DE3602736A1 - Verfahren und einrichtung zum biologischen abbau von phosphor aus abwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein biologisches Verfahren zum Abbau von Phosphor aus Abwasser innerhalb einer zweistufigen Bele­ bungsanlage mit einem Anaerobreaktor und einem diesem in Fließrichtung folgend angeschlossenen Aerobreaktor sowie mit einem Nachklärbecken.

Zur Entfernung von Phosphorverbindungen aus Abwasser ist es bekannt, Fällungsmittel, wie Eisen-III-Salze, Alusulfat oder Kalkmilch zu verwenden. Praktiziert wird dieses Verfahren bereits seit ca. zwei Jahrzehnten auf fast allen Anlagen in der Schweiz, die ihre gereinigten Abwässer in einen See ableiten. Der Phos­ phor wird mit dem Überschußschlamm, in welchem sich die Phos­ phatverbindungen an die Schlammflocken ad- bzw. absorbieren, entfernt. Das direkte Zugeben der dosierten Fällungsmittel in das Belüftungsbecken wird als Simultan-Fällung bezeichnet. Bei der Nachfällung dagegen werden die Chemikalien erst in das biologisch gereinigte Abwasser gegeben. Es erfordert somit ein zusätzliches Reaktions- und Absetzbecken. Wegen der geringeren Investitionskosten wird die Simultan-Fällung bevorzugt. Durch die teueren Chemikalien sind die Betriebs­ kosten der chemischen Fällung jedoch entsprechend hoch.

Durch die immer weitergehenden Forderungen zur Abwasserreini­ gung wird die Phosphorentfernung immer dringender notwendig. Aus wirtschaftlichen Gründen wird die biologische Phosphor­ elimination bevorzugt. Die sogenannte "biologische Dephos­ phatierung" ist eine mikrobiologische Methode zur Entfernung größerer Phosphatmengen aus dem Abwasser. Aus Veröffentli­ chungen ist zu entnehmen, daß eine Abwechslung zwischen an­ aeroben- und aeroben Verhältnissen eine notwendige Voraus­ setzung für den Prozeß der biologischen Dephosphatierung ist.

Beim Prozeß der mikrobiologischen Phosphorentfernung werden in einem anaeroben Reaktor energiereiche Polyphosphate in Orthophosphate umgesetzt, in Lösung gebracht und dabei Energie freigesetzt. Bei der Umsetzung der Phosphate mit freiwerden­ der Energie sind Bakterien zur Entwicklung gekommen, die im Anaerob-Becken sich bildende niedrigmolekulare gelöste orga­ nische Stoffe des Abwassers, wie z. B. Fettsäuren aufnehmen und akkumulieren. Gegenläufig erfolgt die Abgabe des Ortho­ phosphates.

In einem aeroben Becken oxidieren die akkumulierten organi­ schen Stoffe. Die Energie, welche hierbei wiederum freikommt, wird teilweise für das Biowachstum, teilweise für die Akku­ mulierung des Polyphosphates im Zellinnern durch Umsetzung von Orthophosphat nach Aufnahme aus der Wasserphase verwen­ det. In Systemen mit Nitrifikation bewirkt der Rücklauf des nitrathaltigen Belebtschlamm-Wassergemisches in das Anaerob- Becken, daß ein Teil der hier sich bildenden leicht abbau­ baren gelösten organischen Stoffe durch die Denitrifikation verbraucht werden. Die damit geschaffene "Substratkonkurrenz" hat die nachteilige Wirkung, daß der Anteil dieser leicht abbaubaren organischen Stoffe für die Aufnahme in die Phos­ phat akkumulierenden Bakterien kleiner und die biologische Umsetzung von Poly- in Orthophosphat im gleichen Maße ver­ mindert wird. Der Nitratgehalt im Rücklauf ist also so ge­ ring wie möglich zu halten, was nur durch eine weitgehende Denitrifikation erreichbar ist.

Bei einigen biologischen Phosphorentfernungsprozessen wird der Phosphor im Hauptstrom zusammen mit den restli­ chen biologischen Prozessen eliminiert. Sie alle erfordern einen Anaerobreaktor und mehrere Aerob-Becken für die Durchfüh­ rung der verschiedenen biologischen Prozesse. Im wesentlichen unterscheiden sie sich dadurch, daß die Denitrifikation im anoxischen/oxischen- (A/O-) und Bardenpho-Prozeß durch eine ver­ hältnismäßig große Kreislaufmenge vom oxischen zum anoxischen Reaktor erfolgt. Dieser Kreislauf muß durch ständiges Pumpen aufrechterhalten werden. Er wird im Biodenipho-Prozeß da­ durch vermieden, daß die beiden dafür notwendigen Reaktoren nach der Anaerobphase wechselweise in einer oxischen Nitri­ fikations- und einer anoxischen Denitrifikation-Phase gehal­ ten werden.

Der in der Schlammflocke akkumulierte Phosphor wird mit dem Überschußschlamm aus dem System entfernt. Somit sind der biologischen Phosphorentfernung praktische Grenzen gesetzt. Sie ist u. a. von der Menge an produziertem Überschußschlamm abhängig. Bei steigender Schlammbelastung kann mehr Phosphat mit dem Überschußschlamm aus dem System entfernt werden. Die­ ses Phänomen wird einerseits durch ein höheres Substrat (Nähr­ stoff)-Angebot mit erhöhter Überschußschlammproduktion und an­ dererseits durch eine verringerte Nitratproduktion erklärt.

Eine weitere Begrenzung ist dadurch gegeben, daß die Poly­ phosphat-akkumulierenden Bakterien nur bis zu einer gewis­ sen maximalen Menge an PO₄-P aufnehmen können.

Somit reicht unter Umständen eine biologische Phosphorelimi­ nation nicht immer aus, insbesondere, wenn eine sehr hohe Ablaufgüte verlangt wird.

Bekannt ist ferner ein Phosphorentfernungsprozeß im Neben­ stromverfahren, die sogenannte Phosphorstripmethode von Levin. Bei dieser Methode wird davon ausgegangen, daß die biologische Phosphorelimination nur optimal erreichbar ist, wenn das im Belüftungsbecken in der Schlammflocke akkumu­ lierte Polyphosphat kontinuierlich mit Chemikalien aus dem System entfernt wird. Die biologische Phosphoraufnahme er­ folgt im Belüftungsbecken. Ein Teilstrom des Schlammrück­ laufes wird in ein Phosphorstripbecken geführt. In diesem sogenannten P-Stripper geben die Bakterien den akkumulier­ ten Phosphor wieder an die Wasserphase ab. Das gelöste Phos­ phat wird anschließend mit Kaltmilch ausgefällt. Obwohl die Phosphorstripmethode üblicherweise als ein biolo­ gisches Phosphorentfernungsverfahren bezeichnet wird, ist es ein Zusammenspiel biologischer und chemischer Prozesse. Nach­ teilig hierbei ist, daß durch das fehlende Substratangebot das Phosphorstripbecken entsprechend groß dimensioniert wer­ den muß, um das akkumulierte Polyphosphat in Rücklösung brin­ gen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein biologisches Phosphoreliminationsverfahren zu schaffen, dessen Durchfüh­ rung für die verschiedenen biologischen Prozesse mit ein­ facheren Einrichtungen, insbesondere mit einer geringeren Anzahl von Becken möglich ist. Dabei soll gleichzeitig eine nahezu vollständige Denitrifikation aller eventuell gebil­ deten Nitrate gewährleistet sein. Als Lösung wird vorgeschla­ gen, daß der Aerobreaktor wechselweise mit vom Abwasserzulauf abhängigen oxischen und anoxischen Prozeßphasen so betrieben wird, daß neben den Phosphoreliminationsprozessen auch Deni­ trifikationsprozesse ablaufen und hierdurch nahezu nitratfrei gewordener Schlamm des Nachklärbeckens zur erhöhten Rücklö­ sung von Phosphaten und damit zur verbesserten biologischen Phosphorelimination in den Anaerobreaktor geführt wird.

Zusätzlich kann von der Oberfläche des Anaerobreaktors eine Teilmenge des Schlammwassergemisches mit angereichertem ho­ hen Phosphatgehalt entnommen, mit einem Flockungsmittel be­ handelt und dem Aerobreaktor zum weiteren biologischen Abbau zugeführt werden. In diesem Fall wird das vorstehend be­ schriebene Hauptstromverfahren mit einem Nebenstromverfahren kombiniert. Der Abbau des Phosphors geht damit über die Mög­ lichkeiten der reinen biologischen Phosphorelimination hin­ aus. Der mit dem Flockungsmittel behandelten Teilmenge kann außerdem der mit Phosphat angereicherte Schlamm zur weite­ ren getrennten Verarbeitung entzogen und anschließend das phosphatarme Wasser dem Aerobreaktor zum weiteren biologi­ schen Abbau zugeführt werden.

Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich eine Einrich­ tung, bestehend aus einem Anaerobreaktor in Form eines Rund­ beckens, das konzentrisch in dem Aerobreaktor angeordnet ist. Das runde Becken ist mit einer Brücke ausgerüstet, welche in der Beckenmitte drehbar gelagert ist und mit Hilfe eines Fahrwerks und Getriebemotors auf der Außenwand mit einer Randgeschwindigkeit von ca. 80 cm/s umläuft. Im Bereich des Aerobreaktors sind an der Brücke Druckluft-Belüftungsein­ richtungen vorgesehen, welche dicht über der Beckensohle feinblasig verteilte Druckluft in das ringförmige Außenbecken eintragen. Der Betrieb wird vorzugsweise von einem die Trü­ bung des Abwasser-Belebtschlammgemisches im Aerobreaktor messenden, an sich bekannten Gerätes gesteuert werden. Kennzeichnend für diese bekannte Belüftungsart ist u. a. der ständig und gleichmäßig auftretende Wechsel zwischen sau­ erstoffreicheren (oxischen) und sauerstoffärmeren (anoxischen) Bedingungen, bezogen auf einen gleichen, in Drehrichtung der Brücke wandernden Wasserquerschnitt, welcher erst nach etwa zwei Brückenumdrehungen durch die schneller umlaufende Be­ lüftungsbrücke überholt und erneut belüftet wird. Bei aus­ reichender Belüftung und Nitrifikation tritt durch diesen ständigen Wechsel zwangsläufig eine teilweise Denitrifika­ tion auf, die jedoch nicht steuerbar ist.

Durch die Steuerung der Druckluft-Belüftungseinrichtungen mit Hilfe des vorgenannten Trübungsmeßgerätes gelingt eine nahezu vollständige Denitrifikation aller eventuell gebil­ deten Nitrate, so daß ein nahezu nitratfreier Schlammrück­ lauf in den Anaerobreaktor gewährleistet ist. Die intermit­ tierende Belüftung wird durch ebenfalls an sich bekannte verstopfungsfreie, feinblasige Schlauchbelüfter gesichert. Das Trübungsmeßgerät verwendet als Parameter für die Steu­ erung der die Druckluft erzeugenden Aggregate die Trübung der wäßrigen Phase des Belebtschlamm-Wassergemisches, welche als Teilstrom dem Belüftungsbecken ständig entnommen und deren Trübung kontinuierlich gemessen wird. Bei ansteigen­ der Trübung werden Druckluft erzeugende Aggregate zugeschal­ tet, bei abnehmender Trübung abgeschaltet. Die Trübung steigt jedoch erst wieder an, wenn der ganze Nitratsauerstoff ver­ braucht ist. Dadurch wird eine nahezu vollständige Denitri­ fikation aller gebildeten Nitrate erreicht.

Im Bereich des mittig angeordneten Anaerobreaktors können an der Brücke Mischbleche befestigt werden, und zwar so, daß ein Absetzen von Schlamm verhindert sowie Strömungskurzschlüs­ se im Anaerobreaktor vermieden werden. Durch diese Anordnung tritt ein Konzentrationsgradient bzw. eine Konzentrations­ schichtung des Schlammes im Anaerobreaktor auf. Schlammkon­ zentrationen von 10 g/l und mehr im unteren Bereich des An­ aerobreaktors sind üblich. Das Gemisch aus Rohabwasser und Rücklaufschlamm fließt langsam von unten nach oben durch die vorgenannte Konzentrationsschichtung im Anaerobreaktor. An­ genommen werden darf, daß die Bildung von niedrigmolekularen Fettsäuren bei höheren Schlammkonzentrationen gefördert wird und in Kombination mit BSB (B=biochemischer, S=Sauerstoff, B=Bedarf)-haltigem Abwasser und nitratar­ mem Rücklaufschlamm zur erhöhten Rücklösung von Phosphaten und somit zu einer verbesserten biologischen Phosphorelimina­ tion führen wird.

Bei der erfindungsgemäßen Phosphorelimination als Hauptstrom­ verfahren findet lediglich ein mikrobiologischer Prozeß statt. Dabei kann es zu hohen Phosphoreliminationsraten kommen, wel­ che sich mit Hilfe einer Phosphor-Massen-Bilanz theoretisch berechnen lassen.

In der Praxis sind jedoch der biologischen Phosphorentfer­ nung natürliche Grenzen gesetzt.

Falls niedrige Phosphatkonzentrationen, die über die prakti­ schen Möglichkeiten einer biologischen Phosphorelimination hinausgehen im Ablauf der Kläranlage verlangt werden, kann die vorbeschriebene zusätzliche Nebenstromentnahme mit hoch­ angereichertem Phosphatgehalt mit anschließender Ausflockung mit Kalkmilch vorgenommen werden. Diese Behandlung kann außer­ dem mit Hilfe eines Zwischenabsetzbeckens zur Schlamm-Wasser- Trennung ergänzt werden. Der abgesetzte, mit Phosphat ange­ reicherte Schlamm wird dem System entnommen und getrennt wei­ terverarbeitet. Der überstehende Teil - phosphatarmes Wasser - wird im Aerobreaktor für den weiteren biochemischen- Sauer­ stoff-Bedarfabbau (BSB) zugeführt.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele von Ein­ richtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt und nachstehend erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Kläreinrichtung mit zwei konzentrisch ineinan­ der angeordneten Rundbecken und einem Nachklärbecken in der Draufsicht,

Fig. 2 die gleiche Einrichtung in der Seitenansicht,

Fig. 3 eine Einrichtung gemäß Fig. 1 bzw. 2 mit an der umlau­ fenden Brücke angeordneten bodennahen Mischblechen,

Fig. 4 die Einrichtung gemäß Fig. 3 in Seitenansicht,

Fig. 5 eine Einrichtung ähnlich wie die Ausführungen gemäß Fig. 1 bis 4, jedoch mit einem Mischbecken für die Zuführung von Schlamm-Wassergemisch aus dem Anaerob­ reaktor und Rückführung in den Aerobreaktor mit Hilfe einer Nebenschlußleitung,

Fig. 6 die Ausführung gemäß Fig. 5 in der Seitenansicht,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Einrichtung ähnlich Fig. 5 jedoch mit einem zusätzlichen Zwischenabsetzbecken und

Fig. 8 die Ausführungsform gemäß Fig. 7 in Seitenansicht.

Innerhalb eines runden Beckens 1 ist ein weiteres Rund­ becken 2 konzentrisch angeordnet. Innerhalb des Beckens 2 laufen anaerobische Prozeßphasen ab, während die aeroben Prozeßphasen im Becken 1, dem Belüftungsbecken, stattfin­ den.

In der Beckenmitte ist eine Brücke 3 drehbar gelagert. Sie stützt sich auf der Außenwand des Beckens 1 mit einem Fahrwerk und Getriebemotor ab. Die Brücke trägt Belüftungs­ vorrichtungen 4, die im Becken 1 installiert sind. Die Be­ lüftungsvorrichtungen tragen dicht über der Beckensohle 5 feinblasig verteilte Druckluft in das Belebtschlamm-Wasser- Gemisch ein.

Über die Zulaufleitung 6 gelangt das zu reinigende Abwasser von unten mittig in das anaerobe Becken 2. Der Schlamm dickt hier ein und das schlammverminderte Belebtschlamm-Wasser- Gemisch tritt über die Oberkante in das Belüftungsbecken 1 über. Hier erfolgt eine gesteuerte Luftversorgung.

Die für die Belüftung benötigte Druckluft wird durch ein Ge­ bläse 7 erzeugt, dessen Betriebszeiten durch ein die Trübung des Abwassers messendes Gerät 8 gesteuert werden. Über eine Verbindungsleitung 9 tritt das gereinigte Abwasser zur Nach­ klärung in ein Nachklärbecken 10 und verläßt dieses über die Ablaufleitung 11.

Der sich am Boden des Nachklärbeckens 10 sammelnde nitratarme Schlamm wird über eine Rücklaufleitung 12 abgezogen und zum überwiegenden Teil in den anaeroben Reaktor (Becken 2) zurück­ geführt, während der Rest als Überschußschlamm über die Lei­ tung 13 abgeführt wird.

Die Ausführungsform der Einrichtung gemäß Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von der nach den Fig. 1 und 2 lediglich durch Mischbleche 14, die von der drehbaren Brücke 3 in den Anaerobreaktor 2 reichen und dicht über die Beckensohle 5 ge­ führt werden. Dadurch werden trotz einer Konzentrationsschich­ tung im Anaerobreaktor mit nach oben abnehmendem Konzentra­ tionsgefälle ein Absetzen von Schlamm und Strömungskurzschlüs­ se vermieden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen zusätzlich zu den oben erläuterten Einrichtungen ein Mischbecken 15, das im Nebenschluß zur Hauptstromleitung 9 Abwasser geringer Schlammkonzentration über die Leitung 16 aus dem Anaerobreaktor innerhalb des Beckens 2 erhält und nach Zugabe von Flockungsmitteln 17, beispielsweise Ca(OH)₂ und intensiver Mischung über die Leitung 18 in den durch das äußere Becken 1 gebildeten Aerob­ reaktor zurückgeführt wird. Die zurückgeführte Menge besteht also aus einem phosphatarmen Wasser und einem phosphatreichen Schlamm. Sofern notwendig, kann dieser, wie beispielsweise die Fig. 7 und 8 zeigen, in einem Zwischen-Absetzbecken 19 von dem phosphatarmen Wasser getrennt werden. Der phosphat­ reiche Schlamm kann über eine Leitung 20 einer getrennten Schlammbehandlung zugeführt werden, während das phosphatarme Wasser getrennt in den Aerobreaktor zurückgegeben wird.

Claims (7)

1. Biologisches Verfahren zum Abbau von Phosphor aus Abwas­ ser innerhalb einer zweistufigen Belebungsanlage mit einem Anaerobreaktor, einem diesem in Fließrichtung folgend ange­ schlossenen Aerobreaktor und mit einem Nachklärbecken, da­ durch gekennzeichnet, daß der Aerobreaktor wechselweise mit vom Abwasserzulauf abhängigen oxischen und anoxischen Prozeß­ phasen so betrieben wird, daß neben den Phosphoreliminations­ prozessen auch Denitrifikationsprozesse ablaufen und hier­ durch nahezu nitratfrei gewordener Schlamm des Nachklärbe­ ckens zur erhöhten Rücklösung von Phosphaten und damit zur verbesserten biologischen Phosphorelimination in den Anaerob­ reaktor zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Oberfläche des Anaerobreaktors eine Teilmenge des Schlamm-Wasser-Gemisches mit angereichertem hohem Phosphat­ gehalt entnommen mit einem Flockungsmittel behandelt und dem Aerobreaktor zum weiteren biologischen Abbau zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Flockungsmittel behandelten Teilmenge der phos­ phatreiche Schlamm zur weiteren getrennten Verarbeitung ent­ zogen und das übrigbleibende phosphatarme Wasser dem Aerob­ reaktor zum weiteren biologischen Abbau zugeführt wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anaerobreaktor (2) als Rundbecken ausgebildet und konzentrisch in dem Aerobreaktor (1) angeordnet ist, wobei eine im Mittelpunkt des Anaerobreaktors drehbar gelagerte und auf der äußeren Beckenwand des Aerobreaktors fahrbar gelagerte, umlaufende Brücke (3) mit im Bereich des Aerobreaktors angeordneten Druckluft-Belüftungseinrichtungen (4) vorgesehen ist, de­ ren Betrieb von einem die Trübung des Abwasser-Belebtschlamm- Gemisches im Aerobreaktor messenden Gerät (8) steuerbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (3) im Bereich des Anaerobreaktors mit bodennahen Mischblechen (14) ausgerüstet ist, die in Form und Größe so ausgebildet sind, daß trotz einer Schichtung mit von unten nach oben abnehmender Schlammkonzentration Strömungskurz­ schlüsse und ein Absetzen von Schlamm vermieden werden.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anaerobreaktor (2) durch eine zusätz­ liche Nebenstromleitung (16, 18) mit dem Aerobreaktor (1) verbunden ist, mit welcher Schlamm-Wasser-Gemisch des Anae­ robreaktors einem Mischbecken (15) zum Vermischen mit Flo­ ckungsmitteln für das Ausfällen von Phosphor zuführbar und vom Mischbecken (15) zurück in den Aerobreaktor (1) leitbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mischbecken (15) ein Zwischenabsetzbecken (19) nachge­ schaltet ist, aus welchem phosphathaltiger Überschußschlamm zur getrennten Weiterbehandlung abführbar ist.