DE3902626C2 - Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Ab­ wasserreinigung mittels Belebtschlamm einschließlich der biologischen Elimination von Stickstoffverbindungen und Phosphat mit geregelten, sich periodisch wiederholenden, nicht gleichzeitig ablaufenden oxischen, anoxischen und anaeroben Prozeßphasen, wobei die Regelung dieser Prozeß­ phasen in Abhängigkeit von gemessenen Trübungswerten der Klarwasser-Fraktion des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches aus dem Belebtschlammbecken vorgenommen wird.

Es ist bekannt, zur Entfernung von Nitratverbindungen aus Abwasser das Verfahren der intermittierenden Belüftung anzuwenden. Dabei wechseln sich in einem Belebungsbecken Belüftungszeiten (oxische Prozeßphasen) und Belüftungs­ pausen (anoxische und anaerobe Prozeßphasen) ständig wieder­ holend ab. In der oxischen Prozeßphase werden Stickstoff­ verbindungen, die überwiegend als Ammonium (NH4) im Ab­ wasser vorliegen, durch Bakterien zu Nitrat (NO3) oxidiert. In der anschließenden anoxischen Prozeßphase, also im er­ sten Teil der Belüftungspause, reduzieren nun andere Bakterien Nitrat zu elementarem Stickstoff (N2), der als Gas dem Abwasser entweicht. Dadurch ist Stickstoff aus dem Abwasser eliminiert.

Die Reduktion des Nitrats oder die Veratmung des Nitrat- Sauerstoffs hängt ab von der im Abwasser zur Verfügung stehenden Kohlenstoffmenge, d. h. ist wenig vorhanden, dann kann auch nur wenig Nitrat-Sauerstoff veratmet werden. Nun ist zwar zu dem Zeitpunkt der Abschaltung der Sauer­ stoffzufuhr am Anfang der Belüftungspause der zu redu­ zierende Nitratgehalt im Becken am höchsten, weil in der abgelaufenen oxischen Prozeßphase Stickstoffverbindungen zu Nitrat oxidiert wurde, aber gleichzeitig ist auch der Gehalt an Kohlenstoffverbindungen am geringsten, da ebenfalls in der oxischen Prozeßphase die Kohlenstoffverbindungen weitgehend oxidiert wurden. Die Denitrifizierung verläuft entsprechend langsam und erfolgt überwiegend mit den in der Belüftungspause dem Belebungsbecken zufließenden, noch nicht abgebauten organischen Kohlenstoffverbindungen.

Während dieser langsam verlaufenden Denitrifikationsphase in der anoxischen Prozeßphase gelangen entsprechend hohe Nitratkonzentrationen zum Ablauf, bis die Denitrifikation beendet und der Nitratgehalt auf Null gesunken ist. Dieser Nachteil soll durch die Erfindung - wie später beschrieben - be­ seitigt werden.

Weiterhin ist bekannt, zur Entfernung von Phosphatver­ bindungen aus Abwasser das Verfahren der chemischen Phos­ phat-Fällung anzuwenden. Dabei werden Fällungsmittel, wie z.B. Eisen- und Aluminiumsalze dem Abwasser zugegeben. Praktiziert wird dieses Verfahren bereits seit vielen Jahren auf Kläranlagen, die ihre gereinigten Abwässer in über­ wiegend stehende Gewässer ableiten. Das ausgefällte Phosphat wird mit dem Überschußschlamm, in welchem sich die Phosphat­ verbindungen an die Schlammflocken ad- bzw. absorbieren, aus der Belebtschlammanlage entfernt. Das direkte Zugeben der Fällungsmittel in das Belebtschlammbecken wird als Simultan- Fällung bezeichnet.

Dieses Verfahren der chemischen Phosphat-Fällung hat jedoch zwei große Nachteile: zum einen wegen des Entstehens großer Mengen an metallhaltigen Schlämmen, die wiederum kostenauf­ wendig auf Deponien abgelagert werden müssen und zum anderen tritt durch die Verwendung der Fällungsmittel eine Auf­ salzung des Abwassers durch Anionen, wie Sulfate und Chloride, ein.

Durch die immer weitergehenden Forderungen an die Abwasser­ reinigung wird die Phosphat-Entfernung zur Verhinderung der Gewässereutrophierung immer dringender notwendig. Aus oben genannten Gründen, ist deshalb die biologische Phosphat- Elimination zu bevorzugen, bei der weder Fällungsmittel benötigt werden noch zusätzlich chemische Überschußschlamm­ mengen entstehen.

Die biologische Phosphat-Elimination basiert auf bakteriellen Stoffwechselprozessen, die sich nur einstellen, wenn unter­ schiedliche und in bestimmter Reihenfolge ablaufende bio­ logische Prozeßphasen vorhanden sind. Diese sind eine anaerobe, eine oxische und eine anoxische Prozeßphase, die nachein­ ander in einem Belebungsbecken ablaufen.

Die Dauer der Prozeßphasen wird vorzugsweise in Abhängigkeit der gemessenen Trübung der Klarwasser-Fraktion des Abwasser- Belebtschlamm-Gemisches aus dem Belebtschlammbecken bedarfs­ gerecht geregelt. Dies ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 37 12 433 A1 bekannt.

Dabei werden in der anaeroben Prozeßphase bei Sauerstoff­ mangel von Bakterien zur Energiegewinnung energiereiche Poly­ phosphate aus dem Inneren der Bakterienzelle in Orthophosphate umgesetzt, in Lösung gebracht und an das sie umgebende Wasser abgegeben. Gleichzeitig wird von den Bakterien die niedrig­ molekulare gelöste organische Substanz des Abwassers aufge­ nommen und akkumuliert.

In der anschließenden oxischen Prozeßphase mit künstlicher Sauerstoffzufuhr wird die im Abwasser vorhandene organische Substanz oxidiert. Die Energie, welche hierbei frei wird, wird teilweise für das Biowachstum, teilweise für die Akku­ mulierung des Polyphosphates im Zellinneren, das durch Um­ wandlung von aus dem Wasser aufgenommenem Orthophosphat ent­ standen ist, verwendet. Dabei ist die Aufnahme von Orthophos­ phat aus dem Wasser mengenmäßig größer als die vorherige Rücklösung von Orthophosphat in der anaeroben Prozeßphase. Somit wird um so mehr Orthophosphat aufgenommen, je mehr Orthophosphat in der anaeroben Phase abgegeben wurde. Es muß also angestrebt werden, in der anaeroben Phase die Rück­ lösung von Orthophosphat zu fördern, damit in der oxischen Phase um so mehr Orthophosphat in die Biomasse aufgenommen und als Polyphosphat mit dem Überschußschlamm aus dem Reaktor­ system entfernt werden kann.

Um die Rücklösung von Phosphat im anaeroben Teil sicherzu­ stellen, darf dort kein Sauerstoff eingetragen und kein ge­ bundener Sauerstoff in Form von Nitrat vorhanden sein. Da jedoch in der oxischen Phase durch Zufuhr von Sauerstoff für die biologische Reinigung u. a. auch Ammonium zu Nitrat oxidiert wird, muß in einer der anaeroben Phase vorge­ schalteten anoxischen Phase in Abwesenheit von freiem Sauer­ stoff das Nitrat mikrobiologisch veratmet, d. h. reduziert bzw. entfernt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei dem die biologischen Reinigungsprozesse der Stickstoff- und Phosphor-Elimination mit einfachen technischen Einrich­ tungen gesteigert werden können und das Abfließen hoher Nitrat­ konzentrationen und höherer Phosphatgehalte in den Beckenab­ lauf vermieden werden kann. Die Erfindung als Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aus. Dabei zeigte sich überraschenderweise, daß die Trübungsregelung durch die Zugabe der organischen Substanzen nicht gestört wird.

In der Zeichnung ist eine Trübungskurve mit den Schalt­ punkten für Gebläse zur Regelung der Sauerstoffzufuhr dar­ gestellt und nachstehend unter Berücksichtigung der Er­ findungsmerkmale mit ihren Vorteilen näher erläutert.

Einem Belebtschlammbecken wird das zu reinigende Abwasser zugeführt, dort mit Belebtschlamm in Kontakt gebracht und so lange mit getrennten Aggregaten für die Belüftung und Umwälzung in oxischen, anoxischen und anaeroben Prozeß­ phasen behandelt, bis die Schmutzfracht biologisch weit­ gehend abgebaut bzw. eliminiert ist.

Aus dem Belebtschlammbecken wird zur kontinuierlichen Trü­ bungsmessung ständig ein Teilstrom des Abwasser-Belebtschlamm- Gemisches entnommen, davon der Belebtschlamm abgetrennt und das Klarwasser einer Trübungsmessung unterworfen. Die ge­ messenen Trübungswerte werden in einer Kurve aufgezeichnet und dienen der Regelung der Sauerstoffzufuhr in das Belebt­ schlammbecken, die hier beispielhaft über Gebläse mit Druck­ luftbelüftung vorgenommen wird. Liegt der gemessene Trübungs­ wert über einem eingestellten Max-Grenzwert, so werden im Schaltpunkt (1) die Gebläse eingeschaltet und die oxische Prozeßphase beginnt. In Anwesenheit von Sauerstoff erfolgt der Kohlenstoff-Abbau, die Nitrifikation und die Phosphat- Aufnahme durch die Bakterien. Dabei sinkt der Trübungswert. Unterschreitet der Trübungswert bei Erreichen einer aus­ reichenden Reinigungsleistung den eingestellten Min-Grenzwert, so werden im Schaltpunkt (2) die Gebläse und damit die Sauer­ stoffzufuhr abgeschaltet. In der nun beginnenden anoxischen Prozeßphase ist Sauerstoff nicht mehr frei, sondern nur noch gebunden in Form von Nitrat vorhanden. Bei weiterem Zulauf von organischer Kohlenstoff-Fracht beginnen nun Bakterien den Kohlenstoff-Abbau mit dem Sauerstoff aus dem Nitrat. Dabei bleibt die Trübung auch ohne Gebläsebetrieb unter dem einge­ stellten Min-Grenzwert. Ist auch der Nitrat-Sauerstoff ver­ braucht, beginnt die Trübung anzusteigen und die anoxische Pro­ zeßphase geht in die anaerobe Prozeßphase über.

In der anaeroben Prozeßphase erfolgt bei fehlendem freien und fehlendem Nitrat-Sauerstoff zur Deckung des Energie­ bedarfs der Bakterien die Umwandlung von Zell-Polyphosphat in Orthophosphat und die Rücklösung dieses Phosphates in das Wasser. Durch den weiteren Zulauf organischer Substanz steigt die Trübung im Belebtschlammbecken an. Überschreitet die Trü­ bungskurve den Max-Grenzwert, werden im Schaltpunkt (1) wieder die Gebläse eingeschaltet und die anaerobe Phase wird durch die oxische Phase abgelöst.

Die Dauer der einzelnen Prozeßphasen wird bedarfsgerecht nach dem gemessenen Qualitätszustand im Belebtschlammbecken ge­ schaltet. So wird z. B. erst nach Überschreiten eines gewählten Max-Grenzwertes der Trübung, also erst bei Erreichen einer gewissen organischen Konzentration die Sauerstoffzufuhr durch die Regeltechnik eingeschaltet und der Kohlenstoff-Abbau, die Nitrifikation und die Phosphat-Aufnahme vorgenommen. Dann wird weiterhin bei Unterschreiten eines vorgewählten Trübungs-Min- Grenzwertes wiederum bedarfsgerecht, d. h. wenn Kohlenstoff­ verbindungen weitgehend abgebaut, Ammonium weitgehend nitrifi­ ziert und Orthophosphat weitgehend aus dem Wasser aufgenommen sind, die Sauerstoffzufuhr abgeschaltet. Nun ist der Nitrat­ gehalt am höchsten und ebenso der Bedarf zu denitrifizieren am größten. In der nun folgenden anoxischen Phase wird denitri­ fiziert, und zwar nur so lange wie ein Bedarf, d. h. Nitrat, vorhanden ist. Dann wechselt die anoxische Phase in die anaerobe Phase. In dieser Prozeßphase wird nun bei Abwesen­ heit von freiem und gebundenem Sauerstoff bei gleichzeitig stattfindendem Zulauf von organischem Substrat die bakterielle Orthopohosphat-Rücklösung vorgenommen bis wiederum bei Über­ schreiten des Max-Grenzwertes der Trübung der Bedarf besteht, die anaerobe Phase abzubrechen und mit Einschalten der Gebläse in die oxische Prozeßphase einzutreten.

Diese vorstehend genannten Stoffwechselprozesse der biolo­ gischen Nitrat- und Phosphat-Elimination werden erfindungs­ gemäß durch die Zugabe von wasserlöslichen organischen Ver­ bindungen, wie Fettsäuren oder deren Salze, vorzugsweise von Essigsäuren in das Belebtschlammbecken gesteigert. Essigsäure ist ein bakteriell leicht abbaubarer und von den Bakterien gut verwendbarer Kohlenstoffspender, der die bakteriellen Stoff­ wechselvorgänge sofort aktiviert.

Zur Steigerung der Denitrifikation wird z. B. Essigsäure in der Dosierphase t(1) dem Belebungsbecken zudosiert. Diese Phase beginnt nach dem Abschalten der Sauerstoffzufuhr und liegt am Anfang der anoxischen Prozeßphase. Zu diesem Zeit­ punkt ist der in der oxischen Phase aufgebaute Nitratgehalt am höchsten. Andererseits fehlen zu diesem Zeitpunkt aus­ reichend organische Kohlenstoffspender, da dieses Material ebenfalls in der oxischen Phase zum allergrößten Teil oxi­ diert wurde. Die Denitrifikationsgeschwindigkeit ist deshalb wegen des geringen Kohlenstoffangebots sehr gering. Erst mit dem weiteren Zulauf von Abwasser in das Belebungsbecken bei abgestellter Sauerstoffzufuhr wird entsprechend Nitrat­ sauerstoff für die biochemische Oxidation des Kohlenstoffs verbraucht und damit aus dem Abwasser eliminiert. Dadurch kann bei der bisher bekannten Behandlung die anoxische Phase von langer Dauer sein, in der ständig und am Anfang uner­ wünscht hohe Nitratkonzentrationen in den Ablauf gelangen.

Durch die sofortige dosierte Zugabe von Essigsäure gemäß der Erfindung ab Beginn der anoxischen Phase, nämlich zum Zeit­ punkt der höchsten Nitratkonzentration wird den Bakterienkul­ turen leicht verwertbarer Kohlenstoff angeboten, der sofort ihren Stoffwechsel anregt und dadurch den Nitrat-Sauerstoff veratmet. Dadurch wird die Denitrifikation beschleunigt und es gelangt weniger Nitrat in den Ablauf.

Zur Steigerung der Phosphat-Elimination kann Essigsäure auch in der Dosierphase t(2) dem Belebungsschlamm zudosiert werden. Diese Phase liegt am Ende der anaeroben Prozeßphase und be­ ginnt nach Überschreiten des Max-Trübungsgrenzwertes und endet mit dem Einschalten der Sauerstoffzufuhr. In dieser verhältnismäßig kurzen Phase wird zusätzlich vor Beginn der Oxidations-Phase die Phosphat-Rücklösung durch die Essigsäure stoßartig aktiviert. Der Phosphatgehalt im Abwasser steigt an und steht dann in der anschließenden oxischen Phase zur ver­ mehrten Aufnahme in die Bakterienzellen zur Verfügung. Die Dosierphase t(2) wurde bewußt an das Ende der anaeroben Pro­ zeßphase gelegt, damit nur während einer relativ kurzen Zeit­ spanne höhere Phosphatgehalte zum Ablauf gelangen können.

Die Regelung der Dauer der Dosierphase t(1) am Anfang der anoxischen Prozeßphase kann über eine einstellbare Zeit­ schaltung vorgenommen werden. Die Dosierzeit und die Dosier­ menge wird durch Kontrollmessungen des Nitratgehalts, die etwa in monatlichen Zeitabständen vorgenommen werden müssen, festgelegt. Es wird jedoch immer etwas weniger als ermittelt dosiert, damit nicht unnötig Essigsäure verbraucht und diese nicht am Anfang der anaeroben Prozeßphase in das Belebungs­ becken gelangt. Deshalb reicht die Dosierphase t(1) auch nicht bis zum Ende der anoxischen Prozeßphase.

Bei aufwendiger ausgestatteten Kläranlagen können die etwa monatlich auszuführenden Nitrat-Kontrollmessungen durch ein kontinuierlich messendes Nitrat-Meßgerät ersetzt werden. Dann kann solange Essigsäure dosiert werden, bis das Nitrat-Meßgerät den Wert Null anzeigt. In diesem Fall reicht die Dosier­ phase t(1) bis zum Ende der anoxischen Prozeßphase.

Auch die Regelung der Dauer der Dosierphase t(2) am Ende der anaeroben Prozeßphase kann über eine einstellbare Zeitschaltung vorgenommen werden. Die Dosierzeit und die Dosiermenge wird durch Kontrollmessungen des Phosphatgehalts, die etwa in monatlichen Zeitabständen vorgenommen werden müssen, fest­ gelegt. Am Ende der Dosierphase wird sofort die Sauerstoff­ zufuhr eingeschaltet und die oxische Prozeßphase beginnt.

Bei aufwendiger ausgestatteten Kläranlagen können die etwa monatlich auszuführenden Phosphat-Kontrollmessungen durch ein kontinuierlich messendes Phosphat-Meßgerät er­ setzt werden, das die Menge und die Zeit der Essigsäure­ dosierung in Abhängigkeit von der anlagenspezifischen Phosphat-Rücklösegeschwindigkeit mit Hilfe eines Prozeß­ rechners regelt.

Eine einfache Regelung der Dosierzeit kann auch dadurch vor­ genommen werden, daß zu Beginn der Dosierphase t(2) der in diesem Zeitpunkt gemessene Phosphatgehalt P(1) registriert und die Dosierzeit solange ausgedehnt wird, bis der Phosphat­ gehalt um eine vorgewählte Phosphat-Konzentrationserhöhung über P(1) angestiegen ist.

Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln die biologische Nitrat- und Phosphat-Elimination bis zum Maximum des Er­ reichbaren gebracht, ohne chemische, die Umwelt wieder be­ lastende Fällmittel einsetzen zu müssen. Außerdem werden die Mengen an Nitrat und Phosphat, die während des Ver­ fahrens in den Beckenablauf gelangen, drastisch verringert.

Claims (8)

1. Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung mittels Belebtschlamm einschließlich der biologischen Elimination von Stickstoffverbindungen und Phosphat mit geregelten, sich periodisch wiederholenden, nicht gleichzeitig ablaufenden oxischen, anoxischen und anaeroben Prozeßphasen, wobei die Regelung dieser Prozeßphasen in Abhängigkeit von gemessenen Trübungswerten der Klarwasser-Fraktion des Abwasser-Belebtschlamm- Gemisches aus dem Belebtschlammbecken vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung der Denitrifikationsphase und/oder der Vervollständigung der Phosphorrücklösung dem Belebungsbecken ab Beginn der anoxischen und/oder vor Beginn der Oxidationsphase wasserlösliche, organische Säuren oder deren Salze, vorzugsweise Essigsäure, dosiert zugegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dosierte Zugabe der wasserlöslichen, organischen Verbindungen in das Belebungsbecken vor dem Einschalten der Sauerstoffzufuhr während einer einstellbaren Zeitdauer t(2) vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe in Abhängigkeit von gemessenen Phosphatwerten vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatgehalte kontinuierlich gemessen und die Menge und die Zeitdauer der Zugabe in Abhängigkeit von der anlagenspezifi­ schen Phosphat-Rücklösegeschwindigkeit mit Hilfe eines Prozeß­ rechners geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Zeitdauer t(2) für die Zugabe vor dem Einschalten der Sauerstoffzufuhr der in diesem Zeitpunkt gemessene Phosphatgehalt registriert und die Zeitdauer der Zugabe solange ausgedehnt wird, bis der Phosphatgehalt um eine vorgewählte Phosphat-Konzentrationserhöhung über den gemessenen Phosphatgehalt angestiegen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dosierte Zugabe der wasserlöslichen organischen Verbindungen in das Belebungsbecken nach dem Abschalten der Sauerstoffzufuhr während einer einstellbaren Zeitdauer t(1) vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe in Abhängigkeit von gemessenen Nitratwerten vorgenommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitratgehalte kontinuierlich gemessen und die Menge und die Zeitdauer der Zugabe in Abhängigkeit von der anlagenspezifischen Veratmungsgeschwindigkeit des Nitrats mit Hilfe eines Prozeßrechners geregelt wird.