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Anlage zur biologischen Reinigung und Denitrifikation
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von Abwasser Die Erfindung betrifft eine Anlage zur biologischen Reinigung
und Denitrifikation von Abwasser n.ach dem Belebtschlammverfahren in einer Baueinheit
mit eineM Belüftungsteil und einem Denitrifikationsteil und mit einem Zulauf für
Rohwasser und einem Ablauf f.ür gereinigtes Abwasser und ,Belebtschlamm (Wasser-'S,chlammgemisch).
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Aus Cewässerschutzgründen wird bereits seit langem neben einer mechanischen
Reinigung von Abwasser auch eine biologische Abwasserreinigung durchgeführt. Diese
Reinigung beinhaltete ursprünglich nur den Abbau der organischen Kohlenstoffverbindungen.
Neuerdings soll jedoch die biologische Abwasserreinigung auch die Entfernung von
Stickstoffverbindungen mitbeinhalten. Bei der biologischen Abwasserreinigung wird
nämlich aufgrund der Belüftung der Ammoniumstickstoff des Abwassers zu Nitrat oxidiert
(Nitrifikation). Gelangen diese Nitrate nun in den Vorfluter, so führen sie aufgrund
ihrer Düngerwirkng zu einer Verkrautung der Gewässer.
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Gelangt Ammoniumstickstoff in den Vorfluter, so ist dies aufgrund
seiner sauerstoffzehrenden Wirkung ebenfalls sehr schädlich. Da das Ammonium den
im Abwasser vorhandenen Sauerstoff an sich bindet, stellt sich zum einen in den
Gewässern eine Sauerstoffarmut ein und zum anderen kann es zu Problemen bei der
Entnahme dieses Wassers bei der Trinkwasseraufbereitung führen.
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Die Nitrifikation wird durchlaerobe autotrophe Bakterien über den
im Wasser molekular gelösten Sauerstoff (02) bewirkt. Hierzu wird der Ammoniumstickstoff
(NH:) über Nitrit (nu2) zu Nitrat (NO;) oxidiert.
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Es ist bereits bekannt, daß für eine vollständige Nitrifikation eine
niedrige BSB5-Schlammbelastung erforderlich ist, die im allgemeinen nicht größer
als BT5-<0,15 kg BSB5/kg TS d sein sollte. Außerdem ist für diese mikrobielle
Stickstoffoxidation ein zusätzlicher Sauerstoffbedarf erforderlich.
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Aus der DT-OS 29 09 723 ist nun ein Verfahren und eine Anlage für
die Stickstoffelimination bei der biologischen Abwasserreinigung bekannt. Hierzu
dient jeweils ein Rundbecken, das in ein Belüftungsteil und ein Denitrifikationsteil
aufgeteilt ist. In das Belüftungsteil, in welchem auch die.
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Nitrifikation stattfindet, mündet der Zulauf des Rohwassers und anschließend
erfolgt in dem Denitrifikationsteil die Denitrifikation des Nitrates, d.h. die Reduktion
in gasförmigen Stickstoff und der dabei ebenfalls
freiwerdende
Sauerstoff wird von den Bakterien veratmet.
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Nachteilig bei diesen Verfahren und Anlagen ist jedoch, daß kein so
hoher Schlammgehalt erreicht werden kann, der jedoch die Voraussetzung für eine
gute Denitrifikation ist.
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Nachteilig ist weiterhin, daß das bei der Nitrifikation entstehende
C02 und das beim Umbau des organischen Kohlenstoffes gebildete C2 leicht den pH-Wert
in den sauren Bereich verschieben können. Bei pH-Werten von 5 bis 6 ist jedoch keine
stabile biologische Reinigen3 mehr möglich. Aus diesem Grunde muß ggfs. durch Zugabe
vsn Puffern der pH-Wert entsprechend auf einen Bereich von 6,8 bis 8,0 angehoben
werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Anlage zur biologischen Reinigung und Denitrifikation von Abwasser der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, die
einen hohen Wirkungsgrad bei relativ
geringem Energiebedarf besitzt, wobei der bauliche und verfahrensmaßige Aufwand
gering sein sollen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnendlzn Teil
des Anspruches 1 genannten Merkmale.
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gelöst.
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Die erfindungsgemäße Anlage läßt sich mit geringem baulichen Aufwand
erstellen und kann auch mit minimalem maschinellen Aufwand betrieben werden. Dadurch,
daß der Denitrifikationsteil vor dem Belüftungsbecken, in dem die Nitrifikation
stattfindet, angeordnet ist, werden erhebliche Vorteile bei de biologischen Reinigung
erreicht. In dem vorgeschalteten Denitrifikationsbecken werden das zuströmende Abwasser
und das im Kreislauf zurückgeführte Wasserschlammgemisch mit dem nitrathaltigen
Abass#P~Belebtschlammgemisches des Beckens in einer weitgehend von gelöstem sauerstoffreien
Zone gemischt.
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Im allgemeinen wird hierzu auch noch Rücklaufschlamm aus demNachklärbecken
kommen. Aufgrund des Sauerstoffdefizites spalten die
Bakterien
den Sauerstoff aus den Nitraten ab, womit die gewünschte Reduktion auf biochemischem
Wege in gasförmigen Stickstoff erreicht wird. Dadurch, daß im zuströmenden Abwasser
die Bakterien eine sehr große Nahrungsmenge vorfinden, gleichzeitig jedoch ein erheblicher
Sauerstoffmangel vorliegt, kann eine Denitrifikation mit sehr hoher Wirksamkeit
durchgeführt werden.
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Voraussetzung für eine weitestgehende Denitrifikation ist lediglich,
daß eine entsprechend hohe interne Kreislaufführung des nitrathaltigen Abwasser-Schlammgemisches
durchgeführt wird.
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In Ausgestältung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Denitrifikationsbecken
kreisförmig ist und das Belüftungsbecken das Denitrifikationsbecken kreisringförmig
umgibt. Hierzu kann vorgesehen sein, daß das
Denitrifikationsbecken
wenigstens teilweise trichterförmig ausgabildet ist und der Zulauf so in das Denitrifikationsbecken
mündet, daf es von unten nach oben durchströmt ist Derartige Becken werden als Dortmundbrunnen
bezeichnet. In einem derartigen Becken:lassen sich hohe Schlammkonzentrationen erreichen,
die nahezu eine Verdoppelung des Schlammgehaltes gegenüber bekannten durchmischten
Denitrifikationsbecken ermöglichen.
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Damit kann im Bedarfsfalle ein entsprechend kleineres Beckenvolumen
verwendet werden. Außerdem sind bei einem vertikal durchströmten Denitrifikationsbecken
keinerlei Energieaufwendungen für Misch- oder Umwälzaggregate erforderlich, weshalb
es sehr energiesparend ist.
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Dieses Becken ist weitgehend frei von gelöstem Sauerstoff und je höher
der BSB Gehalt des Zulaufes und der Feststoffgehalt im Denitrifikationsbecken sind,
um so schneller und intensiver verläuft der Denitrifikationsprozeß. Ein Großteil
des für die Nitrifikation eingesetzten .Sauerstoffes kann dadurch rückgewonnen werden,
wodurch eine entsprechende Energieersparnis erreicht wird. Durch das Ansteigen des
pH-Wertes bei der Denitrifikation können auch die nachteiligen Einflüsse der pH-Wert-Absenkung
bei der Nitrifikation auf
diese Weise neutralisiert werden. Die
Reinigungsleistung einer Kläranlage wird insgesamt somit gesteigert und der Reinigungsprozeß
damit wesentlich stabilisiert.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß
sie sehr variabel ist und vielfältige Einsatzmöglichkeiten bietet. So kann z.B.
durch eine entsprechende Absperrung des Zulaufes in das Denitrifikationsbecken (teilweise
oder vollständig) das Abwasser direkt in das Belüftungsbecken eingeleitet werden
und auf eine Denitrifikation ganz oder teilweise verzichtet werden. Ebenso kann
das Denitrifikationsbecken zu Reinigungszwecken vollständig abgeschaltet werden
und zur biologischen Reinigung nur das äußere Belüftungsbecken verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich die erfindungsgegemäße
Anlage im Bedarfsfalle auch durch einen einfachen Umbau bei bestehenden Anlagen
verwirklichen läßt. So kann z.B. durch einfaches Umbauen eines des vorhandenen Dortmundbrunnens
mit einem kreisringförmigen Außenbecken das erfindungsgemäße Kombinationabecken
erhalten werden.
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Eine sehr vorteilhafte und erfinderische Ausgestaltung der Anlage
besteht darin, daß das Belüftungsbecken durch Trennwände in zwei oder mehrere Kammern
unterteilt ist. Dabei können die Trennwände wenigstens #annähernd in radialer Richtung
verlaufen.
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Durch diese Ausgestaltung lassen sich die verschiedensten Betriebsmöglichkeiten
verwirklichen. Die Anlage läßt sich optimal jeweils an die gegebenen Verhältnisse
anpassen. So kann z.B. nur ein Teil als Belüftungsbecken oder beide Teile zur Nitrifikation
verwendet werden.
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Ebenso kann zu Reinigungszwecken kurzfristig ein Teil "abgeschaltet"
werden, ohne daß die Anlage vollständig außer Betrieb gesetzt werden muß. Das Belebungsbecken
kann mit oder ohne dem Denitrifikationsbecken zweistraßig betrieben werden.
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Außerdem kann die Anlage baulich so gestaltet und ausgerüstet sein,
daß auf rein verfahrenstechnischem Wege bis über das zweifache der BSB5-Bemessungsfracht
vollbiologisch gereinigt werden kann und~ jeweils stabilisierter
Überschußschlamm
anfällt. Bei entsprechend schwach belasteten Anlagen fällt der Schlamm stabilisiert
und mineralisiert an und ist auf diese Weise sofort weiterverwertbar. Wird die Anlage
jedoch höher belastet, so muß der Überschußschlamm erst stabilisiert werden. Nach
dem Stande der Technik sind hierzu z.B.
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aufwendige Faultürme erforderlich oder aber man bedient sich der aeroben
Schlammnachstabilisation. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Vorschlag kann jedoch
für eine aerobe Schlammnachstabilisierung ein Teil des Belüftungsbeckens verwendet
werden. Hierzu wird im allgemeinen ein Viertelkreis ausreichen. In diesem Falle
wird der restliche Dreiviertelkreis in üblicher Weise belüftet, wobei die Nitrifikation
stattfindet und der Viertelkreis wird zur Schlammstabilisierung verwendet. Hierzu
ist es lediglich erforderlich, den Überschußschlamm in diese Schlammstabilisierungskammer
einzuleiten.
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Der Schlamm wird dort solange belüftet, bis er stabilisiert ist. Berechnungen
haben gezeigt, daß auf diese Weise ursprünglich ausgelegte Anlagen um das Zwei-
bis Zweieinhalbfache stärker belastet werden
können, ohne daß irgendwelche
Umbauten erforderlich sind. Damit ist diese Anlage insbesondere auch für Einsatzzwecke
geeignet, bei denen saisonal unterschied liche Abwassermengen, wie z.B. in Feriengebieten,
anfallen.
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Da der Rücklaufschlamm noch stark ~wasserhaltig ist, ist es von Vorteil,
wenn zusätzlich in dem Belüftungsbecken eine weitere Kammer als Schlammeindickungskammer
ausgebildet ist, die mit der Rücklaufschlammleitung aus der Nachklärung verbunden
ist. Hierzu kann weiterhin auch ein Pumpenschacht mit einer Pumpe vorgesehen sein,
wobei die Pumpe entsprechend den eingedickten Schlamm oder Trübwasser fördert. Vorteilhafte
konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den weiteren Unteransprüchen
und in dem nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Es zeigt: Fig. 1 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anlage in
Prinzipdarstellung,
Fig. 2 einen Längsschnitt nach der Linie II-II
der Fig. 1.
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Die erfindungsgemäße Anlage weist ein zentrales Denitrifikationsbecken
1 auf, das von einem Belüftungsbecken 2 von kreisringförmiger Gestalt umgeben ist.
Beide Becken können eine gemeinsame Trennwand 3 besitzen. Im Bedarfsfalle können
jedoch auch separate Wände vorliegen. Über einen Zulauf 4 wird dem Denitrifikationsbecken
1 das zu reinigende Abwasser zugeführt. Im Bedarfsfalle kann z.B.
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über entsprechende Abzweigleitungen 5 das Abwasser teilweise oder
auch vollständig in das Belüftungsbecken 2 eingegeben werden.
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Die Abführung des Wasser-Scfrlammgemisches.#aus: dem Belüftungsbecken
2 erfolgt über eine auf einer Trennwand 6 angeordneten Ablaufrinne 7. Hierzu kann
die Ablaufrinne 7 als separates Teil auf der Trennwand 6 angeordnet sein oder sie
ist direkt in die Wand eingeformt. Selbstverständlich kann die Ablaufrinne auch
an einer anderen Stelle angeordnet sein. Von der Ablaufrinne 7 aus führt eine Ablaufleitung
8 zu einem nicht dargestellten Nachklärbecken
von herkömmlicher
Bauart. In diesem Nac-hklärbecken erfolgt die Trennung von Schlamm und gereinigtem
Wasser.
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Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, ist das Denitrifikationsbecken
im unteren Teil trichterförmig ausgebildet und der Zulauf erfolgt zentral. Hierzu
ist ein zentrales Rohr 9 vorgesehen, dessen Austrittsöffnung 10 sich im Bereich
des Beckenbodens befindet. Auf diese Weise wird eine Strömung von unten nach oben
erreicht.
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Am Umfang des Denitrifikationsbeckens 1 ist eine Abflußrinne 11 angeordnet.
Zusätzlich sind vier radiale Rinnen 12 vorgesehen, die mit der Abflußrinne 11 in
Verbindung stehen. Die radialen Abflußrinnen 12, welche an sich bekannt sind, sind
oben an dem zentralen Rohr 9 befestigt und mit leichtem Gefälle in Richtung auf
die Abflußrinne 11 verlegt. Über Öffnungen in der Trennwand 3 gelangt das Abwasser
überlaufartig in das Belüftungsbecken 2.
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Das Belüftungsbecken 2 ist nun durch die bereits erwähnte Trennwand
6 und eine weitere Trennwand 13 in zwei Kammern 2a und 2b unterteilt. Die Kammer
2a dient dabei zur Belüftung
und zur Nitrifikation, während die
Kammer 2b als Stabilisationskammer dienen kann. Selbstverständlich kann jedoch die
Kammer 2b ebenfalls als normales Belüftungs- und Nitrifikationsbecken betrieben
werden.
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Wird jedoch die Anlage höher belastet, so daß nicht stabilisierter
Überschußschlamm anfällt, so wird man die Kammer 2b für eine Stabilisierung des
Überschußschlammes verwenden. Hierzu kann die Kammer 2b durch zwei weitere Trennwände,
nämlich eine dritte radiale Wand 14 und eine Querwand 15 in eine Schlammeindickungskammer
2c und einen Pumpenschacht 2d abgeteilt werden.
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In dem Pumpenschacht 2d ist eine Pumpe 16 angeordnet, die je nach
Stellung Schlamm aus der Schlammeindikkungskammer 2c in die Schlammstabilisierungskammer
2b oder Trübwasser indas Belüftungsbecken 2apumpt. Ebenso kann im Bedarfs falle
Wasser auch in das Denitri'fikationsbecken 1 eingepumpt werden.
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Die Schlammeindickungskammer 2c ist mit einem Rücklaufschlammpumpwerk
17 verbunden. In das Rücklaufschlammpumpwerk 17 mündet eine Rücklaufschlammleitung
18,
welche aus der Nachklärung., z.B. einem Nachklärbecken, kommt.Über
Pumpen, z.B. Schneckenpumpen, wird der Rücklaufschlamm zusammen mit Rücklaufwasser
auf ein entsprechend höheres Niveau gebracht und zusammen mit dem zulaufenden Abwasser
in das Denitrifikationsbecken 1 eingebracht.
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Von der Ablaufrinne 7, bzw. von der Leitung 8 aus führt eine Rückleitung
19 aus zur.Rücklaufschlammleitung 18.
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Durch die Rückleitung wird das nitrathaltige Wasser-Schlammgemisch
im Kreislauf geführt, wodurch der gewünschte Abbau der Nitrate in dem Denitrifikationsbecken
1 erfolgt. Statt der Rücklaufleitung 19 kann ggfs. über eine Pumpe 20 das Wasser-Schlammgemisch
mit den Nitraten aus dem Belüftungsbecken 2a direkt in das Denitrifikationsbecken
1 zurückgepumpt werden. Hierzu kann eine Leitung 21-zu dem Rohr 9 geführt werden.
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An welcher Stelle die Rückleitung des mit Nitraten angereicherten
Wasser-Schlammgemisches erfolgt, ist beliebig.
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Voraussetzung ist lediglich, das eine entsprechend hohe Menge im
Kreislauf
zurückgeführt wird.
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Wird nur die Kammer 2a als Belüftungsbecken verwendet, so dient die
Ablaufrinne 7 nur für die Ableitung des Wassers aus diesem Becken. Die Trennwände
7 und 13 können im Bedarfsfalle auch verstellbar sein, -wodurch die Anlage noch
variabler wird. In Verbindung mit dem Denitrifikationsbecken 1 ergibt sich durch
die Möglichkeit zweier getrennter Kammern in dem Belüftungsbecken 2 die Möglichkeit
eines zweistraßigen Betriebes. Dabei können die beiden Kammern gemeinsam miteinander
oder getrennt voneinander betrieben werden. Bei dieser Ausgestaltung ist die Schlammeindickungskammer
2c und der Pumpenschacht 2d nicht erforderlich. Sie können zwar ausgelegt sein,
müssen aber noch nicht vorhanden sein.
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Erst wenn aufgrund einer stärkeren Belastung der Anlage nichtstabilisierter
Schlamm anfällt, wird man die Kammer 2b als Schlammeindickungskammer ausgestalten.
Hierzu ist dann erforderlich, daß der Zulauf von Abwasser-Belebtschlamm aus dem
Denitrifikationsbecken in die Beckenteile 2b und 2d abgesperrt wird. Dies kann auf
verschiedene Weise
z.B. durch entsprechende Absperrschieber und
Verschliessung der Durchtrittsöffnung oder-bohrung erfolgen. Ebenso kann dies durch
eine Verlegung der Ablaufrinne 11 mit einem entsprechenden Gefälle erreicht werden.
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Neben der genannten Zweistraßigkeit liegt ein besonderer Vorteil der
Ausgestaltung des Belüftungsbeckens 2 mit den einzelnen Kammern darin, daß die Reinigung
zunächst nur mit einer Belüftungskammer gefahren werden kann und die zweite Belüftungskammer
ständig oder auch nur zeitweise betrieben werden kann, wenn eine entsprechend höhere
Schmutzfracht dies erforderlich macht.
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Dadurch kann die Kläranlage, z.B. saisonbedingte Sehmutzfrachterhöhungen,
wie z.B. in Feriengebieten, zu Zeiten der Weinlese, der Mosterzeugung etc., optimal
den Anforderungen angepaßt werden und zwar ohne daß während des übrigen Teiles des
Jahres eine unnötige Kapazität vorgehalten und betrieben werden muß.
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Im Stabilisierungsbereich, d.h. einerSchlammbelastung von Btx=0,05
kg BSB5/kg TS-d wird die Anlage mit dem
Denitrifikatipnsbecken
1 und mindestens einem Belüftungsbecken 2a oder 2b oder maximal mit beiden Kammern
betrieben. Bei stärkeren Schlammbelastungen ist eine gemeinsame Schlammstabilisierung
nicht mehr gegeben und der Schlamm muß aerob oder aerob-thermophil nachstabilisiert
werden. Als Nachstabilisierungsbecken dient dann die Kammer 2b, in dem die übliche
Belüftungseinrichtung ebenso wie in dem Kammerteil 2a bereits installiert ist. In
diesem Falle kann die Belebungsanlage bis über das Zweifache ihrer ursprünglichen
Schmutzfrachtkapazität belastet werden.
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In einfacher Weise ist der Pumpenschacht 2d in der Ecke zwischen der
Schlammeindickungskammer 2c und den Kammern 2a und 2b angeordnet. Dies ist jedoch
nicht unbedingt erforderlich. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird man im allgemeinen
jedoch diesen Standort wählen.
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Die darin installierte Pumpe 16 hat dabei mehrere Funktionen:
1.
Das aus der Schlammeindickungskammer 2c in den Pumpenschacht 2d abgezogene Trübwasser
wird in die Kammer 2a oder das Denitrifikationsbecken 1 gepumpt.
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2. Aus der Schlammeindickungskammer 2c wird der eingedickte Schlamm
direkt oder über den Pumpenschacht 2d in das Nachstabilisierungsbecken 2b gepumpt.
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3. Aus dem Nachstabilisierungsbecken 2b kann der stabilisierte Schlamm
abgepumpt werden.
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Bei einer Kreislaufführung des aus dem Belüftungsbecken 2 stammenden
Rückwassers über die Pumpe 20 muß nur eine relativ kleine Förderhöhe überwunden
werden, weshalb dies ein sehr energiesparender'Betrieb ist. Die mengenmäßige Veränderung
und Regulierung des internen Kreislaufwassers ist sowohl bei einem Betrieb über
die Pumpe 20 als auch über die Rückleitung 19 möglich. Im Falle der Pumpe 20 kann
dies über die Installation mehrerer Pumpen, mit einer Pumpe mit entsprechend polumschaltbarem
Motor oder Frequenzumformer.erfolgen.
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Im Falle einer Kreislaufführung über die Leitung 19 kann dies über
eine Verteilerzunge oder einen Regulierschieber, einem Schütz o.dgl. im Verteilerschacht
23 erfolgen.
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Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung nicht unbedingt
erforderlich, daß das Belüftungsbecken 2, welches das zentrale Denitrifikationsbecken
1 umgibt, Pxakt kreisförmig ist. Aus Herstellungsgründen kann ggfs. auch nur eine
annähernde Kreisform- verwendet werden. Dies kann z.B. durch eine Aneinanderreihung
zahlreicher segmentartiger Teilstücke erfolgen, welche kreisförmig angeordnet werden.
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Die Entfernung des in der Schlammeindickungskammer 2c nachstabilisierten
Schlammes kann im Bedarfsfalle auch durch eine einfache Verdrängung vorgenommen
werden.
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Hierzu ist es lediglich erforderlich, nach Art eines Überlaufwehres
im oberen Bereich der Schlammeindickungskammer 2c eine Ablaufleitung 24 (in der
Fig. 2 gestrichelt dargestellt) vorzusehen. In diesem Falle kann der stabiliserte
Überschußschlamm, welcher entsprechend dem neu zulaufenden Schlamm hochgedrückt
wird, über die Leitung 24 abfließen.
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Wie ersichtlich, kann die erfindungsgemäße Anlage in zahlreichen Variationen
betrieben werden. Es ist klar, daß neben den beschriebenen Möglichkeiten der Fachmann
auf diesem Gebiete auch noch andere Betrieb-smöglichkeiten kennt, welche unter Verwendung
der angegebenen erfinderischen Ausgestaltung möglich sind. Diese Betriebsmöglichkeiten
fallen ebenfalls unter den Schutzumfang der Erfindung.