreicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die beigefügte schematische
Darstellung einer einstufigen Belebtschlammanlage in beispielsweiser Ausführung
näher erläutert.
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Dem Beispiel ist der Einfachheit halber eine einstufige Belebtschlammanlage
1 zugrundegelegt.
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Der Zulauf des Rohwassers wird durch die Position 2 ausgewiesen, wobei
sich dieser in ein zweiteiliges, üblicherweise etwa 2 h Aufenthaltszeit sicherndes
Absetzbecken 3 teilt. Das Absetzbecken 3 mündet in das in der Regel für etwa 6 h
Belüftungszeit ausgelegte Belebungsbecken 4, das seinerseits wieder mit dem Nachklärbecken
6 verbunden ist und in den Vorfluter über Leitung 7 ableitet.
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Aus dem Nachklärbecken 6 wird über die Leitung 8 Schlamm abgezogen
und als Rücklaufschlamm 9 zwischen Absetzbecken 3 und Belebungsbecken 4 dem System
zugeführt.
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Weiterer Oberschußschlamm 9' wird dem Rohwasser in Position 2 zugesetzt.
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Aus dem vorderen Bereich des Absetzbeckens 3 wird der in den Faulraum
führende Schlamm über Leitung 10 abgeführt.
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Zur Unterstützung des Flockungs- und Adsorptionsvorganges ist im Belüftungsbecken
4 ein Rührwerk 5 vorgesehen.
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Zur Ermittlung des Sauerstoffanteiles im Belebungsbecken 4 ist in
dessen Endbereich eine 02-Elektrode 11 angeordnet.
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Der von dieser 02-ElekLrode 11 abyecJeberle elektrische Wert wird
durch ein Anzeigegerät 12 in den aktuellen O2-Wert gewandelt und durch den als Peripheriezeiger
ausgebildeten Istwertzeiger 13 auf einer die optische Überwachung ermöglichenden
Skala dargestellt.
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Desweiteren sind dem Anzeigegerät 12 zwei voreinstellbare Kontaktzeiger
14 und 15 zugeordnet.
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Ein Kontaktzeiger ist dabei der Sollwertzeiger 14 und beispielsweise
auf einen Sollwert von 2,4 mg /1 eingestellt, während der zweite Zeiger, der Vollasteinstellzeiger
15 ist, der bei ca. 2/3 des Sollwertes, z.B. 1,6 mg/l - und bei Deckung mit dem
Istwertzeiger 13 - Impuls für die Einstellung der Volleistung der Belüftungseinrichtung
20 gibt.
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Der Istwertzeiger 13 führt über ein licclclglicd 16 in die Steuereinrichtung
17 des Drehzahleinstellgerätes 18 der Gleichstrommaschine 19, die ihrerseits die
aus einem oder mehreren Druckluftgebläsen 20 bestehende Belüftungseinrichtung 21
antreibt, und zwar derart, daß die Leistung der Belüftungseinrichtung 21 mit steigendem
O2-Gehalt die Erreichung des voreingestellten Sollwertes 14 auf einen Erhaltungswert
zurückgeführt wird.
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Die Druckluft wird über eine Belüftungseinrichtung 21 dem Belebungsbecken
4 fein- und/oder grobblasig zugeführt.
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