DE3427448A1 - Verfahren und vorrichtung zur biologischen abwasserreinigung - Google Patents

Description

Slovenskä vysokä skola technickä ν Bratislave Bratislava, CSSR

Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Abwasserreinigung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum biologischen Aktivierreinigen von Abwässern, die stickstoffhaltige Stoffe enthalten bei wenig belastetem Schlamm unter gleichzeitiger Nitrifikation des organischen Stickstoffs und des Ammoniaks zu Nitraten und bei Anwendung einer Fluidfiltration.

Zur Steigerung des Reinigungsgrades bei der Abwasseraufbereitung genügt es nicht mehr nur die organischen Verunreinigungen und Feststoffe abzuscheiden, sondern es sollen auch die problematischen Stickstoffverbindungen

entfernt werden. Die Mehrzahl der Abwasser enthält Stickstoffverbindungen, die in der Regel als organisch gebundener Stickstoff oder Ammoniak vorliegen. Durch aerobes Aktivierreinigen bei wenig belastetem Belebtschlamm kann der organisch gebundene Stickstoff und Ammoniak durch mikrobiale Nitrifikationsvorgänge zu Nitraten überführt werden. Die Gegenwart von Nitraten in der Aktivmischung führt jedoch zu einer wesentlich verschlechterten Wirkungsweise der Reinigungsanlagen wegen der Flotation des Schlammes.

Wenn der Aktivschlamm vom Klarwasser durch Fluidfiltration abgeschieden wird, ist dieser Umstand besonders gravierend. Die Ursache der Flotation des Schlammes sind Denitrifikationsvorgänge im Fluidfilter, in dem gasförmiger Stickstoff freigesetzt wird, der in Form von Blasen an Teilchen des Aktivoder Belebtschlamms haftet, wodurch diese Teilchen aufschwimmen. Diese Schlammflotation entsteht bei Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff in der Fluidfilterschicht und ist um so deutlicher, je höher die Temperatur der Belebtschlammmischung ist, weil sich die Intensität der Denitrifikationsvorgänge mit steigender Temperatur erhöht.

Da bei den meisten Abwässern der Stickstoffgehalt für intensive Denitrifikationsvorgänge im fluiden Filter ausreicht, tritt der unerwünschte Flotationseffekt in größerem oder kleinerem Maß bei nahezu allen Abwässern auf, die biologisch bei wenig belasteter Aktivation und gleichzeitiger Nitrifikation gereinigt werden. Zum Erzielen einer merkbaren Flotation genügt ein Inhalt von 10 mg/1 N-NO^ in der Aktivmischung. Diese Konzentration ist praktisch bei allen Abwässern vorhanden, die Spülwässer inbegriffen, die bei wenig belasteter Aktivation gereinigt werden. Aus diesem

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Gründe ist man bestrebt, die Denitrifikationsvorgänge im Fluidfilter zu unterdrücken, um die Abscheidewirkung des Filters zu steigern. Dies kann durch Erhöhen des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff im Belebtschlamm erfolgen, wodurch eine ausreichende Sauerstoffzufuhr auch in die Fluidfilterschicht gesichert wird. Ferner kann auch die Verweilzeit der Belebtschlamm- bzw. der Aktivmischung im Fluidfilter durch Verringern seines Rauminhaltes herabgesetzt werden. Da der Raum des Fluidfilters für seine richtige Wirkungsweise einen sich nach oben erweiternden Querschnitt benötigt, d. h. in der Praxis die Form eines Kegels oder Prismas hat, ist der Rauminhalt des Fluidfilters stark von seiner Höhe abhängig.

Um die Bedingungen zur Freisetzung von gelöstem Sauerstoff zu vermeiden, muß die Oberfläche des Fluidfilters in kleiner Höhe gehalten werden, die dessen kleinen Gehalt sichert, wo der Säuerstoffvorrat für ein Erhalten von Bedingungen unter Gegenwart von gelöstem Sauerstoff genügt. Eine möglichst weitgehende Vermeidung der durch Denitrifikation verursachten Flotationsvorgänge hat jedoch große Nachteile. Ein Unterdrücken der Denitrifikation durch Erhöhen der Sauerstoffzufuhr im Fluidfilter durch Steigerung seiner Konzentration in der Aktivmischung erhöht den Energieaufwand für die Belüftung. Eine Verringerung der Verweilzeit der Aktivmischung im Fluidfilter durch Verkleinerung seines Rauminhaltes setzt die hydraulische Kapazität des Abscheiders herab, denn durch Verringerung des Abscheidervolumens wird auch seine Abscheidefläche verkleinert, was die Kapazität der ganzen Anordnung verringert.

Außer diesen Nachteilen bringt ein Beibehalten der Sauerstoffzufuhr im Fluidfilter weitere Nachteile insbesondere

bei komplexen Systemen der Belebtschlammreinigung von Abwässern mit gleichzeitiger Nitrifikation und Denitrifikation. Bei der Denitrifikation unter Verwendung eines einheitlichen Belebtschlammes erfordert ein gewisser Sauerstoffanteil in der Aktivmischung ein Vergrößern des Denitrifikationsraumes, weil eine bestimmte unerwünschte Sauerstoffmenge in den Denitrifikationsraum durch die Zirkulation der Aktivmischung zwischen der belüfteten und nichtbelüfteten Aktivierzone eingeführt wird.

Ein Beheben dieser Nachteile und eine gleichzeitige Steigerung des Reinigungswirkungsgrades ist das Ziel der Erfindung.

Das Wesen des erfindungsgemaßen Verfahrens beruht darin, daß die Abwässer nach einer Aktivierreinigung unter Sauerstoffzufuhr oder nach abwechselndem Aktivierreinigen ohne und mit Sauerstoffzufuhr im Verlauf der Fluidfiltration durch Denitrifikation ohne Säuerstoffgegenwart nachgereinigt werden, wobei der gebildete Flotationsschlamm wenigstens teilweise in das aerobe Aktivierreinigen rezirkuliert wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Reinigung stickstoffhaltiger Abwasser nach dem Belebtschlammverfahren enthält einen Raum für Fluidfiltration, dessen Durchflußquerschnitt zwischen einer oder mehreren Trennwänden sich nach oben erweitert und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Fluidfilters sich wesentlich im Niveau der größten Erweiterung des Filtrationsraumes befindet und durch eine Abdeckung mit öffnungen mit vorgeschalteten Schirmwänden überdeckt wird, um das Eindringen des flotierten Schlammes über diese öffnungen zu verhüten und den Filtrationsraum mit dem höher angeordneten Abzugssystem des gereinigten

Wassers zu verbinden, wobei unter dem mittleren Scheitelteil der Abdeckung, die mit einem Gasaustritt versehen ist, unterhalb des Niveaus des gereinigten Wassers eine oder mehrere Eintritte einer Anordnung für den Abzug des ausflotierten Schlammes angeordnet sind und unterhalb der Oberfläche des Fluidfilters eine oder mehrere Eintritte einer Pumpanordnung für den Abzug der oberen Schicht des Fluidfilters angeordnet sind.

Vom Standpunkt der Konstruktion und Wirkungsweise ist eine Ausführung für den Abzug des ausflotierten Schlammes vorteilhaft, die durch wenigstens eine Mammutpumpe gebildet wird, deren Austritt eine trichterförmige nach oben offene Form besitzt und deren Austritt mit dem Aktivierraum verbunden werden kann, allfällig auch mit einer Abfuhr des überschüssigen aktivierten Schlammes, und ferner eine Pumpanordnung für den Abzug der oberen Schicht des Fluidfilters, die durch wenigstens eine Mammutpumpe gebildet wird, deren Eintritt eine nach oben offene trichterförmige Form besitzt und deren Austritt mit dem Aktivierraum verbunden werden kann.

Gemäß einem weiteren zweckmäßigen Merkmal mündet der Austritt in einen Entlüftungsbehälter, der an eine Abfuhr angeschlossen ist, die eine verschließbare Verbindung mit dem Aktivierraum bildet, wobei an diese Abfuhr allfällig auch eine verschließbare Abfuhr des überschüssigen aktivierten Schlammes angeschlossen ist und ferner daß in den Entlüftungsbehälter gleichzeitig der Austritt des ausflotierten Schlammes mündet.

Bei stehenden kreisförmigen Anordnungen mit vertikaler Achse ist eine Ausführung vorteilhaft, bei der die Ab-

deckung wesentlich, eine konische oder domförmige Form besitzt, wohingegen bei einer liegenden Anordnung mit länglichem Abscheideraum eine Lösung vorteilhaft ist, bei der die Abdeckung ein längliches, z. B. zylindrisches Gewölbe bildet, das aus Wellmaterial, z. B. aus Blech, Laminat od. dgl. hergestellt ist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Axialschnitt einer biologischen Kläranlage von kreisförmigem Querschnitt,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt einer ähnlichen horizontalen Kläranlage mit rechteckigem Grundriß,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt einer horizontalen Kläranlage mit rechteckigem Grundriß mit einem System von nebeneinander angeordneten Aktivier- und Abscheideräumen,

Fig. 4- eine Abdeckung aus Wellmaterial im Schnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält einen zylindrischen Behälter mit einem Mantel 1 und einem Boden 2. Im oberen Behälterteil ist ein Abscheider 3 für den Belebtschlamm mit einem Fluidfilter vorgesehen. Der Abscheider 3 ist am Mantel 1 mittels Konsolen 4 befestigt oder kann durch nicht dargestellte Stützen getragen werden, die am Boden 2 angeordnet sind. Der Rest des Behälterinnenraumes dient als Aktivierraum 5-

Der Aktivierraum 5 ist für aerobe Aktiviervorgänge mit Belüftungssystemen ausgestattet, die z. B. aus einem nicht dargestellten Lüfter, Verteilerleitungen 6 und Belüftungselementen 7 bestehen können.

Im Boden 2 ist ein verschließbarer Schlammablauf 8 vorgesehen, der ein Entleeren des Behälters ermöglicht.

Der Abscheider 3 wird durch eine sich nach oben erweiternde Trennwand 9 begrenzt, die vorteilhaft konisch verläuft, wodurch sich der Durchflußquerschnitt des Abscheiders 3 nach oben erweitert. Im oberen Teil geht die Trennwand 9 in einen zylindrischen Ansatz über und mündet unten in einen vertikalen Kanal 11, der in den unteren Teil des Aktivierraums 5 führt.

Im Abscheideraum 3 sind Umlaufkanäle 12 von vorteilhaft kreisförmigem nach oben abnehmendem Querschnitt vorgesehen, die an die Trennwand 9 anliegen. In der Trennwand 9 und in den Umlaufkanalen 12 sind in ihren oberen Abschnitten Einlauföffnungen 13 vorgesehen. Die Austrittsöffnungen 14 der Umlaufkanäle 12 befinden sich im unteren Teil des Abscheiders 3 kurz vor seiner Mündung in den Fallkanal 11. Der Querschnitt der Umlaufkanäle 12 erweitert sich in Richtung nach unten.

Der obere Teil des Abscheiders 3 ist mit einer Abdeckung 15 versehen, die seinengrößtenDurchflußquerschnitt überdeckt. In der Abdeckung 15 sind Öffnungen 16 mit vorgeschalteten Schirmwänden 17 vorgesehen, um das Eindringen von Flotationsschlamm über die öffnungen 16 in das obere Abzugssystem für Klarwasser zu verhindern. Am zylindrischen Ansatz 10 ist eine zylindrische Tauchwand 18 mit öffnungen 18'

befestigt, die zusammen mit dem Ansatz 10 einen ringförmigen Sammelkanal 19 für das Klarwasser bilden und mit einem Ablauf 20 verbunden ist.

Am Scheitel des konischen Raumes unterhalb der Abddckung 15, d. h. in seinem mittleren Teil, ist ein Gasaustritt 34- vorgesehen und unter dem Klarwasserspiegel 21 befindet sich eine Anordnung zum Abziehen des Flotationsschlammes. Diese Anordnung enthält vorteilhaft eine Mammutpumpe 23 mit einer Luftzufuhr 24- und einem Verschluß 24-', der an einen nicht dargestellten Zeitschalter angeschlossen ist. Im Abscheider 3 ist eine weitere Pumpanordnung 30 vorgesehen, die eine Mammutpumpe mit einem Trichtereinlauf 31 enthält, der sich unterhalb der Oberfläche 25 des Fluidfilters befindet. In der Luftzufuhr für diese Mammutpumpe 30 ist ein Verschluß 24" vorgesehen, der an einen weiteren, nicht dargestellten Zeitschalter angeschlossen ist. Die Auslässe 35 und 36 der Mammutpumpen23 und 30 münden in einen Entlüftungsbehälter 33 niit einem Abzug 28, der in den Aktivierraum 5 oder in den nach außen führenden Ablauf 32 mündet. An der Stelle des größten Querschnitts des Abscheiders 3 befindet sich die Oberfläche 25 des Fluidfilters. Somit kann sich das Oberflächenniveau des Fluidfilters auch oberhalb der Höhe des Anschlusses der Trennwand 9 an den Ansatz 10 in beliebiger Höhe des Ansatzes 10 befinden, wo sich der Durchflußquerschnitt des Abscheiders 3 praktisch nicht mehr ändert. Eine derartige Ausführung ist zum Erzielen einer maximalen Verweilungszeit der Flüssigkeit im fluiden Filter vorteilhaft. Das Rohwasser wird in den Aktivierraum 5 über einen Zulauf 26 oben zugeführt, der zwischen dem Mantel 1 und dem Ansatz 10 mündet.

Die Anordnung gemäß Pig. 1 ist nicht auf eine zylindrische Form des Mantels 1 und auch nicht auf eine Anwendung eines einzigen Abscheiders 3 im Behälter beschränkt. Die Behälterform kann z. B. rechteckig sein. Die Zahl der Abscheider 3 kann Je nach der Behältergröße gewählt werden, es muß jedoch wenigstens ein Abscheider 3 vorhanden sein. Die Form des Abscheiders 3 ist auch nicht auf eine Rotationsform beschränkt; für rechteckige Behälter kann vorteilhaft auch der Abscheider 3 eine rechteckige Form haben. Die hydraulische Anordnung der Umleitung der Aktiviermischung aus dem Aktivierraum 5 in den Abscheider 3 kann gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Anordnung unterschiedlich sein. Mögliche Anordnungen können z. B. einen unterhalb der Trennwand 9 angeordneten Umlaufkanal oder auch einen zentralen Umlaufkanal u. dgl. aufweisen.

Ähnlich kann auch die Anordnung 23 für den Abzug des Flotationsschlammes durch mehrere Pumpen, vorteilhaft Mammutpumpen mit selbständigen Einlassen 22 und Auslässen 35 ausgeführt werden. Ferner kann auch die Pumpenanordnung 30 für das Abziehen der oberen Schicht des Fluidfilters durch mehrere Mammutpumpen mit selbständigen Ein- 31 und Auslassen 36 gebildet werden. Derartige Anordnungen sind für Kläranlagen mit horizontaler Aktivation und Abscheideräumen vorteilhaft, die in der Regel einen rechteckigen Grundriß besitzen.

Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet folgendermaßen, Rohwasser wird über die Zufuhr 26 dem Aktivierraum 5 von oben seitlich zugeführt. Da die in Fig. 1 dargestellte Anordnung für aerobes Reinigen von Abwässern ausgelegt ist, befindet sich im Aktivierraum 5 ©in Belüftungssystem, über das Luft in die Belebtschlammischung durch die Belüftungselemente 7 zugeführt wird. Zur Luftverteilung auf die Belüftungselemente

dient die Verteilerleitung 6, die an einen nicht dargestellten Lüfter angeschlossen ist. Die Anordnung ist nicht auf dieses pneumatische Belüftungssystem beschränkt, sondern es können auch andere geeignete Belüftungssysteme, z. B. ein hydraulisches Belüftungssystem angewandt werden.

Durch aerobe Aktiviervorgänge wird das Wasser bei Biodegradation organischer Stoffe bei Entstehen einer Biomasse gereinigt, welche vom gereinigten Wasser abgeschieden werden muß. Dazu dient der Abscheider 3» in dem die flockenartige Suspension des Belebtschlamms vom Klarwasser getrennt wird und die abgeschiedene Suspension wird wieder dem Aktiviervorgang zurückgeführt.

Das Abscheiden des Belebtschlamms und seine Eückführung verläuft folgendermaßen. Die Aktiviermischung, d. h. die Belebtschlamm-Wassersuspension tritt in den Abscheider 3 über die öffnungen 13 ein und wird über die Umlaufkanäle 12 in den unteren sich verengenden Teil des Abscheiders 3 geführt, in den sie über Auslaßöffnungen 14 der Umlaufkanäle 12 eintritt. Durch die Wirkung des Klarwasserabzugs über den Sammelkanal 19 wird die Strömungsrichtung der Aktiviermischung nach den Auslaßöffnungen 14 nach oben in den sich erweiternden Raum des Abscheiders 3 umgelenkt und im aufsteigenden Strom bildet sich ein Fluidfilter aus der flockenartigen Suspension des Belebtschlamms. Durch Adhäsionskräfte werden Belebtschlammteilchen aufgefangen und koagulieren zu größeren Teilchen, die von der aufsteigenden Strömung nicht mehr in der Schwebe gehalten werden, sondern als verdickter Schlamm durch Schwerkraft in den unteren Teil des Abscheiders 3 zurückkehren und über den Eallkanal 11 in den Aktivierraum 5 zurückfallen.

Solange die hydraulische Belastung nicht einen bestimmten Wert überschreitet, der vom Charakter der Suspension abhängt, bildet sich eine Oberfläche 25 des Fluidfilters, über der sich eine Zone gereinigten Wassers ohne Suspension befindet.

Da die Abdeckung 15 den ganzen Durchflußquerschnitt des Abscheiders 3 überdeckt, kann die Oberfläche 25 des Fluidfilters bis zur Höhe des größten Durchflußquerschnitts ansteigen, wodurch sich die wirksame Abscheidefläche vergrößert, die dem größten Grundriß des Abscheiders 3 entspricht.

Die Öffnungen 16 in der Abdeckung 15 dienen einem gleichmäßigen Abzug des gereinigten Wassers - ohne ausflotiertem Schlamm -, das über Öffnungen 18' in der oberen Wand 18 in den Sammelkanal 19 und von dort in den Ablauf 20 fließt. Um das Eindringen des Flotationsschlamms in die öffnungen 16 zu verhüten, sind die Schirmwände 17 vorgesehen, die den Einlauf des gereinigten Wassers ermöglichen.

Die Fluidfiltration verläuft größtenteils ohne Sauerstoffzufuhr, was durch Vergrößerung des Raumes und durch Herabsetzen der Sauerstoffzufuhr in den Teil der Aktiviermischung erreicht wird, der in den Abscheider 3 und damit in den Fluidfilter eintritt. Der Sauerstoffgehalt wird auf einen Wert eingestellt, der für den Verlauf der biodegradierenden und nitrifizierenden Vorgänge beim Aktivierreinigen des Wassers benötigt wird.

Die so gebildeten Bedingungen in der Fluidfilterschicht ermöglichen dann einen Verlauf der Denitrifikationsvorgänge, in denen die Nitrate zu gasförmigem Stickstoff reduziert

werden. Als Geber von Wasserstoff für enzymatische Denitrifikationsvorgänge dienen restliche organische Verunreinigungen des gereinigten Wassers, oder die organische Masse der Biomasse.

Das Denitrifikationsverfahren direkt im Fluidfilter bietet gleich eine Eeihe von Effekten. Der hauptsächliche Effekt ist eine Steigerung des Wirkungsgrades, insbesondere das Entfernen von Nitraten, unter gleichzeitigem Verringern auch organischer Verunreinigungen. Ein anderer Effekt ist eine wesentliche Steigerung der Abscheidekapazität durch Vergrößern der wirksamen Abscheideoberfläche und des Filterraumes. Ein weiterer Effekt ist die Verringerung der Sauerstoffkonzentration in der Aktiviermischung für einen Erhalt anaerober Bedingungen im Fluidfilter. Schließlich verringert sich auch der Energieverbrauch für das Belüften.

Die Ausbildung einer Zone ohne Sauerstoffzufuhr im Fluidfilter mit dort verlaufenden Denitrifikationsvorgängen führt jedoch zur Erzeugung von gasförmigem Stickstoff, der in Form feiner Gasbläschen an der Oberfläche aufsteigt oder direkt an Schlammteilchen angelagert wird. Die Gasbläschen setzen das spezifische Gewicht des Belebtschlamms herab, wodurch zwei Erscheinungen auftreten. Leichte Schlammteilchen mit anhaftenden Gasteilchen haufen sich in der oberen Schicht des fluiden Filters, wo sie stagnieren und dessen Volumen wesentlich erhöhen. Diese Schicht steigt während des Betriebs fortlaufend an, wodurch sich die Oberfläche des Fluidfilters erhöht, was ein fortlaufendes Verringern der Klärleistung bewirkt, oder es kommt zu einer Qualitätsminderung des gereinigten Wassers durch Eindringen einer relativ großen Schlammenge in den Klarwasserablauf.

Bei größerer Menge an angelagertem Stickstoff werden die Schlammteilchen leichter als Wasser und es kommt direkt zu einer Flotation dieser Teilchen. Durch Denitrifikation im Fluidfilter können Nitrate in einer Menge von 10 bis 30 Milligramm pro Liter entfernt werden. Dabei entsteht eine so große Menge an gasförmigem Stickstoff, daß die Flotation des aktivierten Schlamms das Erzeugen der Biomasse übersteigt und der Flotationsschlamm in den Aktivierraum zurückgeführt werden muß.

Für den Abzug der stagnierenden oberen Schicht des Aktivschlamms und seine Rückführung in den Aktivationsvorgang dient die Mammutpumpe 30 mit trichterförmigem Einlauf 31« der unterhalb der Oberfläche 25 des Fluidfilters angeordnet ist. Der umgepumpte Aktivschlamm der stagnierenden Schicht kehrt in die Aktivation über den Expansionsbehälter 33 und den Abzug 28 zurück, der in den oberen Teil des Aktivierraums 5 mündet. Das Entfernen der stagnierenden Schicht wird periodisch, binnen eines oder mehrerer Tage ausgeführt, je nach der Intensität dieses Vorgangs, der für verschiedene Wasser unterschiedlich ist. Das Bestimmen des Zeitintervalls wird am besten anhand konkreter Bedingungen ausgeführt.

Für ein Erfassen des flotierenden Schlammes und für seine Rückführung in die Aktivation dient die Abdeckung 15» die eine Konzentration des Schlamms in ihrem mittleren erhöhten Teil gestattet, von wo er mittels der Mammutpumpe 23 mit trichterförmigem Eintritt unter dem Niveau 21 des gereinigten Wassers in den Aktivierraum umgepumpt wird.

Der Abzug des ausflotierten Schlammes wird in kürzeren Zeitintervallen, in der Größenordnung von Stunden ausgeführt, damit der ausflotierte Schlamm noch dünnflüssig ist und sich

keine dickflüssige Schicht bildet, die Schwierigkeiten beim Umpumpen bereiten würde. Ein selbsttätiges Umpumpen des ausflotierten Schlammes und der stagnierenden Schicht wird durch Anschluß der Verschlüsse 24' und 24" an die Luftzufuhr 24 für die Mammutpumpen an nicht dargestellte Zeitschalter gesichert. Der überschüssige aktivierte Schlamm wird gleichfalls durch die Mammutpumpe 25 über den mit einem Schieberverschluß 29 versehenen Ablauf 52 abgeführt.

Die Denitrifikationsintensität wird außer von anderen Parametern auch von der Verweilungszeit des gereinigten Wassers im Pluidfilter ohne Sauerstoffzufuhr bestimmt. Die Verweilungszeit und andere Parameter steigen mit der Höhe der Oberfläche des Fluidfilters infolge der Vergrößerung seines Volumens mit der dritten Potenz der Höhe an. Das Abdecken des ganzen Durchflußquerschnitts des Abscheiders 5 mit der Möglichkeit einer Rezirkulation des ausflotierten Schlamms zurück in den Aktivationsvorgang erhöht wesentlich die dynamische Belastungskapazität des Abscheiders 5.

Mit dem beschriebenen Verfahren und Anordnungen kann der Wirkungsgrad beim Entfernen von Nitraten unter gleichzeitigem Beseitigen restlicher organischer Verunreinigungen gesteigert werden. Dies gilt besonders für weniger verunreinigte Wasser mit Stickstoffgehalten von mehreren Zehnern von mg/1.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführung beschränkt, sondern kann vorteilhaft auch zum Aktivierreinigen von Abwässern mit gleichzeitiger Denitrifikation Anwendung finden.

Industrieabwässer, z. B. aus der Lebensmittelindustrie, z. B. aus Schlachthöfen, Molkereien u. dgl. oder aus der chemischen

Industrie, ζ. B. aus Kokereien und petrochemischen Anlagen, sowie zootechnische Abwasser enthalten eine relativ hohe Konzentration an stickstoffhaltigen Verunreinigungen. Mit Rücksicht auf die angestrebte wiederholte Verwendung der gereinigten Wasser für technologische Zwecke müssen diese nicht nur von kohlenstoffhaltigen, sondern auch von stickstoffhaltigen Stoffen gereinigt werden.

Zum Entfernen von stickstoffhaltigen Verunreinigungen in Form von organischen Stickstoffverbindungen und Ammoniak wird ein biologisches Aktivierreinigen mit gleichzeitiger Oxidation des organischen Stickstoffs aus dem Ammoniak zu Nitraten durch aerobe Nitrifikationsvorgänge und folgender Reduktion der entstandenen Nitrate durch Denitrifikationsvorgänge zu gasförmigem Stickstoff angewendet.

Meist wird das Aktivreinigen mit gleichzeitiger Nitrifikation und Denitrifikation mit einheitlich aktiviertem Belebtschlamm durchgeführt, der abwechselnd Bedingungen mit und ohne Sauerstoffzufuhr ausgesetzt ist. Bei Sauerstoffzufuhr erfolgt die Nitrifikation und ohne Sauerstoffzufuhr die Denitrifikation. Da die Denitrifikationsvorgänge organische Stoffe als Geber von Wasserstoff für enzymatisch mikrobiale Vorgänge benötigen, wird beim komplexen Aktivreinigen mit einheitlichem Schlamm Rohwasser mit einem Gehalt organischer Stoffe in die anaerobe Denitrifikationszone zugeführt. Im Denitrifikationsraum müssen Bedingungen ohne Gegenwart von gelöstem Sauerstoff erzielt werden, die bei Durchfluß der Aktivmischung durch die Denitrifikationszone ohne Sauerstoffzufuhr entstehen, nachdem Mikroorganismen des Aktivschlamms den in der Aktivmischung enthaltenen Sauerstoff verbrauchen. Bei Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff entnehmen die Mikroorganismen den Sauerstoff aus Nitraten,

die so zu gasförmigem Stickstoff zerlegt werden, wodurch die Stickstoffverbindungen aus dem gereinigten Wasser definitiv beseitigt werden.

Zum komplexen Aktivreinigen mit Denitrifikation wird die in Fig. 1 dargestellte Anordnung mit einem nicht dargestellten Denitrifikationsraum ergänzt, der mit dem Aktivierraum mittels eines Zirkulationskreises in Verbindung steht. Der Wirkungsgrad der Nitratabscheidung bei einem derartigen System ist durch die Zirkulationsintensität der Aktivmischung zwischen der aeroben und anaeroben Zone gemäß der folgenden Gleichung gegeben.

'HO,

1 + η

wo C^₀ die Konzentration von NCU im gereinigten Wasser angibt, C^₀ die Konzentration bei Nullzirkulation und η

3
die Zirkulation der Aktivmischung, ausgedrückt in einem

Vielfachen der Menge Q des gereinigten Wassers.

Das bedeutet, daß zum Entfernen von 90 % der Nitrate eine Zirkulationsintensität von 9Q benötigt wird. Bei höheren Konzentrationen der Stickstoffverunreinigung in der Größenordnung von 10 bis 1Cr mg/1 N-NCU und der Forderung ihrer Herabsetzung bis auf 10 mg/1 N-ITCU₁ ist die Zirkulationsintensität unproportional hoch, was die Anlage in zweifacher Weise kompliziert. Es vergrößern sich der energetische Aufwand und die Abmessungen des Denitrifikationsraumes. Ein Vergrößern des Denitrifikationsraumes folgt aus

der großen Menge von Sauerstoff der in die Denitrifikation mit der Aktivmischung eingetragen wird bei intensiver Zirkulation zwischen der aeroben und anaeroben Aktivzone. Die Größe des Denitrifikationsraumes richtet sich daher einmal nach dem Gehalt an stickstoffhaltigen Verunreinigungen und vor allem nach der Zirkulationsintensität und der Menge des in der Aktivmischung gelösten Sauerstoffs, die in die Denitrifikation eintritt. Die Steigerung des Energieaufwandes folgt aus der intensivierten Zirkulation und auch aus der Vergrößerung des Denitrifikationsraums, da entsprechend größere Mengen an Aktivmischung bewegt werden müssen, um ein Sedimentieren des Aktiv- bzw. Belebtschlamms zu vermeiden.

Aufgrund dieser Voraussetzungen ist das Beseitigen von Nitraten auf einen geforderten Wert für eine wiederholte Verwendung des gereinigten Wassers als technologisches Wasser sehr kostspielig, denn es erfordert einen ungemein hohen Energieaufwand und große Abmessungen der Anordnungen.

Durqh ein Denitrifikationsverfahren im Fluidfilter nach vorangehender Senkung des Nitratgehaltes durch die erwähnte Denitrifikationstechnologie können jedoch Abmessungen für die Denitrifikation und gleichzeitig der Energieaufwand durch Verringern der Zirkulationsintensität der Aktivmischung wesentlich verringert werden. Der Energieaufwand für Mischen im Denitrifikationsraum sinkt und die Sauerstoffkonzentration in der Aktivmischung wird herabgesetzt. Die Denitrifikation im Fluidfilter stellt so eine zweite Denitrifikationsstufe dar mit der Möglichkeit einer wesentlich wirtschaftlicheren Abscheidung der Nitratreste als bei einer einstufigen Denitrifikation.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 hat der sonst der Ausführung nach Fig. 1 entsprechende Behälter einen rechtwinkligen Grundriß. Daraus folgen gewisse Änderungen der Konstruktion, wenn auch alle wesentlichen Teile beibehalten bleiben. Im Behälter mit dem Mantel 1 und dem Boden 2 sind ein oder mehrere Abscheider 3 vorgesehen, die einen rechteckigen Grundriß haben können. Die hydraulische Anordnung für das Umleiten der Aktivmischung aus dem Aktivierraum 5 iⁿ den Abscheider 3 und das Zurückführen des verdickten Aktivschlamms aus dem Abscheider 3 zurück in den Aktivierraum ist grundsätzlich dieselbe wie bei Fig. 1. Ein einziger Umlaufkanal 12 wird von der Wand 27 und der Trennwand 9 des Abscheiders 3 begrenzt. Eine Änderung gegenüber Fig. 1 ist auch die Ausführung der Abdeckung 15» die hier die Form eines länglichen Gewölbes hat und vorteilhaft aus Wellmaterial, z. B. aus Blech, Glaslaminat u. dgl., mit dem Querschnitt nach Fig. 4- besteht, was die Steifheit der Konstruktion sichert. Die Abdeckung 15» die die ganze Durchflußfläche des Abscheiders 3 verdeckt, ist ähnlich wie im vorangehenden Fall mit Durchlauföffnungen 16 versehen, die gegen Eindringen des FlotationsSchlamms durch Schirmwände 17 abgeschirmt sind, jedoch den Wasserdurchlauf in das Abzugssystem ermöglichen.

Zum gleichförmigen Ablauf des Klarwassers dient ein länglicher Sammelkanal 19, der durch den Ansatz 10 und die parallele Tauchwand 18 gebildet wird, welche an der Abdeckung 15 befestigt ist, wobei die trogförmigen Kanäle der wellförmigen Abdeckung 15 mit der Tauchwand 18 Öffnungen 18^f bilden.

Das Abzugssystem für den ausflotierten Schlamm enthält bei dieser Anordnung einen Abzug 22 in Form eines Sammeltrogs,

der an den Einlauf einer oder mehrerer Mammutpumpen 23 angeschlossen ist, deren Auslässe 35 wie bei der Anordnung nach Fig. 1 in den Aktivierraum 5 münden.

Im Abscheider 3 sind ferner eine oder mehrere Mammutpumpen 30 mit einem oder mehreren Einlassen 31 unterhalb der Oberfläche des Fluidfilters vorgesehen. Der oder die Auslässe 36 sind ähnlich wie gemäß Fig. 1 ausgeführt.

Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist dieselbe wie die der Anordnung nach Fig. 1.

Die Anordnung mit rechteckigem Grundriß der Behälter und einer horizontalen Ausführung gemäß Fig. 2 ist nicht auf die beschriebene Anordnung beschränkt, sondern kann vorteilhaft auch für andere Konstruktionen angewendet werden, z. B. wo in einem Behälter nebeneinander oder hintereinander mehrere Abscheider 3 mit rechteckigem Grundriß vorgesehen sind, wobei die Trennwände 9 dieser Abscheider eine selbsttragende Konstruktion bilden, wie dies in Fig. 3 angedeutet ist.

Bei dieser, für große leistungsfähige Anlagen ausgelegten Ausführung haben die Abdeckungen 15 eine längliche Bogenform aus Wellmaterial, was ihre Steifigkeit erhöht. Auch für Trennwände ^₁ die hier nicht nur die Abscheider 3» sondern auch die Umlaufkanäle 11 und auch einen wesentlichen Teil der Aktivierräume 5 bestimmen, wird vorteilhaft Wellmaterial verwendet. Die Abdeckung 15 bildet einen Bestandteil der selbsttragenden Konstruktion der Abscheider 4-, was wesentlich zu einer hohen Festigkeit der ganzen Konstruktion der Einbauten beiträgt, und die Gewichtsaufnähme des ganzen Sammelsystems des gereinigten Wassers ermöglicht. Das ist

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für Großanlagen wichtig, deren große Behälterlängen auch großvolumige Sammelkanäle 19 erfordern, die sonst schwer an der Konstruktion der Anordnung verläßlich befestigt werden könnten.

Das beschriebene Klarwasser-Sammelsystem , die Abdeckung 15, der Schlammabzug der Einlauftrichter 22 und die Mammutpumpen 25 und 30 für die Abfuhr der oberen Schicht fluider Filter, benötigen keinen Zutritt für das Bedienungspersonal, wodurch Wartungsstege gespart werden, wodurch sich das Konstruktionsgewicht und die Baukosten verringern und die Gesamtfestigkeit erhöht. Die Abscheider 3 können lediglich aus Trenn- und Leitwänden ausgeführt werden, ohne besondere Druckbelastung. Die Funktion dieser Anordnung ist grundsätzlich dieselbe wie die der anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Anordnungen.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 ist besonders zum Reinigen großer Mengen gering verunreinigter Abwasser geeignet, z. B. von kommunalen Abwässern. Reinigungsanlagen dieser Art sind üblich an ein gemeinsames Kanalnetz angeschlossen, was enorme Ansprüche an die hydraulische Belastbarkeit der Anordnung während einer Spitzenbelastung bei Regen bedeutet. Die beschriebene Anordnung kann mit einer Oberfläche ihres Fluidfilters in der Höhe des maximalen Durchflußquerschnitts des Abscheiders arbeiten, ohne Gefahr einer Verschlechterung des Wirkungsgrades durch Eindringen von Flotationsschlamm in die Abscheider.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch die Möglichkeit einer Steigerung der hydraulischen Kapazität beim Reinigen üblicher Abwässer, z. B. städtischer Abwasser gegenüber herkömmlichen Anordnungen, bei denen die

Flotation unter normalen Bedingungen wegen der Gasbildung im Fluidfilter nicht so intensiv ist und sich in einer 7er-SQhlechterung der Wasserqualität durch ungelöste Stoffe äußert.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht in diesem Fall ein wesentliches Erhöhen der Kapazität durch Erhöhung der hydraulischen Belastung durch einen Betrieb mit höherem Gehalt des fluiden Filters und bei niedrigerem Sauerstoffgehalt in der Aktiviermischung. Das bringt sowohl Ersparnisse von Investitionen - kleinere Abmessungen - als auch Betriebsersparnisse durch kleineren Energieaufwand.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anordnung ist ein Erhöhen des Wirkungsgrades des Reinigungsvorgangs und zwar sowohl von stickstoffhaltigen als auch von kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen. Das hat Bedeutung für ein Reinigen großer Mengen von wenig konzentrierten Abwässern mit geringem Gehalt an stickstoffhaltigen Verunreinigungen, wo durch Denitrifikation im Fluidfilter ein wesentliches Verringern der Nitrate erzielt wird, so daß die Anordnung durch eine besondere Denitrifikationsstufe ergänzt werden müßte. Neben dem erhöhten Wirkungsgrad wird auch die Abscheidekapazität gesteigert. Die Ersparnisse elektrischer Energie sind beachtlich.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine erweiterte Anwendbarkeit der Fluidfiltration in der Technologie des Wasserreinigens auf Abwasser, bei denen durch Flotation eine große Menge an Aktivschlamm im Abscheideraum anfällt. Das bezieht sich insbesondere auf stickstoffhaltige Abwässer, die erfindungsgemäß bei wenig belasteter Aktivation mit gleichzeitiger Nitrifikation des

organischen und ammoniakalen Stickstoffs zu Nitraten gerenigt werden.

Im Fall einer komplexen Reinigung dieser Abwasser inklusive einer Denitrifikation verringern sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Denitrifikationsräume und der Energieverbrauch zum Belüften der Aktivmischung beim aeroben Aktiviervorgang durch Herabsetzen der Sauerstoffkonzentration auf ein Maß, das für die aerobe Aktivation erforderlich ist, ohne einen erhöhten Sauerstoffgehalt zum Vorbeugen von Nachdenitrifikationsvorgängen im Fluidfilter.

Ein wirtschaftliches Beseitigen von Nitraten bis auf einen Wert von 10 mg/1 N-N(X bietet einen Weg für abfallose Technologien mit wiederholter Ausnützung des gereinigten Wassers in geschlossenen Zirkulationskreisen.

- Leersei te -

Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zum biologischen Aktivierreinigen von stickstoffhaltigen Abwässern bei wenig belastetem Schlamm mit gleichzeitiger Nitrifikation des organischen Stickstoffs und des Ammoniaks zu Nitraten unter Anwendung einer fluiden Filtration,

dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser nach dem Aktivierreinigen unter Sauerstoffzufuhr oder bei abwechselndem Aktivierreinigen mit und ohne Sauerstoffzufuhr während der Fluidfiltration durch Denitrifikation ohne Sauerstoffgegenwart nachgereinigt wird, und daß der dabei gebildete Flotationsschlamm wenigstens teilweise in die aerobe Aktivierreinigungsstufe zurückgeführt wird.

2. Anordnung zum biologischen Aktivierreinigen von stickstoffhaltigen Abwässern, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Raum zur Fluidfiltration, dessen Durchflußquerschnitt zwischen einer oder mehreren Trennwänden sich nach oben erweitert,

dadurch gekennzeichnet,

233-S 10 458-SdWa

daß die Oberfläche (25) des Pluidfilters sich etwa in der Höhe der größten Erweiterung des Filtrierraums befindet und durch eine Abdeckung (15) verdeckt ist, in der Durchlauföffnungen (16) mit vorgeschalteten Schirmwänden (17) den Filtrierraum mit einem höher gelegenen Abzugssystem für das gereinigte Wasser verbinden, und

daß unter dem mittleren Scheitelteil der mit einem Gasaustritt (34·) versehenen Abdeckung (15) eine Anordnung (23) für Abzug des Flotationsschlamms und unter der Oberfläche (25) des Pluidfilters mindestens ein Einlauf

(31) einer Pumpenanordnung (30) zum Abpumpen der oberen Schicht des Pluidfilters vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Anordnung (23) für den Abzug des Flotationsschlamms wenigstens eine Mammutpumpe aufweist, deren Einlauftrichter (22) nach oben offen ist, und deren Auslaß (35) mit dem Aktivierraum (5) oder mit dem Austrag

(32) für den überschüssigen Aktivschlamm anschließbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Pumpenanordnung (30) mindestens eine Mammutpumpe enthält, deren Einlauftrichter (31) nach oben offen ist und deren Auslaß (36) mit dem Aktivierraum (5) verbunden werden kann.

5. Anordnung nach Anspruch 3»
dadurch gekennzeichnet,

daß der Auslaß (35) der Mammutpumpe (30) in einen Ent-

lüftungsbehälter (33) mündet, dessen Abzug (28) mit dem Aktivierraum (5) absperrbar verbunden ist und an diesen Abzug auch ein absperrbarer Abzug (32) für den überschüssigen Aktivschlamm angeschlossen werden kann.

6. Anordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (36) der Mammutpumpe (30) in den Entlüftungsbehälter (33) mündet.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (15) eine konische bzw. gewölbte Form hat.

8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (15) die Form einer länglichen, z. B. zylindrischen Wölbung hat.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (15) aus Wellmaterial besteht.