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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen
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Oxidation von organischen Kohlenstoffverbindungen (BSB-Abbau) mit
gleichzeitiger Nitrifikation und Denitrifikation der Stickstoffverbindungen von
Abwässern ohne externe H-Donatoren für die Denitrifikation und eine Anlage zur Durchführung
des Verfahrens.
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Gattungsgemäße Verfahren sind in verschiedenen Systemausgestaltungen
bekannt, die von ihren Grundprinzipien wie folgt unterschieden werden können: -
Ein-Schlammsystem mit vorgeschalteter Denitrifikation.
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Die Reinigungseinheit besteht aus einem Belebungsbecken mit anoxischen
Milieubedingungen für die Denitrifikation im vorderen Beckenteil.
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- Ein-Schlammsystem mit simultaner oder auf Teilstrecken stattfindender
Denitrifikation.
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Der Reinigungsprozeß erfolgt im Belebungsbecken mit variablen anoxischen
Zonen für die Denitrifikation im Becken und wird durch gezieltes programmiertes
Ein- und Ausschalten von Belüftungsaggregaten in unterschiedlichen Teilen des Beckens
erzeugt.
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- Ein-Schlammsystem mit nachgeschalteter Denitrifikation und Zwischenbelüftung.
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Die Reinigungseinheit ist ein Belebungsbecken mit anoxischen Milieubedingungen
für die Denitrifikation im letzten Beckenteil. Zwischen dem Belebungsbecken und
dem Nachklärbecken wird über eine Belüftung das Stickstoffgas gestrippt und dabei
das Wasser-Belebtschlammgemisch mit Sauerstoff gesättigt, um entstandenes Ammonium
wieder zu nitrifizieren.
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- Zwei-Schlammsystem mit Nitrifikation-Denitrifikation in zweiter
Stufe.
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Die erste Reinigungsstufe ist hier allein für den Abbau von organischen
Kohlenstoffverbindungen bestimmt. Vorwiegend wird sie als hochbelastetes Belebungsbecken
oder aber auch als Biofilmreaktor ausgeführt. In der zweiten Reinigungsstufe werden
die Nitrifikationen und die Denitrifikationen durchgeführt. Hierzu dient ein Belebungsbecken
mit aeroben und anoxischen Zonen.
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Bei diesen Systemen findet die Denitrifikation ohne die Zugabe externer
H-Donatoren statt. Beim ausschließlichen Einsatz von Belebungsverfahren für vollen
biologischen BSB-Abbau, Nitrifikation und Denitrifikation sind unabhängig vom gewählten
Fließschema der Kläranlage Ergebnisse unterschiedlicher Qualität zu erzielen. Dies
betrifft insbesondere die Nitrifikation und in Abhängigkeit davon auch die Denitrifikation.
Eine gezielte und sichere Prozeßführung ist bei diesen Verfahren nicht möglich.
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Die Ammonium oxidierenden Mikroorganismen sind autotroph und ernähren
sich von CO als Kohlenstoffquelle während sie NH n -bzw. N02 als Energiequelle benutzen.
Sie wachsen sehr langsam im Vergleich mit den heterotrophen Mikroorganismen, die
für den organischen Kohlenstoffabbau verantwortlich sind. Diese nicht ausgewogenen
Wachstumsraten bedürfen des Einhaltens eines bestimmten Schlammalters im Belebungsbecken,
so daß die Uberschußschlammentnahme begrenzt ist. Bei nicht genau kontrollierter
Oberschußschlammentnahme und schlechter Wirkung der Nachklärbecken werden die Nitrifikanten
aus dem System ausgeschwemmt. Dies hat dann eine Verschlechterung des Nitrifikationsvermögens
der Belebtschlammanlage zur Folge und bewirkt die instabile Leistung der Ein- und
Zwei-Schlamm-Kläranlagensysteme bei
sonst günstigen Bedingungen.
Es hat sich gezeigt, daß die Optimierung eines Abwasserreinigungssystems für gleichzeitigen
BSB-Abbau, Nitrifikation und Denitrifikation nicht allein durch die Einführung von
drei in sich getrennten und spezialisierten Stufen erreicht werden kann. Bei solcher
Verfahrensweise konnten bisher insbesondere für die Nitrifikation und Denitrifikation
ohne externe H-Donatoren nur Belebungsverfahren vorgesehen werden. Durch einfache
Bau- und Betriebsweise sind die hierzu notwendigen aeroben Zonen für BSB-Abbau und
Nitrifikation und anoxischen Zonen für die Denitrifikation im gleichen Becken zwar
nebeneinander realisierbar aber nicht selbstregulierend.
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Drei-Schlammsysteme für getrennten BSB-Abbau, Nitrifikation und Denitrifikation
konnten bisher nur durch Zugabe von externen H-Donatoren für die Denitrifikation
betrieben werden. Aus Kostengründen haben sie deshalb keine breite Anwendung gefunden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannten Verfahren und
Anlagen für biologisch vollen BSB-Abbau, volle Nitrifikation und Denitrifikation
ohne externe H-Donatoren so zu verbessern, daß unter Verwendung geeigneter Biofilmreaktoren
die Leistungsfähigkeit und Stabilität der Kläranlagen durch eine gezielte und selbstregulierende
Prozeßführung gesteigert wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Reinigungsverfahren
mit mindestens drei getrennt hintereinander geschalteten Reinigungsstufen, daß sich
durch die Kombination folgender Merkmale auszeichnet: a) in der ersten Stufe wird
das Abwasser zur biologischen Oxidation von organischen Kohlenstoff-
verbindungen
einem an sich bekannten hochbelasteten Belebungsverfahren mit Zwischenklärung und
eigenem Belebtschlammkreislauf unterworfen b) in der zweiten Stufe wird das Abwasser
nach Durchströmen durch einen an sich bekannten Biofilmreaktor voll nitrifiziert
c) in der dritten Stufe durchströmt das Abwasser in einem Denitrifikations-Nachklärbecken
drei voneinander vertikal funktional getrennte Zonen dergestalt, daß c 1) in der
unteren Zone Schlamm eingedickt und Überschußschlamm entnommen wird, c 2) in der
mittleren Zone das Abwasser denitrifiziert wird, c 3) in der oberen Zone Schlamm
vom Abwasser abgetrennt wird, wobei Teile des Rücklaufschlamms aus der ersten hochbelasteten
Belebungsstufe mit oder ohne Eindickung mit oder ohne Auswaschen in einer Zwischenstufe
als H-Donator für die Denitrifikation mit dem nitrathaltigen Ablaufwasser des Biofilmreaktors
in die mittlere Zone des Nachklärbeckens eingebracht werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Anlage zur Durchführung
des Verfahrens aus einem mit einem Abwasserzulauf verbundenen Vorklärbecken, das
über ein Belebungsbecken mit einem Zwischenklärbecken verbunden ist, an das zueinander
parallelgeschaltet ein Biofilmreaktor und eine Eindickvorrichtung angeschlossen
sind, die ausgangsseitig mit einem Denitrifikations-Nachklärbecken mit Abwasserablauf
verbunden
sind, das drei Funktionszonen aufweist, wobei in der oberen Funktionszone Schlamm
vom Abwasser abtrennbar und in der unteren Funktionszone Schlamm eingedickt als
Uberschußschlamm entnehmbar und in der mittleren Funktionszone das Abwasser denitrifizierbar
ist.
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In Fig 1 ist ein Fließschema einer möglichen Anlage dargestellt, mit
der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
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Ferner zeigen in Diagrammen Fig. 2 die Nitrifikationsleistung eines
als Tropfkörper ausgebildeten Biofilmreaktors Fig. 3 den CSB-Abbau in einem als
Tropfkörper ausgebildeten Biofilmreaktor Fig. 4 das Denitrifikationsvermögen einer
erfindungsgemäßen Anlage.
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Die Anlage 1 besteht aus drei in Reihe hintereinander geschalteten
Stufen, wobei die erste Stufe durch das Belebungsbecken 4, die zweite Stufe durch
den Biofilmreaktor 7 und die dritte Stufe durch das Denitrifikations-Nachklärbecken
9 gebildet ist. Am Ausgang des Denitrifikations-Nachklärbeckens 9 ist über den Abwasserablauf
10 ein Nachreinigungsbecken 11 angeschlossen, das als Flotationseinrichtung und/oder
Belüftungsbecken und/oder Filterbecken ausgebildet sein kann. Über den Ablauf 12
tritt gereinigtes Abwasser aus.
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Der Anlage 1 wird das zu reinigende Abwasser über den Abwasserzulauf
3 zugeführt und gelangt zunächst in ein Vorklärbecken 2. Das Vorklärbecken 2 weist
in an sich bekannter Weise einen tiefer gezogenen Abschnitt
auf,
in dem sich Schlamm 36 absetzen kann. Von dem Vorklärbecken 2 strömt Abwasser in
ein Belebungsbecken 4, das zum BSB-Abbau dient. Das Belebungsbecken 4 ist ausgangsseitig
mit einem Fließbettreaktor 7 und einer Eindickvorrichtung 8 verbunden. Der 10 F#ließbettreaktor
7 und die Eindickvorrichtung 8 sind zueinander parallel geschaltet. Der Eindickvorrichtung
8 wird über eine Leitung 62 mit Pumpe 51 von dem am Sumpf des Zwischenklärbeckens
5 angeordneten Ablaufs 26 im Zwischenklärbecken 5 abgesetzter Schlamm zugeführt.
Der Fließbettreaktor 7 ist über eine Leitung 63 mit Pumpe 61 mit einem Ablauf 25
des Zwischenklärbeckens 5 verbunden. Als Biofilmreaktor 7 kann ein Tropfkörper,
belüfteter Tropfkörper, Scheibentauchtropfkörper, gefluteter Festbettreaktor, Fließbettreaktor
od. dgl. verwendet werden. Hierbei kann die Eigenschaft der Nitrifikanten ausgenutzt
werden, auf Oberflächen festzuwachsen. Hierdurch ist es möglich, Nitrifikanten im
Biofilmreaktor 7 aufzukonzentrieren. Es wird daher eine Abhängigkeit der Nitrifikationsleistung
von der Überschußschlammentnahme und dem Suspensa-Zurückhaltevermögen des Denitrifikations-Nachklärbeckens
9 vermieden. Der Fließbettreaktor 7 ist über einen Zuführungsleitung 46 und die
Eindickeinrichtung 8 über einen Zuführungsleitung 48 mit dem Einlauf 24 der Denitrifikationskammer
19 verbunden.
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Das Denitrifikations-Nachklärbecken 9 ist im Querschnitt kegelförmig
ausgebildet und weist drei Funktionszonen 13, 14, 15 auf. In der oberen Funktionszone
13 wird aus dem Abwasser Schlamm getrennt.
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Das so gereinigte Abwasser fließt über den Abwasserablauf 10 in das
Nachreinigungsbecken 11. In der mittleren Funktionszone 14 wird das Abwasser denitrifiziert.
In der unteren Funktionszone 15 wird Schlamm eingedickt als Überschußschlamm 16
über einen Ablauf 21 entnommen. Die zur Denitrifikation dienende
Funktionszone
14 wird durch eine oben und unten offene Denitrifikationskammer 19 gebildet, die
einen ersten total durchmischten Reaktionsraum 17 und einen weiteren nachfolgenden
Raum 18 mit nur in Schwebe gehaltenem Belebtschlamm aufweist. Zwischen dem Reaktionsraum
17 und dem nachfolgenden Raum 18 können im Strömungsfluß Umwälzpumpen od. dgl. angeordnet
sein. In dem Reaktionsraum 17 selbst sind nicht näher dargestellte Rührwerke und/oder
Umwälzpumpen angeordnet, um die totale Durchmischung zu erzielen. Im Bereich der
Funktionszone 13 des Denitrifikations-Nachklärbeckens 9 ist um die Denitrifikationskammer
19 eine perforierte Ringleitung 20 gelegt und über eine Leitung 49 mit dem Belebungsbecken
4 verbunden. Der am unteren Abschnitt des Denitrifikations-Nachklärbeckens 9 befindliche
Ablauf 21 ist ebenfalls mit dem Belebungsbecken 4 verbunden. Hierzu dient eine Leitung
50, die gemeinsam mit der Leitung 49 an eine weitere Leitung 44 angeschlossen sind.
Die Ringleitung 20 und der Ablauf 21 sind nachklärbeckenaußenseitig über jeweils
eine Beipaßleitung 22, 23 mit Pumpen 54, 55 mit dem Einlauf 24 der Denitrifikationskammer
19 verbunden. In Abhängigkeit von der Tätigkeit der Pumpen 54, 55 bzw. 52, 53 wird
so über die Ringleitung 20 abgezogenes Abwasser und über den Ablauf 21 abgezogener
Schlamm in bestimmten Mengenverhältnissen dem Einlauf 24 und dem Belebungsbecken
4 zugeführt. Zur Überwachung des Denitrifikations-Nachklärbeckens 9 dient ein Trübungs-Meß-und
Steuergerät 60, das mit in der oberen Funktionszone 13 des Denitrifikations-Nachklärbeckens
9 angeordneten Sensoren 59 verbunden ist. Das Trübungs-Meß-und Steuergerät 60 kontrolliert
den Schlammspiegel durch Steuerung der Pumpen 54, 55.
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Am Zwischenklärbecken 5 sind drei Abläufe 25, 26, 27 vorgesehen, an
die der Biofilmreaktor 7, die Eindickvorrichtung 8 und ein mit dem Belebungsbecken
4
verbundener Rücklauf 28 und ein Ablauf 29 angeschlossen sind.
In der mit dem Biofilmreaktor 7 verbundenen Leitung 63 und der mit der Eindickvorrichtung
8 verbundenen Leitung 62 ist jeweils eine Pumpe 61, 51 angeordnet. Über den am Sumpf
des Zwischenklärbeckens 5 befindlichen Ablauf 26 kann die Eindickvorrichtung 8 so
mit Schlamm beschickt werden, daß der aus dieser austretende Impfschlamm für die
Denitrifikationskammer 19 des Denitrifikations-Nachklärbeckens 9 stets in ausreichendem
Umfang zur Verfügung steht. Im Zwischenklärbecken 5 anfallender biologisch abgebauter
überflüssiger Schlamm, der nicht dem Belebungsbecken 4 wieder zugeführt werden soll,
kann über die Leitung 29 mit der Pumpe 43 abgeführt werden.
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In dem Belebungsbecken 4 sind Sensoren 32 im Abwasser angeordnet,
die zur Messung der Atmungsaktivität dienen. Die Sensoren 32 sind mit einer Regeleinrichtung
33 verbunden, die über eine Steuerleitung 35 mit einer Umwälzpumpe 34 in der Leitung
41 in Wirkverbindung steht. Die Leitung 41 verbindet die Ablaufleitung 37 des Vorklärbeckens
2 mit der Zuführleitung 64 des Belebungsbeckens 4. Schlamm 36, der nicht über die
Leitung 41 der Zuführleitung 64 zugeführt werden kann, wird über die Ablaufleitung
37 mittels der Pumpen 38 abgeführt.
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Im Vorklärbecken 2 anfallendes zu einem bestimmten Zeitpunkt überschüssiges
Abwasser kann über eine Überlauf 30 in ein Ausgleichsbecken 6 fließen, das mit Rührwerken
versehen sein kann. Vom Ausgleichsbecken 6 wird das Abwasser über eine Leitung 39
mit Pumpe 40 wieder dem Vorklärbecken 2 zugeführt.
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Durch entsprechende Schaltung der verschiedenen Pumpen 38, 40, 34,
42, 51, 52, 53, 54 ,55, 66 in Verbindung mit dem Trübungs-Mess-und Steuergerät 60
sowie der Regeleinrichtung 33 ist ein selbsttätiger
Klärprozeß
mittels der Anlage 1 möglich. Eine Voreinstellung der Anlage 1 kann beispielsweise
mittels der Drosselglieder 57, 58 erfolgen, die als Schieber od. dgl. ausgebildet
sein können. Das Drosselglied 56 wird von der Regeleinrichtung 33 betätigt. Von
besonderem Vorteil bei der beschriebenen Anlage ist es, daß bei dem Klärverfahren
Biofilmreaktoren 7 zweckmäßig im Reinigungssystem eingesetzt werden könne. Da die
Nutzung des eingedickten Belebtschlamms aus der ersten hochbelasteten Belebungsstufe
als H-Donator für die Denitrifikation erfolgt, kann die gesamte Leistung und Stabilität
eines Klärsystems mit einer Anlage 1 gegenüber bekannten Anlagen wesentlich verbessert
werden.
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Die Betriebsweise der Anlage 1 ist wie folgt. Das Abwasser fließt
nach Durchlaufen von Rechen und Sandfang über den Abwasser-Zulauf 3 in das Vorklärbecken
2. Die hydraulischen Tagesschwankungen über einen maximal zulässigen Wert werden
in das Ausgleichsbecken 6 abgeschlagen. Bei geringem Abwasseranfall wird das Ausgleichsbecken
6 entleert. Das hochbelastete Belebungsbecken 4 wird mit Hilfe der Regeleinrichtung
33 in Bezug auf die Atmungsaktivität gesteuert und so konstant belastet. Das kann
etweder durch teilweises Zuführen von Zulaufwasser in das Ausgleichsbecken 6 oder
durch Zupumpen von nicht abgesetztem Abwasser vom Abwasserzulauf 3 über die Beipaßleitung
65 mit Pumpen 66 oder durch Zupumpen von Frischschlamm direkt aus dem Vorklärbecken
2 in das Belebungsbecken 4 erfolgen. Nach dem Zwischenklärbecken 5 wird das Abwasser
auf den Biofilmreaktor 7 geleitet, um den Stickstoff auf biologischem Wege zu oxidieren.
In einer ausgeführten Anlage 1 bestand der Biofilmreaktor 7 aus Tropfkörpern.
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Der nitrathaltige Ablauf nach dem Biofilmreaktor 7 kann für die Denitrifikation
in das Belebungsbecken 4 zurückgeführt und/oder in die als Denitrifikationszone
ausgebildete Funktionzone 14 des Nachklärbecken: 9 geführt werden.
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In der als Zwischenbecken ausgebildeten Eindickeinrichtung 8 wird
der mit der Pumpe 51 aus dem Zwischenklärbecken 5 zugeführte hochbelastete Belebtschlamm
eingedickt, der als H- Donator für die Denitrifikation verwendet und durch die gesteuerte
Belastung gezielt dafür vorbereitet wird. Die weitergeleitete Menge an Ammonium
und ungereinigtem Abwasser kann verringert werden, indem diese noch in der Eindickeinrichtung
8 mit nitrathaltigem Ablaufwasser aus dem Biofilmreaktor ausgewaschen wird.
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Dabei wird das Auswaschwasser über die Leitung 44 in das Belebungsbecken
4 geführt.
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Das Denitrifikations-Nachklärbecken 9 ist konstruktiv in die Funktionszone
15 als Schlammeindickzone, die Funktionszone 14 als Denitrifikationszone und die
obere Funktionszone 13 als Klärzone unterteilt. Mit den Umwälzpumpen 54, 55 kann
der Schlamm in der Denitrifikationszone des Denitrifikations-Nachklärbeckens 9 in
Schwebe gehalten werden. Durch das Trübungsmeß- und Steuergerät 60 wird der Schlammspiegel
durch Steuerung der Pumpen 52, 53 kontrolliert.
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Zur Suspensaelimination können in einem Nachklärbecken 11 eine Flotationseinheit
und/oder Sandfilter vor dem Ablauf 12 vorgesehen werden. Der abgesetzte Schlamm
36 aus dem Zulaufwasser wird aus dem Vorklärbecken 2, der Überschußschlamm aus dem
Zwischenklärbecken 3 aus dem System über die Ablaufleitung 37 mit Pumpe 38 bzw.
den Ablauf 29 mit Pumpe 43 abgezogen.
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In den Figuren 2 bis 4 sind Meßergebnisse aufgetragen, die in einer
realisierten Anlage 1 erzielt wurden. Hierbei verdeutlicht Fig. 2 die Nitrifikationsleistung
und Fig. 3 den CSB- Abbau in einem als Tropfkörper ausgebildeten Biofilmreaktor
7. Das Denitrifikationsvermögen der Anlage 1 ist in Fig. 4 dargestellt.