DE3406312C2 - Verfahren für die zweistufige biologische Reinigung von Abwasser, insbesondere von kommunalem Abwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren für die zweistufige biologische Reinigung von Abwasser, insbesondere von kommunalem Abwasser, in einer Reinigungsanlage mit
einem Belebungsbecken für die erste biologische Stufe, die mit einer Schlammbelastung von größer als 2 kg BSB₅ pro Kilogramm Trockensubstanz und Tag betrieben wird,
einem dem Belebungsbecken nachgeschalteten Nachklärbecken, aus dem Überschußschlamm in einer solchen Menge abgezogen wird, daß der Schlamm in dem Belebungsbecken in der Einarbeitungsphase, in der Substratatmung einsetzt, gehalten wird und
mit einer zweiten aeroben biologischen Stufe, der das aus der Nachklärung abfließende Wasser zugeführt wird. - Bei einer solchen Verfahrensweise arbeitet die erste biologische Stufe als Adsorptionsstufe. Adsorptionsstufe bezeichnet eine moderne Belebungsstufe, für die wesentlich ist, daß die Verunreinigungen zu einem großen Teil von den Mikroorganismen durch Adsorption festgehalten und folglich mit dem Überschlußschlamm ausgetragen werden. Dazu ist wesentlich, daß die Belebungsstufe nicht als eine schwach belastete, sondern als eine ausreichend belastete Stufe gefahren wird, und zwar aerob oder fakultativ anaerob. Der Schlamm in der Belebungsstufe muß in der Einarbeitungsphase, in der Substratatmung einsetzt, gehalten werden. In einer Adsorptionsstufe werden, anders ausgedrückt, durch eine gering gehaltene Bakterienbiomasse Nahrungsverhältnisse geschaffen, die nur niederen Bakterien mit sehr großer Lebensaktivität, d. h. einer sehr hohen Umsetzungsrate, eine Lebenschance bietet. So wird ein Großteil der Abwasserinhaltsstoffe nicht veratmet, sondern adsorptiv angelagert und mit dem permanenten Schlammzuwachs (Überschußschlamm) aus dem Reinigungssystem entfernt. Daher arbeitet eine A-Stufe mit einem sehr geringen Energieaufwand. Die Reinigungsleistung dieser ersten Stufe beträgt etwa 50% bis 60% der biologischen Fracht (als BSB₅).

Bei dem bekannten gattungsgemäßen Verfahren (DE-Patent 26 40 875) wird in bezug auf das Belebungsbecken mit einer verhältnismäßig großen Durchlaufzeit gearbeitet. Das verlangt eine entsprechende Auslegung und damit ein entsprechend großes Belebungsbecken, insbesondere in bezug auf den Flächenaufwand. Die zweite biologische Stufe arbeitet im Rahmen der bekannten Maßnahmen ebenfalls mit einem Belebungsbecken. Im einzelnen geht man im Rahmen der bekannten Maßnahmen so vor, daß die erste biologische Stufe mit einer Schlammbelastung von mindestens 2 kg BSB₅ pro Kilogramm Trockensubstanz und Tag betrieben wird, daß durch die Menge des aus der Zwischenklärung abgezogenen Überschußschlammes der Schlamm in der ersten Belebungsstufe in der Einarbeitungsphase, in der Substratatmung einsetzt, gehalten wird, daß für eine strikte Trennung der Biozönosen der zweiten Belebungsstufe gesorgt wird und daß endlich der Überschußschlamm aus der zweiten, mit einer Schlammbelastung von 0,15 kg BSB₅ pro Kilogramm Trockensubstanz und Tag betriebenen Belebungsstufe ohne Rückführung desselben sofort aus dem System entfernt wird. Das alles hat sich bewährt, verlangt aber einen entsprechenden baulichen Aufwand und insbesondere einen großen Flächenaufwand für die Belebungs- und Nachklärbecken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so zu führen, daß bei einer vorgegebenen Abwassermenge bei gleicher Reinigungsleistung sowie gleichem Reinigungswirkungsgrad und Energieaufwand mit wesentlich geringerem baulichen Aufwand, insbesondere mit wesentlich geringerem Flächenaufwand, gearbeitet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Belebungsbecken mit einer Durchflußzeit von kleiner oder gleich 45 Min. betrieben wird und aus dem Belebungsbecken über die Nachklärung 0,5 bis 1,5 Gew.-% des arbeitenden Belebtschlammes pro Kubikmeter in die zweite biologische Stufe überführt werden, und daß für die zweite biologische Stufe ein Filterbett mit oberer, biologisch aktiver poröser Filterschicht und unterer Sandschicht eingesetzt wird, und zwar mit den Maßgaben, daß das aus dem Filterbett ablaufende Wasser teilweise zurückgeführt wird, daß mit einer aktuellen Filtergeschwindigkeit, einschließlich des Rückführungsanteils, im Bereich von 5 m/h bis 20 m/h gearbeitet wird, daß in dem Filterbett eine Raumbelastung von 6 bis 18 kg BSB₅ pro Kubikmeter und Tag gefahren wird und daß die biologisch aktive, poröse Filterschicht eine Schichtdicke von etwa 100 cm, die Sandschicht eine Dicke von zumindest 75 cm aufweist, Sandkörnung 0,7 bis 1,2 mm. Vorzugsweise wird das Belebungsbecken mit einer Schlammbelastung von größer als 2 kg BSB₅ pro Kilogramm Trockensubstanz und Tag, bei einer Trockensubstanz von 1,0 bis 2,5 g/l, vorzugsweise etwa 2,0 g/l, betrieben, und zwar mit einer Durchflußzeit, die auch beachtlich kleiner als 45 Min. sein kann. Der Sauerstoff des Abwassers in dem Belebungsbecken soll im Bereich von 0,5 bis 1 mg/l liegen. - Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei dem gattungsgemäßen Verfahren das Belebungsbecken, unter Einhaltung der angegebenen Parameter, so betrieben werden kann, daß die Durchflußzeit kleiner oder höchstens gleich 45 Min. ist. Das hat zur Folge, daß der Flächenaufwand für dieses Belebungsbecken sich schon aus diesem Grunde reduziert. Die zweite biologische Stufe ist eine Filterbettstufe. Ein Filterbett kann mit wesentlich geringerem Flächenaufwand eingerichtet werden als die zweite Belebungsstufe des bekannten, gattungsgemäßen Verfahrens. Zwar führt das aus dem Belebungsbecken über die Nachklärung ablaufende, in die zweite biologische Stufe eingeführte Wasser bei dieser Betriebsweise des Belebungsbeckens arbeitende Biomasse aus der ersten biologischen Stufe mit, das ist jedoch überraschenderweise unschädlich, wenn der Anteil an mitgeführter Biomasse im Bereich von 0,5 bis 1,5 Gew.-% des arbeitenden Belebtschlammes pro Kubikmeter in der ersten biologischen Stufe gehalten wird und wenn darüber hinaus darauf geachtet wird, daß das Filterbett mit den Maßgaben betrieben wird, die vorstehend angegeben wurden. Die erforderliche weitere Reinigung des in die zweite biologische Stufe eingeführten Wassers erfolgt so durch eine Schnellfiltration, deren Reinigungswirkung sowohl auf physikalischen als auch biologischen Faktoren beruht. Durch die Kombination der beiden Wirkungsweisen ist es gegeben, daß trotz einer sehr hohen biologischen Belastung auch dieser zweiten biologischen Stufe sehr niedrige Ablaufwerte erzielt werden. Die Betriebsweise der Filterstufe ist auf die besonderen Gegebenheiten des Ablaufs der Adsorptionsstufe abgestimmt. So ist für die durchgehende Aufrechterhaltung der Filterbiologie eine poröse obere Filterschicht und die Versorgung der Filterbiologie mit Sauerstoff vorgesehen. Es bildet sich damit ein biologischer Rasen aus sessilen Organismen mit guter Anlagerungsfähigkeit aus. Da aus der ersten höchstbelasteten Belebungsstufe oder Adsorptionsstufe, wie angegeben, Bakterien abtreiben, die die Tendenz besitzen, sich nicht zu einer biologischen Flocke zu formieren, ist unter der biologisch aktiven Filterschicht eine Sandschicht mit geringer Korngröße und ausreichender Mächtigkeit angeordnet. Es versteht sich, daß eine aerobe Arbeitsweise in dem Filterbett aufrechterhalten werden muß, wozu zweckmäßigerweise so gearbeitet wird, daß das zu filtrierende Wasser einen Sauerstoffgehalt von zumindest etwa 6 mg/l aufweist, so daß über die gesamte Schichtdicke des biologisch aktiven, porösen Filterbettes eine aerobe Arbeitsweise gewährleistet ist. Dazu kann das aus der Nachklärung ablaufende Wasser auch vor dem Eintritt in die Filterbettstufe in einer Belüftungsstufe mit Sauerstoff und/oder mit Luft begast werden. Liegen die Verhältnisse so, daß mit einer Rückführung des aus dem Filterbett ablaufenden Wassers gearbeitet wird, so wird dieses zweckmäßigerweise vor der Belüftung des aus der Nachklärung ablaufenden Wassers diesem wieder beigemischt, so daß im Ergebnis eine ausreichende Wassermenge und damit Sauerstoffmenge in das Filterbett eingeführt wird. Im allgemeinen wird man mit einer etwa bis zur dreifachen Rückführrate arbeiten. Im übrigen gelten die angegebenen aktuellen Filtergeschwindigkeiten von 5,0 m/sec. bis 20,0 m/sec., einschließlich Rücklaufanteil, für Trockenwetterbetrieb. Bei Regenwetterbetrieb mit Regenwasserzufluß wird zweckmäßigerweise mit einer maximalen aktuellen Filtergeschwindigkeit von 20 m/h gearbeitet und diese durch Veränderung des Rücklaufverhältnisses eingestellt. Dem Belebungsbecken kann das Abwasser ohne Vorklärung zugeführt werden.

Die erreichten Vorteile sind zusammengefaßt darin zu sehen, daß bei einer vorgegebenen Abwassermenge bei gleicher Reinigungsleistung und gleichem Energieaufwand sowie zumindest gleichem Reinigungswirkungsgrad mit wesentlich geringerem baulichen Aufwand, insbesondere Flächenaufwand, gearbeitet werden kann als bei dem bekannten gattungsgemäßen Verfahren. Das ist bezüglich der Reinigungsleistung und des Reinigungswirkungsgrades auch deshalb überraschend, weil nach der herrschenden Lehre zur Erreichung der Ablaufwerte, die den Mindestanforderungen entsprechen sollen, das Verfahren mit einer schwach belasteten Belebungsstufe, Schlammbelastung B_TS etwa 0,15, abschließen sollte. Die Erfindung weicht von dieser Praxis ab, benötigt keine schwach belastete letzte Stufe und erreicht trotzdem die geforderten Mindestablaufwerte. Sowohl die Adsorptionsstufe als auch die Filterstufe sind im Rahmen der Erfindung beide sehr hoch belastet. Die Adsorptionsstufe weist Raumbelastungen von z. B. 10 kg pro Kubikmeter und Tag, die Filterstufe solche von 6 bis 18 kg pro Kubikmeter und Tag auf. Versuche haben gezeigt, daß bei Schlammbelastungen von 3 bis 4 kg pro Kilogramm Trockensubstanz und Tag die Reinigungsleistung der Filterstufe, bei 200% Rücklauf, für den CSB bei 60% bis 62% und für den BSB bei 80% liegt. Die erfindungsgemäße Kombination der Adsorptionsstufe mit der besonders arbeitenden Filterstufe bringt bei denselben Schlammbelastungen Eliminationsleistungen für CSB von η=82% und für den BSB von η=95%.

Im folgenden wird die Erfindung durch eine Zeichnung, die ein Verfahrensschema darstellt, erläutert. Ein Ausführungsbeispiel wird angeschlossen.

Das Verfahrensschema der einzigen Figur stellt eine Anlage zur Reinigung von Abwasser, insbesondere von kommunalem Abwasser, dar. Man erkennt in dem Schema zunächst ein Belebungsbecken 1, eine Nachklärung 2 und eine Filterbettstufe 3. Das Abwasser wird in das Belebungsbecken 1 im Ausführungsbeispiel ohne jede Vorklärung bei 4 eingeführt. Aus der Nachklärung ist Überschußschlamm über 5 abziehbar. Das aus der Nachklärung ablaufende Wasser wird über 6 der Filterbettstufe 3 zugeführt und wird in der Filterbettstufe 3 physikalisch filtriert. Die Belebungsstufe 1 wird als Adsorptionsstufe (im folgenden A-Stufe) gefahren. Die Filterbettstufe 3 wird zusätzlich zu der physikalischen Filtration als belüftete, aerobe biologische Stufe gefahren. Dazu ist zwischen Nachklärung 2 und Filterbettstufe 3 eine Belüftungseinrichtung 7 angeordnet, mit der das aus der Nachklärung ablaufende Wasser mit Sauerstoff beladen wird. Das aus der Filterbettstufe 3 bis 8 ablaufende Wasser wird teilweise mit Hilfe der Rückführeinrichtung 9 nach der Nachklärung dem aus der Nachklärung ablaufenden Wasser bei 10 wieder beigemischt, wobei die Rückführeinrichtung 9 es erlaubt, mit einer bis zur dreifachen Rückführungsrate zu arbeiten. - Es versteht sich, daß der A-Stufe ein Grobrechen, ein Sandfang und ein Feinrechen vorgeschaltet sein können.

(Biologisch im aeroben Bereich arbeitende, poröse Filterbetten sind an sich bekannt (vgl. VSA-Fachtagung 1982, Vortrag Gros u. a. "Spezielle Aspekte der Filtrationstechnik . . ."), jedoch haben diese bekannten Maßnahmen zur Lösung der Erfindungsaufgabe bisher nichts beigetragen.)

Ausführungsbeispiel

Für das Beispiel von 100 000 Einwohnerwerten sollen folgende Daten gelten:

Tageswassermenge
Qd=33 000 m³/d
Spitzenstundenbelastung bei Trockenwetter	Qtr= 2000 m³/h
Spitzenbelastung bei Regenwetter	Qr= 3500 m³/h

Biologische Belastung B=100 000 · 0,060=6000 kg BSB₅/d, mittlere Zulaufkonzentration S₀=ca. 180 mg/ml BSB₅

Die einzelnen Bauwerke sind dann wie folgt auszulegen:
1. Grobrechen: konventionell
2. Sandfang: konventionell, belüftet oder unbelüftet
3. Feinrechen: konventionell
4. A-Stufe

Reinigungsleistung für den BSB₅ bei einem Sauerstoffgehalt im Belebungsbecken von 1,0 g/l O₂ ca. 55%.
5. Nachklärung

Der Schlamm der A-Stufe ist gut absetzbar, die Durchflußzeit wird deshalb auf 2,5 h zur Tagesspitzenzeit bei Trockenwetter festgesetzt. Die Durchflußzeit bei Regenwetter beträgt dann 2,5 · = 1,43 h. Der dem Schlammsammeltrichter zu entnehmende Rücklaufschlamm wird zur A-Stufe zurückgeführt, wobei die Zugabe vor dem Feinrechen erfolgt.

Die Ablaufkonzentration aus A-Stufe + Nachklärung beträgt S_A = (1-0,55) · 180=81 mg/l BSB₅.
6. Filterstufe
6.1 Belüftungsbecken

Die Durchflußzeit beträgt bei 3fachem Rücklauf bezogen auf das Tagesmittel mindestens 5 min.

6.3 Spülwasserbehälter

Die Filterregeneration ist einmal täglich vorzunehmen, und zwar durch kombinierte Luft und Wasserspülung. Für die Wasserspülung wird Filterablaufwasser genommen, das in einem Reservoir gesammelt wird. Das Reservoir braucht nur zur Spülung einer Filtereinheit bemessen zu werden. Bei einer bis zu 15minütigen Spülung mit maximal 50 m/h Spülgeschwindigkeit ist ein Reservoir von V = 27,5 · 50 · = 344 m³ erforderlich.
6.4 Spülschlammbehälter

Der Spülschlamm ist in einem ebenfalls 500 m³ großen Becken aufzufangen. Nach 20 Minuten Absetzzeit wird zunächst der eingedickte Schlamm zur Schlammbehandlung gepumpt und dann das überstehende weniger verschmutzte Wasser zum Zulauf der A-Stufe zurückgepumpt. Die Pumpen sind für eine Kapazität von 344 m³/h ausgelegt, so daß nach insgesamt ca. 1,5 Stunden die nächste Filterspülung erfolgen kann. Durch diese Anordnung braucht in den 10 höchstbelasteten Tagesstunden keine Filterspülung zu erfolgen.
7. Schlammbehandlung

Die Schlammbehandlung erfolgt konventionell durch einen Faulbehälter, ggf. mit Eindickung und Schlammentwässerung.

Zusammenfassung der Vorteile

Die Kombination aus höchstbelasteter Belebungsstufe und biologisch intensiver Filtration bietet gegenüber der konventionellen Abwasserreinigung nach dem Belebungsverfahren die folgenden Vorteile:

• - erheblich geringerer Flächenbedarf; sowohl nach deutschen als auch nach internationalen Entwurfskriterien liegt der Flächenbedarf der erforderlichen Abwasserbehandlungsbauwerke gegenüber der konventionellen Abwasserreinigung mit einer Schlammbelastung von 0,3 kg BSB₅/(kg TS · d) unter 50%.
• - Reduzierung des für den Abbau der organischen Abwasserinhaltsstoffe erforderlichen Sauerstoffbedarfs, da 1. in der A-Belebungsstufe niedere Bakterien mit einer hohen Umsetzrate tätig sind und außerdem die Reinigung überwiegend durch Adsorptionsvorgänge erfolgt und da 2. die nachfolgende Filterstufe neben dem direkten biologischen Abbau auch einen hohen Anteil physikalischen Reinigungsvermögens besitzt. Schwebstoffe und Kolloide werden sehr gut durch den biologischen Bewuchs des Filtermaterials zurückgehalten.
• - Entstehung von Blähschlamm nicht möglich, da die höchstbelastete Belebungsstufe prinzipiell einen sehr guten absetzbaren Schlamm produziert und die nachfolgende Filterstufe als Festbettreaktor vom System her ebenfalls keinen Blähschlamm erzeugt. Die Gefahr der Blähschlammentstehung und der dadurch kaum vermeidbaren Überschreitung der erlaubten Ablaufkonzentrationen ist durch die vorgestellte Verfahrenskombination ausgeschaltet.

Claims (8)

1. Verfahren für die zweistufige biologische Reinigung von Abwasser, insbesondere von kommunalem Abwasser, in einer Reinigungsanlage mit
einem Belebungsbecken für die erste biologische Stufe, die mit einer Schlammbelastung von größer als 2 kg BSB₅ pro Kilogramm Trockensubstanz und Tag betrieben wird,
einem dem Belebungsbecken nachgeschalteten Nachklärbecken, aus dem Überschußschlamm in einer solchen Menge abgezogen wird, daß der Schlamm in dem Belebungsbecken in der Einarbeitungsphase, in der Substratatmung einsetzt, gehalten wird und
mit einer zweiten aeroben biologischen Stufe, der das aus der Nachklärung abfließende Wasser zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Belebungsbecken mit einer Durchflußzeit von kleiner oder gleich 45 Min. betrieben wird und aus dem Belebungsbecken über die Nachklärung 0,5 bis 1,5 Gew.-% des arbeitenden Belebtschlammes pro Kubikmeter in die zweite biologische Stufe überführt werden und
daß für die zweite biologische Stufe ein Filterbett mit oberer, biologisch aktiver poröser Filterschicht und unterer Sandschicht eingesetzt wird,
und zwar mit den Maßnahmen, daß das aus dem Filterbett ablaufende Wasser teilweise zurückgeführt wird, daß mit einer aktuellen Filtergeschwindigkeit, einschließlich des Rückführungsanteils, im Bereich von 5 m/h bis 20 m/h gearbeitet wird, daß in dem Filterbett eine Raumbelastung von 6 bis 18 kg BSB₅ pro Kubikmeter und Tag gefahren wird und daß die biologisch aktive, poröse Filterschicht eine Schichtdicke von 10 cm, die Sandschicht eine Dicke von zumindest 75 cm aufweist, Sandkörnung 0,7 bis 1,2 mm.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Belebungsbecken mit einem Sauerstoffgehalt des Abwassers von 0,5 bis 1 mg/l gefahren wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterbett in seinem Einlauf mit einem Sauerstoffgehalt des zu filtrierenden Wassers von zumindest 6 mg/l gefahren wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Nachklärbecken ablaufende Wasser vor dem Eintritt in das Filterbett in einer zwischengeschalteten Belüftungsstufe mit Sauerstoff und/oder Luft begast wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführanteil des aus dem Filterbett ablaufenden Wassers vor der Begasung des aus dem Nachklärbecken ablaufenden Wassers diesem wieder beigemischt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Filterbett ablaufende Wasser mit einer bis zur dreifachen Rückführungsrate zurückgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Regenwasserzufluß mit einer maximalen aktuellen Filtergeschwindigkeit von 20 m/h gearbeitet und diese durch Veränderung des Rücklaufverhältnisses eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser in das Belebungsbecken ohne Vorklärung eingeführt wird.