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Verfahren und Vorrichtung zur biolo-
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gischen Reinigung von Abwasser Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur biologischen Reinigung von phosphathaltigem Abwasser, bei
dem das Abwasser in einer Reaktionszone in Gegenwart von zumindest teilweise auf
einem Trägermaterial fixiertem Belebtschlamm aerob behandelt und anschließend ein
im wewesentlichen phosphatfreier Wasserstrom abgezogen wird, sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei dem herkömmlichen Belebtschlammverfahren wird das zu behandelnde
Abwasser in einer Reaktionszone, z.B. einem Belebungsbecken, Umlaufgraben, Oxidationsteich,
Wirbelbett- oder Festbettreaktor, unter gleichzeitiger Zuführung von Luft oder Sauerstoff
vermischt. Durch die Tätigkeit der in dem Belebtschlamm enthaltenen aeroben Mikroorganismen
werden die in gelöster oder kolloidaler Form vorliegenden organischen Schmutzstoffe
des Abwassers zum Teil in Bakteriensubstanz umgewandelt und zum Teil mittels Sauerstoff
im wesentlichen zu CO2 und Wasser umgesetzt.
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In liner der Reaktionszone nachgeschaltete Nachklärung wirli der Belebtschlamm
meist durch Absetzen von gereinigtem Abwasser getrennt.
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Zur Erzielung hoher Reinigungswerte ist es bekannt, den Belebtschlamm
in der Reaktionszone zumindest teilweise auf einem Trägermaterial zu fixieren. Die
Verwendung von insbesondere makroporösen Stoffteilchen als Trägermaterial für die
Mikroorganismen bietet diesen eine große aktive Oberfläche zur Ansiedlung. Durch
Makroporen der Stoffteilchen werden dabei die Bakterien zu einem dezentralisierten
Wachstum gezwungen, wodurch sich eine wesentlich größere toffaustauschfläche als
bei herkömmlichen Belebtschlammflocken ergibt.
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Weiterhin ist bekannt, mit auf Trägermaterial fixierten Mikroorganismen
nicht nur organische Kohlenwasserstof:fverbindungen abzubauen, sondern auch Nitrifikation
und Denitrifikation durchzuführen, sowie Phosphate auf chemischem Wege aus dem Abwasser
zu entfernen (z.B. DE-OS 28 39 872).
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Insbesondere bei der Phosphatentfernung aus Abwasser muß die Biomasse
abwechselnd aeroben und anaeroben Bedingungen unterworfen werden. Da dies auch auf
relativ dicht gepackte Reaktoren anwendbar sein soll und auch bei suspendiertem
Trägermaterial ein homogener Transport über verschiedene Reaktoren einer Abwasserreinigungsanlage
schwierig wird, ist ein neues Verfahren erforderlich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der
eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so
auszugestalten, daß auf einfache und wirtschaftliche Weise hohe Reinigungswerte,
insbesondere im Hinblick auf die Phosphatentfernung, erzielt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Abwasser
in mindestens zwei Reaktionszonen behandelt und die Behandlung in einem zeitlichen
Zyklus unter aero-
ben, anaeroben und gegebenenfalls anoxischen
Bedingungen durchgeführt wird.
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Die auf dem Trägermaterial fixierte Biomasse bleibt dabei in der jeweiligen
Reaktionszone und wird in einem spezieLlen den besonderen Gegebenheiten des Abwassers
angepaßten zeitlichen Zyklus aeroben und anaeroben und, bei Durchführung von Nitrifikation
bzw. Denitrifikation, anoxischen Bedingungen unterworfen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die bekannte Tatsache, daß das
von den Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen aufjenommene Phosphat unter anaeroben
Bedingungen wieder aus den Zellen der Mikroorganismen freigesetzt und in die flüssige
Phase des Belebtschlammes abgegeben wird (z.B.
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US-PS 3 236 766).
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Die Erfindung beruht nunmehr auf der überraschenden Erkenntnis, daß
die Mikroorganismen unter abwechselnd aeroben und anaeroben Bedingungen in die Lage
versetzt werden, mehr Phosphat als ursprünglich unter anaeroben Bedingungen abgegeben
unter aeroben Bedingungen zu resorbieren. Zu reinigenes Abwasser wird daher erfindungsgemäß
nacheinander in :lindestens zwei Reaktionszonen mit auf Trägermaterial fixierten
Belebtschlamm behandelt. Diese Behandlung erfolgt dabei in den einzelnen Reaktionszonen
unter aeroben, anaeroben oder gegebenenfalls anoxischen Bedingungen, und die Reastionszonen
werden nach einer vorher festgelegten Zeitspanne den jeweils anderen Bedingungen
unterworfen.
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Zur Erlangung größtmöglicher Phosphateliminierung ist es dabei erforderlich,
in der jeweils letzten Reaktionszone die Behandlung des Abwassers unter aeroben
Bedingungen dur(hzuführen und in dieser Reaktionszone bereits in dem vorlngehenden
Zyklusintervall aerobe Bedingungen aufrecht
zu erhalten. Diese letzte
Maßnahme ist insbesondere deshalb wichtig, da das unter anaeroben Bedingungen freigesetzte
Phosphat zuerst vollständig von den Mikroorganismen resorbiert sein muß, bevor das
in dem Reaktor befindliche Abwasser in den Ablauf gegeben wird. Auf diese Weise
wird ein hoher Reinigungsgrad des Abwassers erzielt, d.h. aus der letzten Reaktionszone
ein phosphatfreies Wasser abgezogen. Da nicht die gesamte Biomasse auf dem Trägermaterial
fixiert ist, wird mit dem phosphatfreien Ablauf auch noch ein Teil des nunmehr phosphathaltigen
Belebtschlammes ausgetragen und der Nachklärung zugeführt. In dieser trennt sich
der Belebtschlamm durch Absetzen von der Flüssigkeit und wird zum einen Teil als
phosphathaltiger Uberschußschlamm abgezogen und zum anderen Teil, je nach Bedarf,
als Rücklaufschlamm den Reaktionszonen wieder zugeführt.
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Bei Behandlung des Abwassers in drei Reaktionszonen ist es von Vorteil,
wenn in einem zeitlichen Zyklus zwei Reaktionszonen aeroben und eine Reaktionszone
anaeroben Bedingungen unterworfen werden. Bei gleichzeitiger Nitrifikation und Denitrifikation
dagegen werden bevorzugt die drei Reaktionszonen nacheinander aeroben, anaeroben
und anoxischen Bedingungen unterworfen.
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Die Erfindung betrifft überdies eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer mit Trägermaterial gefüllten Reaktionszone
mit Zulauf für zu reinigendes Abwasser und einer der Reaktionszone über einen Ablauf
nachgeschalteten Nachklärung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens eine
weitere Reaktionszone vorgesehen ist, daß der Zulauf und der Ablauf Absperrorgane
aufweisen, daß die Reaktionszonen miteinander in Verbindung stehen und in zeitlichem
Wechsel bei entsprechender chalttung der Absperrorgane mit dem Zulauf für zu reinigendes
Abwasser und dem Ablauf für gereinigtes Abwasser verbunden
sind.
Dabei können die Reaktionszonen entweder in einem Reaktor oder in getrennten Reaktoren
angeordnet sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei allen Abwasserreinigungsanlagen
anwendbar und auch für Festbett- sowie Wirbelbettreaktoren mit schweren Trägermaterialien
geeignet.
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Im folgenden sei die Erfindung anhand von in fünf Figuren schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Dabei zeigen: Figur 1 den Schaltzyklus für zwei Reaktionszonen Figur
2 den Schaltzyklus für drei Reaktionszonen Figur 3 den Schaltzyklus für drei Reaktionszonen
bei gleichzeitiger Nitrifikation/Denitrifikation Figur 4 einen Reaktor mit zwei
Reaktionszonen Figur 5 zwei Reaktoren mit je einer Reaktionszone In figur 1 ist
der Schaltzyklus mit vier Zeitabschnitten a), b), d), d) für eine Abwasserreinigungsanlage
mit zwei Reaktionszonen 1, 2 dargestellt. Beide Reaktionszonen sind mit Trägermaterial
gefüllt, auf dem der Belebtschlamm zum Tei: fixiert ist.
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Im ersten Zeitabschnitt a) gelangt zu reinigendes phosphathaltiges
Abwasser über einen Zulauf in die Reaktionszone 1, in der aerobe Bedingungen herrschen.
Die Mikroorganismen setzen das in ihren Zellen in polymerer Form eingelagerte Phosphat
in die Flüssigkeit frei und nehmen kein Phosphat aus dem Abwasser auf. Aus der Reaktionszone
1 fließt daher über Leitung 4 ein Abwasserstrom mit gegenüber dem Zulauf erhöhtem
Phosphatgehalt der Reaktionszone 2 zu. In dieser wird die Behandlung des Abwassers
unter aeroben Bedingungen durchgeführt. Was bedeutet, daß die Mikroorganismen das
im
Abwasser enthaltene Phosphat aufnehmen und in ihre Zellen einlagern,
so daß ein phosphatfreier Ablauf über Leitung 5 abgezogen werden kann.
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Während des zweiten Zeitabschnittes b) ist die Reaktionszone 1 aeroben
Bedingungen unterworfen. Die Mikroorganismen nehmen das während Zeitabschnitt a)
freigesetzte Phosphat wieder auf und können auch aus dem zu reinigenden Abwasserstrom
das Phosphat zum Teil resorbieren. Uber Leitung 3 wird somit ein im Vergleich zum
Zulauf phosphatärmerer Abwasserstrom der Reaktionszone 2 zugeführt und dort, wie
vor beschrieben, behandelt.
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Für den anschließenden Zeitabschnitt c) wird das zu reinigende Abwasser
über die Leitung 5 zuerst der Reaktionszone 2 zugeführt, die nunmehr unter anaeroben
Bedingungen gehalten wird, während die Reaktionszone 1 aeroben Bedingungen unterworfen
wird. Somit entspricht der Behandlungsablauf des Abwassers während Zeitabschnitt
c) dem von Zeitabschnitt a).
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Entsprechend Zeitabschnitt b) wird während Zeitabschnitt d) in beiden
Rekationszonen eine aerobe Behandlung des Abwassers durchgeführt, das allerdings
zuerst der Reaktionszone 2 und dann der Reaktionszone 1 zugeführt wird.
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In gedanklicher Weiterführung des Schaltzyklus schließt nun die Behandlung
wieder gemäß Zeitabschnitt a) an.
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Figur 2 zeigt den Schaltzyklus mit drei Zeitabschnitten a), b), c)
für eine Abwasserreinigungsanlage mit drei Reaktionszonen 6, 7, 8, die jeweils mit
Trägermaterial für Biomasse gefüllt sind. Die Fließrichtung des Abwassers durch
die Reaktionszonen ist durch die Pfeilrichtung angegeben.
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Analog zu dem Schaltzyklus gemäß Figur 1 wird die vom Ab-
wasser
zuletzt durchströmte Reaktionszone jeweils unter aeroben Bedingungen gehalten, um
eine effektive Phosphateliminierung zu gewährleisten. Die einzelnen Reaktionsstufen
werden während zwei Zeitabschnitten unter aeroben und während eines Zeitabschnittes
unter anaeroben Bedingungen gehalten. An Schaltabschnitt c) schließt wieder ein
Zeitabschllitt gemäß a) an.
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Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt neben der
Phosphatentfernung eine Nitrifikation und Denitrifikation. Aus diesem Grunde wird
je eine der drei Reaktionszonen 6, 7, 8 während eines Zeitabschnittes a), b), bzw.
c) immer unter anoxischen Bedingungen gehalten. Die Fließrichtung des Abwassers
durch die Reaktionszonen ist wieder durch die Pfeilrichtung angegeben.
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Das Abwasser durchströmt gemäß diesem Ausführungsbeispiel zuerst immer
die Reaktionszone mit anaeroben, dann die mit anoxischen und schließlich die mit
aeroben Bedingungen.
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Die ist sinnvoll, da keine Phosphatrücklösung bzw. Freisetzung auftritt,
solange noch Nitrate im Abwasser vorhanden sind. Die Mikroorganismen ba';ien in
diesem Fall zuerst den Nitratsauerstoff ab. Eine teilweise Rückführung des Abwassers
von der aeroben in die anoxische Reaktionszone ist zur Durchführung der Dentrifikation
erforderlich.
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Gemaß Figur 3 wird jede Reaktionszone nacheinander während eines Schaltzyklus
anaeroben, anoxischen, aeroben und anschließend im nächsten Schaltzyklus wieder
anaeroben Bedingungen unterworfen.
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Anhand von Figur 4 soll nunmehr der Schaltzyklus nach Figur 1 näher
erläutert werden.
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In Figur 4 ist ein Reaktor 9 mit zwei Reaktionszonen 1 und
und
2 während Zeitabschnitt a) dargestellt Beide Reaktionszonen sind mit Trägermaterial
für Biomasse gefüllt. Die während dieses Zeitabschnittes geschlossenen Absperrorgane
bzw. Ventile sind ausgefüllt dargestellt.
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Zu reinigendes phosphathaltiges Abwasser gelangt über Leitung 10 mit
Ventil 11a (offen) in den unteren Teil von Reaktor 9, und zwar in Reaktionszone
1, in der anaerobe Bedingungen vorliegen. Das Abwasser durchströmt die Reaktionszone
1 und wird über Leitungen 12 der Reaktionszone 2 zugeführt. In dieser herrschen
aerobe Bedingungen, d.h.
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über Verdichter 13, Leitung 14, Ventil 15a (offen und Düsen 16 wird
diese Reaktionszone mit Luft und/oder Sauerstoff versorgt. Wie zu Figur 1 beschrieben,
findet in der Reaktionszone 2 die Phosphataufnahme durch die Mikroorganismen statt,
so daß über Leitung 17 mit Ventil 18a (offen) und Leitung 19 phosphatfreies Wasser
abgezogen werden kann.
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Da nicht die gesamte Biomasse auf dem Trägermaterial fixiert ist,
wird auch ein Teil des phosphathaltigen Belebtschlammes über Leitung 17 und 19 ausgetragen.
In der nachgeschalteten Nachkläreinrichtung 20 setzt sich der Belebtschlamm ab,
so daß über Leitung 21 gereinigtes Wasser und über Leitung 22 phosphathaltiger Uberschußschlamm
abgezogen werden kann.
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Vorteilhaft ist in Leitung 17 eine Rückhaltevorrichtung 23 (z.B. ein
Sieb) für das Trägermaterial vorgesehen.
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Während dieses Zeitabschnittes a) sind die übrigen Ventile 11b in
Leitung 10, 15b in Leitung 14 und 18b in Leitung 17 geschlossen.
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Die Ventilstellung für die weiteren Zeitabschnitte b) c) und d) kann
der nachfolgenden Tabelle entnommen werden.
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Zei-abschnitt Ventil a 11a* 11b 15a* 15b 18a* 18b b 11a* 11b 15a*
15b* 18a* 18b c 11a 11b* 15a 15b* 18a 18b* d 11a 11b* 15a* 15b* 18a 18b* Die mit
* bezeichneten Ventile sind offen, während die anderen Ventile geschlossen sind.
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Während der Zeitabschnitte c) und d) wird das Abwasser dem oberen
Teil des Reaktors 9, d.h. der Reaktionszone 2 aufgegeben, nach Durchströmen dieser
Reaktionszone über Leitung 12 der Reaktionszone 1 zugeführt und aus dieser von dem
unteren Teil des Reaktors 9 abgezogen. Dabei weist die Reaktionszone 1 vorteilhaft
eine Rückhaltevorrichtung 24 (z.B.
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eine Siebfläche) für das Trägermaterial auf.
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Anstatt über die Leitungen 12 kann das Abwasser auch durch Uberfließen
über Leitung 12a in die jeweils andere Reaktionszone geführt werden.
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In Figur 5 ist eine Abwasserreinigungsanlage mit zwei Reaktionszonen
1,2 dargestellt, die in jeweils einem Reaktor 25, 26 angeordnet sind. Beide Reaktoren
sind mit Trägermaterial gefüllt. Diese Verfahrensführung sei für den Zeitabschnitt
a) beschrieben, für den in Reaktionszone 1 (Reaktor 25) anaerobe und in Reaktionszone
2 (Reaktor 26) aerobe Bedingungen gelten.
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Das zu reinigende phosphathaltige Abwasser gelangt über Zulauf 27
mit offenem Ventil 28 in die Reaktionszone 1 und durchströmt dort unter anaeroben
Bedingungen und unter Rühren 29 das Trägermaterial. Da die Reaktionszone mit Trägermaterial
gefüllt ist, ist es nicht nötig, den Reactor 25 geschlossen auszubilden. Sauerstoff
kann nur
in die obersten Schichten des Trägermaterials eindringen,
während in den weiter unten gelegenen Schichten anaerobe Bedingungen herrschen.
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Über Leitung 30 mit offenem Ventil 31 wird das Abwasser aus dem Reaktor
25 abgezogen und über das offene Ventil 32 von unten dem Reaktor 26 bzw. der Reaktionszone
2 zugeführt. In dieser erfolgt unter Zufuhr von Luft und/oder Sauerstoff über eine
Eintragsvorrichtung 33 und unter Rühren 34 die Phosphataufnahme durch die Mikroorganismen,
so daß über Leitung 35 mit offenem Ventil 36 phosphatfreies Wasser abgezogen werden
kann. Mit dem Wasser wird ein Teil des nicht fixierten Belebtschlammes, der das
aufgenommene Phosphat enthält, mit ausgetragen. In der nachgeschalteten Nachklärung
37 setzt sich dieser Belebtschlamm ab und kann über Leitung 38 mit Ventil 39 als
phosphathaltiger Überschußschlamm abgezogen werden, während über Ablauf 40 phosphatfreies
Wasser abgezogen wird.
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Während des Zeitabschnittes a) ist das in Leitung 27 angeordnete Ventil
41 geschlossen (kein Abwasserzulauf in Reaktionszone 26). Ebenso ist Ventil 42 in
Leitung 43 geschlossen (kein Ablauf von gereinigtem Wasser aus Reaktor 25).
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Da es sich beim Umschalten der Reaktionszonen von anaerob auf aerob
bzw. umgekehrt um einen zeitlichen Zyklus handelt, können die Ventile 28 und 36
über elektrische Leitung 28a, 36a mit einer Schaltuhr 44 und die Ventile 41, 42
über elektrische Leitungen 41a, 42a mit einer Schaltuhr 45 verbunden sein. Ebenso
kann die Luft bzw. Sauerstoffzufuhr über Schaltuhren 46, 47 geregelt werden. Anstatt
gesonderter Schaltuhren kann zweckmäßigerweise auch ein Programmschaltwerk verwendet
werden.
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Beispielhaft kann dabei angenommen werden, für den ersten
Zeitabschnitt
al zwei Stunden, für den Zeitabschnitt b) eine Stunde, für den Zeitabschnitt c)
zwei Stunden und für den Zeitabschnitt d) eine Stunde zu wählen. Doch sind auch
andere Zeitspannen für die jeweiligen Zeitabschnitte möglich, die je nach Abwasserzusammensetzung
und Reaktorbelastung optimiert werden können.
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