DE3925091A1

DE3925091A1 - Verfahren zur biologischen behandlung von abwasser und anlage sowie reaktor zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3925091A1
Application number: DE19893925091
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Biol Kuhn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-07-28
Filing date: 1989-07-28
Publication date: 1991-01-31
Also published as: US5281335A; AU632154B2; EP0484352A1; DD296668A5; HUT69504A; WO1991001948A1; AU6031490A; DE3925091C2; CA2059638A1; JPH04506926A; HU905462D0

Description

Die Erfindung betrifft die Reinigung von Abwasser mittels eines kontinuierlichen biotechnologischen Verfahrens.

Die Behandlung zu reinigenden Abwassers umfaßt die verfahrens technischen Grundoperationen Stoffumwandlung und Stofftren nung. Dabei lassen sich vier Aufgabenbereiche gegeneinander abgrenzen: Entfernung von organischen Substanzen (Kohlenstoff abbau), oxidative Umwandlung der anorganischen Stickstoffver bindungen Ammonium und Nitrit zu Nitrat (Nitrifikation), Umwandlung des Nitrats und Nitrits zu gasförmigen Stickstoff verbindungen (Denitrifikation) und biologische Elimination von Phosphor ohne Einsatz externer chemischer Fällungsmittel.

Zur Erfüllung dieser Aufgaben bedient man sich spezieller Mikroorganismen, die über die jeweils benötigten speziellen Fähigkeiten zur Stoffumwandlung verfügen. In einer Kläranlage sollen diese spezialisierten Mikroorganismen in möglichst großer Zahl verfügbar sein, damit hohe Stoffumsatzraten und damit eine effiziente Reinigung des Abwassers erzielt werden.

Da Abwasserreinigungsanlagen grundsätzlich als offene Anlagen betrieben werden, läßt sich die Ansiedelung der benötigten Organismenarten nicht durch Zugabe einer Starterkultur vorwäh len. Vielmehr werden mit dem zuströmenden Abwasser und aus der umgebenden Atmosphäre kontinuierlich eine Vielzahl von Mikroorganismen eingetragen. Man hat es somit immer mit verschiedenen Arten von Mikroorganismen zu tun, die gleichzei tig auftreten und sich in einer Biozönose vergesellschaften.

Um die Ansiedelung spezieller Organismenarten zu steuern, den gewünschten Arten innerhalb der Lebensgemeinschaft einen Vermehrungsvorteil zu bieten, also ihre Populationsstärke anzuheben, und um damit schließlich die Voraussetzungen für eine effiziente Abwasserreinigung zu schaffen, müssen in mehreren aufeinanderfolgenden Verfahrensstufen selektiv wir kende Betriebsbedingungen eingestellt und aufrechterhalten werden.

Es sind Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser bekannt, bei dem der Belebtschlamm, der die erforderlichen Mikroorganismen in Lebensgemeinschaft enthält, in einem biolo gisch geschlossenen System gehalten werden. Beim sogenannten Hauptstromverfahren ist dem Belebungsbecken ein anaerobes Mischbecken für Rohabwasser und von der gereinigten Abwasser lösung abgetrenntem, rückgeführten Belebtschlamm vorgeschal tet. In dieser anaeroben Vorstufe wird Phosphat rückgelöst, um anschließend im belüfteten Belebungsbecken von den Bakte rien verstärkt aufgenommen und mit dem Überschußschlamm aus dem System entfernt zu werden. Die üblichen Verfahren umfas sen neben einer biologischen Phosphorelimination auch eine Stufe, in der Stickstoff abgebaut wird.

Kennwerte für derartige biotechnologische Verfahren zur Abwas serreinigung sind die nachfolgenden Summenparameter, die jeweils eine Teilmenge der im Abwasser enthaltenen Verschmut zung erfassen:

- DOC (Dissolved Organic Carbon); der in der Lösung enthalte ne, organisch gebundene Kohlenstoff.
- BSB₅; der von den Bakterien in einer Abwasserprobe inner halb von 5 Tagen verbrauchte Sauerstoff.
- TKN (Total Kjeldahl Nitrogen); die Summe von organisch gebundenem und in Ammonium fixiertem Stickstoff.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines wei terentwickelten Verfahrens zur biologischen Abwasserreini gung, das sich durch höhere Denitrifikationsleistung, eine verringerte Konzentration von Stickstoff und Phosphat im Ablauf und ein niedrigeres kritisches Verhältnis BSB5/TKN auszeichnet. Es sollen ferner die zur Durchführung des ver besserten Verfahrens notwendigen Vorrichtungen zur Verfügung gestellt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das im Patentan spruch 1 angegebene Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser gelöst. Dabei sind die Verfahrensschritte a) und b) sowie e) bis h) jeweils an sich bereits bekannt. Das vorge schlagene Verfahren unterscheidet sich jedoch grundsätzlich von den bislang bekannten Hauptstromverfahren durch die Ab trennung der Lösung vom Belebtschlamm im Anschluß an die anaerobe Vorstufe, die separate Nitrifizierung der abgetrenn ten Lösung mittels einer zweiten, chemolithotrophen Biozönose sowie die anschließende Wiedervermischung der nitrifizierten Lösung mit dem Belebtschlamm, dessen chemoorganotrophe Biozö nose nicht der Nitrifizierung unterworfen worden ist. In bezug auf die Nitrifikation ist die Denitrifikationsstufe nachgeschaltet. Die Belüftung der denitrifizierenden Biozöno se erfolgt entweder erst nach der Denitrifikation in einem gesonderten, sich anschließenden Verfahrensschritt oder aber bereits in der Denitrifikationsstufe selbst, beispielsweise mittels einer NO_x-gesteuerten Intervallbelüftung, und zusätz lich in einem sich anschließenden weiteren Verfahrensschritt.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt folgendes Funktionsprin zip zugrunde: Das zulaufende Rohabwasser wird zunächst unter anaeroben Bedingungen mit einer chemoorganotrophen ersten Biozönose in Kontakt gebracht. Hydrolysierende und fermentative Bakterien produzieren aus poly- und monomeren Kohlenstoffverbindungen niedere Fettsäuren. Phosphat-rücklösende Bakterien speichern diese Festtsäuren in ihrem Innern unter Phosphatabgabe. Dar aus resultiert eine selektive Entmischung des Abwassers, wobei der in der Lösung enthaltene organisch gebundene Kohlen stoff (DOC) weitgehend vermindert wird, während der Gehalt an Stickstoff reduziert wird und der Phosphatgehalt stark an steigt.

Im zweiten Verfahrensschritt erfolgt eine Abtrennung der Lösung vom Belebtschlamm und damit auch von der ersten Biozö nose.

Die abgetrennte Lösung wird separat mittels einer zweiten, chemolithotrophen Biozönose nitrifiziert. Der Ablauf der Nitrifikationsstufe wird anschließend wieder mit der ersten chemoorganotrophen Biozönose in Kontakt gebracht.

Nun erfolgt die Oxidation der in den P-rücklösenden Bakterien gespeicherten Kohlenstoffverbindungen, wobei Nitrat als Elek tronenakzeptor dient. Ein Teil der dabei freiwerdenden Ener gie wird zur Aufnahme von Phosphaten genutzt. Parallel hierzu erfolgt die Assimilation von Stickstoff und Kohlenstoff.

Im anschließenden Verfahrensschritt wird die denitrifizierte Mischung aus Lösung und Belebtschlamm belüftet, so daß sich ein aerobes Milieu einstellt. Dabei wird weiteres Phosphat aus der Lösung entfernt.

Das Verfahren schließt mit der Separation des gereinigten Abwassers vom Belebtschlamm, der wieder in die anaerobe Vor stufe rückgeführt wird.

Die erfindungsgemäß getrennte Nitrifikation der Lösung in Verbindung mit der nachgeschalteten Denitrifikation führt zu einer deutlichen Erhöhung der Denitrifikationsleistung im Vergleich zu den bisher bekannten Hauptstromverfahren mit simultaner bzw. vorgeschalteter Denitrifikation. Dies hat zur Folge, daß das ablaufende gereinigte Abwasser wesentlich geringere Mengen von Stickstoff enthält und das kritische Verhältnis BSB₅/TKN niedriger liegt. Bei Anwendung des erfin dungsgemäßen Verfahrens lassen sich zudem die Kosten der für die Kohlenstoff-Oxidation notwendigen Belüftung minimieren.

Das vorgeschlagene Verfahren ist anwendbar, sofern eine weit gehende Elimination von Kohlenstoff in der anaeroben Vorstufe gewährleistet ist. Voraussetzung hierfür ist, daß der BSB5- Wert für das zulaufende Rohabwasser nicht zu hoch ist, da die Kapazität zur Speicherung von Kohlenstoff der P-rücklösenden Mikroorganismen begrenzt ist. Die in kommunalem Abwasser üblicherweise anzutreffenden Schmutzkonzentrationen dürften jedoch innerhalb des zulässigen Bereichs liegen. Ferner soll te die zeitliche Verteilung der Zulauffrachten nicht zu star ke Spitzen aufweisen, da anderenfalls leicht abbaubare Kohlen stoff-Verbindungen in die Nitrifikationsstufe durchschlagen. Da erfindungsgemäß die Nitrifikationsstufe vor der Denitrifi kationsstufe und der Belüftungsstufe angeordnet ist, muß das zulaufende Rohabwasser eine ausreichende Pufferkapazität aufweisen.

Bei einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens erfolgt im Anschluß an die gesonderte Nitrifikation der Lösung anstelle der gemeinsamen reinen Denitrifikation eine gemeinsame simultane Denitrifikation der Lösung und des Belebtschlamms in abwechselnd aerobem und anoxischem Milieu. Hierbei findet eine Rest-Nitrifikation/Denitrifikation statt.

Die auf die Angabe einer entsprechenden Vorrichtung zur Durch führung des vorgeschlagenen Verfahrens gerichtete wird durch die im Patentanspruch 3 angegebene vierstufige Anlage zur biologischen Behandlung von Abwasser gelöst. Die Verwendung von anaeroben Vorbecken, Zwischenklärbecken, Nitri fikations-Reaktoren, Denitrifikations-Reaktoren, Nachklär becken, Belüftungseinrichtungen sowie einer Schlammrückfüh rung sind, jeweils für sich allein genommen, vorbekannt. Neu gegenüber dem Stand der Technik ist jedoch die erfindungs gemäße Anordnung dieser Komponenten in einer Abwasser-Kläran lage, wobei ein wesentliches Merkmal das Vorsehen eines Schlamm-Bypasses ist, durch den der Belebtschlamm ohne vor herige Belüftung aus dem Zwischenklärbecken direkt, also unter Umgehung des Nitrifikations-Reaktors, in den Denitrifi kations-Reaktor geleitet wird.

Bei der hier als erste Alternative einer verfahrenstechni schen Realisierung vorgeschlagenen vier-stufigen Kläranlage liegt das kritische Verhältnis BSB₅/TKN relativ niedrig, da durch die kaskadenförmige Anordnung der Einzelkomponenten das Rücklaufverhältnis klein ist und hohe Denitrifikationsraten erreicht werden können.

Kennzeichnend für die erfindungsgemäße Anlage ist die Auf splittung der Volumenströme im Zwischenklärbecken. Das Ver hältnis zwischen den Volumenströmen der der Nitrifikations stufe zugeführten Lösung und des durch den Schlamm-Bypass geführten Belebtschlamms sollte möglichst groß sein, da dann ein hoher Prozentsatz des Stickstoffs in Form von Nitrat für die anschließende Denitrifikation in der nachgeschalteten Denitrifikationsstufe zur Verfügung steht. Das im praktischen Betrieb erreichbare Verhältnis wird durch das Absetzverhalten des Belebtschlamms im Zwischenklärbecken bestimmt.

Das Vorsehen einer Belüftungseinrichtung zur Belüftung der Mischung aus Lösung und Belebtschlamm im Anschluß an die Denitrifikation ist ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung.

Als Belüftungseinrichtung kommt beispielsweise ein terminales Belüftungsbecken in Frage, das auch mit dem Denitrifikations reaktor in einer gemeinsamen Baueinheit integriert sein kann. Die zur zeitweisen Schaffung eines aeroben Milieus erforder liche Belüftung kann aber auch mittels einer NO_x-gesteuerten Sauerstoff-Intervallbelüftung erfolgen.

In alternativer Ausführung der erfindungsgemäßen Anlage kann anstelle des Denitrifikations-Reaktors ein Simultan-Denitrifi kations-Reaktor vorgesehen sein, in welchem in abwechselnd aerobem und anoxischem Milieu eine simultane Denitrifikation/ Rest-Nitrifikation der Mischung aus Lösung und Belebtschlamm erfolgt.

Als Nitrifikations-Reaktor hat sich ein Festbettreaktor, beispielsweise ein Tropfkörper, bewährt; dieser kann aber auch als Belebungsstufe mit eigenem Zwischenklärbecken und Schlammrückführung ausgebildet sein. Zweckmäßig ist der De nitrifikations-Reaktor als Rührkessel-Reaktor ausgebildet.

Zur strömungsmäßigen Entkoppelung ist in vorteilhafter Ausfüh rung der Erfindung zwischen dem Zwischenklärbecken und dem Nitrifikations-Reaktor ein Pumpensumpf vorgesehen.

Speziell für die technische Realisierung des vorgeschlagenen Verfahrens in Kleinanlagen ist mit der Erfindung ein speziell konstruierter Reaktor geschaffen worden. Dieser, im Patentan spruch 10 umschriebene Reaktor gestattet die Ansiedelung der ersten chemolithotrophen Biozönose auf einem submers liegen den Scheibentauchkörper, so daß er als Dreiphasen-Submers- Reaktor bezeichnet werden kann.

Kennzeichnend für den erfindungsgemäßen Dreiphasen-Submers- Reaktor ist die Aufteilung dessen Reaktorgefäßes in ein erstes Kompartiment, in das der Zulauf für das Rohabwasser mündet, und in ein strömungsmäßig davon möglichst gut getrenn tes zweites Kompartiment, in das ein Rücklauf zur Wiederein leitung der separat nitrifizierten Lösung mündet. Wesent liches Merkmal ist ferner die Anordnung einer Belüftungsein richtung im zweiten Kompartiment, mittels der örtlich oder zeitlich beschränkt ein aerobes Milieu eingestellt werden kann.

Das zulaufende Rohabwasser wird in den unteren Bereich des ersten anaeroben Kompartiments eingeleitet und strömt zwi schen den Scheiben des submers liegenden Scheibentauchkörpers nach oben. Der die erste chemolithotrophe Biozönose darstel lende Bewuchs auf dem Scheibentauchkörper produziert aus ge lösten Kohlenstoffverbindungen niedere Fettsäuren und spei chert diese unter Phosphatabgabe. Dieses erste Kompartiment entspricht also dem anaeroben Vorbecken in einer herkömmli chen Anlage mit Rührkessel-Reaktoren.

Primärschlamm und Überschußschlamm sinken innerhalb des er sten Kompartiments nach unten, setzen sich am Boden des Reak tors ab und gelangen unter dem sich sehr langsam drehenden Scheibentauchkörper in das zweite Kompartiment, in dem anoxi sches Milieu herrscht.

Die überstehende Lösung hingegen verläßt das erste anaerobe Kompartiment über den oben liegenden Ablauf und wird einer getrennten Nitrifikation zugeleitet. Der Ablauf dieser, außer halb des Dreiphasen-Submers-Reaktors angeordneten Nitrifika tionsstufe wird anschließend von unten in das zweite anoxi sche Kompartiment rückgeführt. Hier erfolgt nun die Denitrifi kation und Phosphataufnahme mittels der im anaeroben Teil ge speicherten Kohlenstoff-Verbindung sowie der im Primärschlamm enthaltenen Reduktionsäquivalente. Die somit denitrifizier te Abwasserlösung strömt innerhalb des zweiten Kompartiments nach oben und erreicht dessen oberen Bereich, in dem die Be lüftungseinrichtung angeordnet ist. Der dort eingetragene Sau erstoff wird von der auf den Scheiben des Scheibentauchkör pers angesiedelten Biozönose zur Oxidation von gespeicherten Kohlenstoff-Verbindungen, gekoppelt mit einer Aufnahme von Phosphat, genutzt.

Das gereinigte Abwasser verläßt den Reaktor durch den am obe ren Teil des zweiten Kompartiments vorgesehenen Ablauf und kann gegebenenfalls einer Nachklärung zugeführt werden.

Der mit der Erfindung vorgeschlagene Dreiphasen-Submers-Reak tor zeichnet sich durch folgende vorteilhafte Eigenschaften aus: Er ermöglicht die Ansiedelung einer P-rücklösenden Biozö nose auf festen Flächen, nämlich auf den Scheiben des Schei bentauchkörpers. Der Energieeintrag ist im Vergleich zu ande ren Systemen relativ niedrig. Der Primärschlamm wird zur Opti mierung der P-Elimination und Denitrifikation genutzt. Auf aufwendige Schlammkreisläufe kann verzichtet werden.

Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Reak tors ist die Trennvorrichtung als Trennstangen ausgebildet, welche im wesentlichen vertikal verlaufen und zwischen den Scheiben des Scheibentauchkörpers angeordnet sind. Zweck mäßigerweise sind diese Trennstangen jeweils mit ihrem oberen Ende in einer oberen Trennwand und mit ihrem unteren Ende in einer unteren Trennwand verankert. Der sich im Betrieb auf den Trennstangen und den Scheiben des Scheibentauchkörpers dienende Film aus Biomasse dient nicht nur der biochemischen Umsetzung innerhalb des Reaktors, sondern bewirkt gleichzei tig die Abdichtung dessen beiden Kompartimente. Eine hohe Qua lität der Kompartimentierung ist notwendig, da von ihr das kritische Verhältnis BSB₅/TKN abhängt.

In Weiterbildung des Reaktors gemäß der Erfindung ist zwi schen der unteren Trennwand, in der die Trennstangen veran kert sind, und dem Boden des Reaktorgefäßes ein Schlammkanal vorgesehen, durch den Primärschlamm und Überschußschlamm kon trolliert aus dem ersten anaeroben Kompartiment in das zweite anoxische Kompartiment gelangt. Um dennoch die Kompartimentie rung soweit wie möglich aufrechtzuerhalten, hat sich die An ordnung einer Schlammbarriere an der Innenwand des Reaktorge fäßes unterhalb des Zulaufs für Rohabwasser bewährt. Diese Schlammbarriere sollte bis nahe an den Umfang des Scheiben tauchkörpers heranreichen.

Das Vorsehen von Durchmischungswellen unterhalb des Scheiben tauchkörpers gewährleistet eine hinreichende Durchmischung der Lösung und des Belebtschlamms im unteren und mittleren Reaktorbereich.

Bevorzugt wird insbesondere eine Ausführung des Reaktors, bei dem die Belüftungseinrichtung ein rotierender halbgetauchter Zusatz-Scheibentauchkörper ist, dessen Scheiben teilweise zwi schen den Scheiben des submers liegenden Scheibentauchkörpers angeordnet sind. Durch die Rotation des Zusatz-Scheibentauch körpers wird Sauerstoff in den oberen Bereich des zweiten Kom partiments eingetragen, welcher von der auf den Scheiben des Scheibentauchkörpers angesiedelten Biozönose zur Oxidation von gespeicherten Kohlenstoff-Verbindungen, gekoppelt mit der Aufnahme von Phosphat, genutzt wird. Zweckmäßigerweise haben der submers liegende Scheibentauchkörper und der halbgetauch te Zusatz-Scheibentauchkörper gleiche Drehrichtung, wobei sich naturgemäß der Zusatz-Scheibentauchkörper um ein Viel faches schneller dreht als der sehr langsam rotierende, sub mers liegende Scheibentauchkörper.

Auf den gut belüfteten Scheiben des nur halbgetauchten Zusatz-Scheibentauchkörpers läßt sich vorteilhaft eine (drit te) Schönungsbiozönose ansiedeln, welches in der Lösung noch vorhandenes Ammonium nitrifiziert.

Bei der Abwasserreinigung gebildeter Überschußschlamm kann aus dem Reaktor entfernt werden, wenn am Boden des Reaktorge fäßes ein zusätzlicher Ablauf für Überschußschlamm vorgesehen ist.

Die im Patentanspruch 20 angegebene Anlage dient ebenfalls zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 zur biologischen Behandlung von Abwasser. Diese Anlage enthält als Kern den zuvor beschriebenen Dreiphasen-Submers-Reaktor und stellt eine Alternative zu der im Patentanspruch 3 angege benen technischen Realisierung mit herkömmlichen Einzelkompo nenten dar.

Innerhalb des speziell konstruierten Dreiphasen-Submers-Reak tors findet die Vorbehandlung des zulaufenden Rohabwassers durch Kontaktierung mit der ersten chemoorganotrophen Biozöno se im ersten, die anaerobe Vorstufe darstellenden Komparti ments sowie die anschließende Abtrennung der Lösung vom Be lebtschlamm statt. Der zwischen den Ablauf des ersten Kompar timents und den Rücklauf in das zweite Kompartiment geschalte te Nitrifikations-Reaktor enthält die zweite, chemolitho trophe Biozönose, mittels der die separate Nitrifizierung der abgetrennten Lösung erfolgt. Die anschließende gemeinsame De nitrifikation der wieder mit dem Belebtschlamm vermischten Lö sung findet im zweiten Kompartiment des Dreiphasen-Submers- Reaktors statt. Nach Belüftung im oberen Teil des zweiten Kom partiments wird die Lösung des insoweit gereinigten Abwassers wieder vom Belebtschlamm, der im Reaktorgefäß verbleibt, abge trennt und kann gegebenenfalls einem nachgeschalteten Nach klärbecken zugeführt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Verfahren zur biologischen Behand lung von Abwasser, in einem Prinzip bild;

Fig. 2 eine erste Anlage zur biologischen Be handlung von Abwasser, in schematischer Darstellung;

Fig. 3 einen Dreiphasen-Submers-Reaktor zur biologischen Behandlung von Abwasser, in einem Vertikalschnitt;

Fig. 4 die Besiedelung des Reaktors von Fig. 3 mit Mikroorganismen;

Fig. 5 die Milieuzonierung innerhalb des Reak tors von Fig. 3;

Fig. 6 den Reaktor von Fig. 3 als Bestandteil einer zweiten alternativen Anlage zur biologischen Behandlung von Abwasser, in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur biologi schen Behandlung von Abwasser in einem Prinzipbild darge stellt. Es handelt sich hierbei um ein Hauptstromverfahren.

Das zulaufende Rohabwasser wird in einer anaeroben Vorstufe mit Belebtschlamm vermischt, welcher eine erste chemoorgano trophe Biozönose I enthält. Anschließend erfolgt eine Tren nung der Lösung vom Belebtschlamm. Die abgetrennte Lösung wird in einer darauffolgenden Nitrifikationsstufe, in der aerobes Milieu herrscht, mit einer zweiten chemolithotrophen Biozönose II in Kontakt gebracht. Der Belebtschlamm wird an dieser Nitrifikationsstufe vorbei geleitet. Im nächsten Ver fahrensschritt wird die separat nitrifizierte Lösung wieder mit dem Belebtschlamm, der die Biozönose I enthält, ver mischt. In anoxischem Milieu erfolgt nun eine gemeinsame De nitrifikation der Mischung aus Lösung und Belebtschlamm. Es schließt sich hier eine Simultan-Denitrifikationsstufe an, in der durch Intervallbelüftung abwechselnd aerobes und anoxi sches Milieu eingestellt wird. Es erfolgt somit simultan eine Rest-Nitrifikation bzw. Denitrifikation. Das gereinigte Abwas ser wird vom Belebtschlamm separiert und verläßt das System als Ablauf. Der Belebtschlamm, und damit die Biozönose I, wird in die anaerobe Vorstufe zurückgeführt.

Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Anlage stellt eine erste Altenative einer technischen Realisierung des vorste hend anhand Fig. 1 erläuterten Verfahrens unter Verwendung herkömmlicher Reaktoren dar.

Das zulaufende Rohabwasser wird zunächst in ein voll durch mischtes anaerobes Vorbecken AVB, das als Rührkessel-Reaktor ausgebildet ist, gegeben und dort mit der ersten chemoorgano trophen Biozönose I vermischt. In einem sich anschließenden Zwischenklärbecken ZKB setzt sich der Belebtschlamm ab. Die überstehende Lösung fließt in einen Pumpensumpf PS und wird von dort in einen Nitrifikations-Reaktor NIR geleitet. Als Nitrifikations-Reaktor NIR dient hier ein Festbett-Reaktor, beispielsweise ein Tropfkörper, auf dem die zweite chemolitho trophe Biozönose II angesiedelt ist. Es schließt sich ein De nitrifikations-Reaktor DER an, in den die getrennt nitrifi zierte Lösung geleitet wird.

Der am Boden des Zwischenklärbeckens ZKB abgesetzte Belebt schlamm wird durch einen Schlamm-Bypass Byp direkt, also un ter Umgehung des Nitrifikations-Reaktors NIR, in den Denitri fikations-Reaktor DER gepumpt. Nach der gemeinsamen Denitrifi zierung der Lösung und des wieder zugesetzten Belebtschlamms erfolgt eine Belüftung der Biozönose II in einem nachgeschal teten terminalen Belüftungsbecken TBB. Alternativ kann die Belüftungseinrichtung auch in Form einer NO_x-gesteuerten Sau erstoff-Intervallbelüftung (nicht dargestellt) in den Denitri fikations-Reaktor DER integriert sein, der damit zum Simul tan-Denitrifikations-Reaktor mit abwechselnd aerobem und an oxischem Milieu wird.

Als letzte Stufe ist ein Nachklärbecken NKB vorgesehen, in dem die Lösung wieder vom Belebtschlamm abgetrennt wird. Das gereinigte Abwasser verläßt die Anlage über den Ablauf, wäh rend der abgesetzte Belebtschlamm über eine Schlammrückfüh rung Rü in das anaerobe Vorbecken AVB zurückgepumt wird und somit größtenteils in der Anlage verbleibt. Überschuß- Schlamm ÜS wird über einen Abfluß am Nachklärbecken NKB aus der Anlage abgezogen.

In Fig. 3 ist ein speziell konstruierter Dreiphasen-Submers- Reaktor 3PSR dargestellt, welcher zur Durchführung des anhand Fig. 1 beschriebenen Verfahrens zur biologischen Behandlung von Abwasser dient.

In einem Reaktorgefäß 1 ist ein submers liegender Scheiben tauchkörper 2 um seine Drehachse 3 drehbar gelagert. Das Inne re des Reaktorgefäßes 1 wird durch vertikal zwischen den Scheiben des Scheibentauchkörpers 2 verlaufende Trennstan gen 4 in ein erstes Kompartiment KI und ein zweites Kompar timent KII aufgeteilt. Die Trennstangen 4 sind jeweils in ei ner oberen Trennwand 5 und einer unteren Trennwand 6 veran kert.

In den unteren Teil des ersten Kompartiments KI mündet ein Zulauf 7 für Rohabwasser. Am oberen Teil des ersten Komparti ments KI ist ein erster Ablauf 8 für Lösung vorgesehen. In den unteren Teil des zweiten Kompartiments KII mündet ein Rücklauf 9 zur Wiedereinleitung der außerhalb des Reaktors getrennt nitrifizierten Lösung. Am oberen Teil des zweiten Kompartiments KII ist ein zweiter Ablauf 10 für das gereinig te Abwasser vorgesehen. Schließlich ist am Boden des Reaktor- - gefäßes 1 ein Ablauf 11 für Überschußschlamm angeordnet: An der Innenwand des Reaktorgefäßes 1 ist unterhalb des Zu laufs 7 eine Schlammbarriere 12 angeordnet, welche bis nahe an den Umfang des Scheibentauchkörpers 2 heranreicht. Die an ihrem unteren Ende abgerundet ausgebildete untere Trennwand 6 begrenzt gemeinsam mit der Schlammbarriere 12 einen Schlamm kanal 13, durch den Belebtschlamm aus dem ersten Komparti ment I in das zweite Kompartiment II unter dem Scheibentauch körper 2 hindurch gelangen kann.

Der Durchmischung des zu reinigenden Abwassers und des in die sem schwebenden Belebtschlamms im unteren Teil des Reaktors dienen Durchmischungswellen 14 und 15, die unterhalb des Scheibentauchkörpers 2 horizontal angeordnet sind.

Im oberen Teil des zweiten Kompartiments KII ist ein Zusatz- Scheibentauchkörper 16 angeordnet. Dessen Drehachse 17 ver läuft parallel zur Drehachse 3 des submers liegenden Scheiben tauchkörpers 2 und ist ungefähr in Höhe des Füllstands des Reaktorgefäßes 1 angeordnet. Die Scheiben dieses Zusatz-Schei bentauchkörpers 16 sind somit halbgetaucht und überlappen sich teilweise mit den Scheiben des submers liegenden Schei bentauchkörpers 2. Der halbgetauchte Zusatz-Scheibentauchkör per 16 und der submers liegende Scheibentauchkörper 2 rotie ren beide gleichsinnig im Gegenuhrzeigersinn. Während der Scheibentauchkörper 1 nur etwa alle 8 Stunden eine Umdrehung ausführt, rotiert der Zusatz-Scheibentauchkörper 16 ver gleichsweise schnell mit ein bis zwei Umdrehungen pro Minute.

Auf dem submers liegenden Scheibentauchkörper 2 ist die erste chemoorganotrophe Biozönose I angesiedelt - vergleiche Fig. 4. Im unteren Bereich des Reaktors setzt sich Primär und Überschußschlamm ab. Auf den Scheiben des Zusatz Scheiben tauchkörpers 16 ist eine dritte Schönungs-Biozönose III ange siedelt.

Die Aufteilung des Reaktorinneren mittels der Trennstangen 4, zwischen denen sich die Scheiben des Scheibentauchkörpers 2 hindurchdrehen, dient der Milieuzonierung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Im ersten Kompartiment KI herrscht anaerobes Milieu. Im unteren und mittleren Bereich des gegenüberliegen den zweiten Kompartiments KII herrscht, abgesehen von Über gangsbereichen, im wesentlichen anoxisches Milieu. Aufgrund der langsamen Rotation des Scheibentauchkörpers 2 und die cha rakteristische Milieuzonierung unterliegt die chemoorganotro phe Biozönose I (vgl. Fig. 4) einem zyklischen Wechsel von anaeroben (ca. 3 Stunden), anoxischen (ca. 3 Stunden) und aeroben (ca. 2 Stunden) Bedingungen.

Eine zweite technische Realisierung des in Fig. 1 dargestell ten Verfahrens zur biologischen Behandlung von Abwasser ist in Fig. 6 dargestellt. Kern dieser Anlage ist der vorstehend anhand der Fig. 3, 4 und 5 beschriebene Dreiphasen-Sub mers-Reaktor 3PSR. Die Anlage umfaßt neben dem Reaktor 3PSR einen herkömmlichen, als Nitrifikationsstufe dienenden Fest bett-Nitrifikations-Reaktor NIR′ sowie ein Nachklär becken NKB′.

Das zulaufende Rohabwasser gelangt über den Zulauf 7 (vgl. Fig. 3) in den unteren Bereich des anaeroben ersten Komparti ments KII des Reaktors 3PSR und strömt zwischen den Scheiben dessen Scheibentauchkörpers 2 nach oben. Hierbei gelangt das Abwasser mit der Biozönose I unter anaeroben Bedingungen in Kontakt. Primärschlamm und Überschußschlamm aus dem anaeroben Kompartiment KI gelangen durch den Schlammkanal 13 in das zweite anoxische Kompartiment II. Die Abwasserlösung verläßt das erste Kompartiment durch den oben liegenden ersten Ab lauf 8 und wird zum Festbett-Nitrifikations-Reaktor NIR′ ge leitet.

Der Ablauf des Festbett-Nitrifikations-Reaktors NIR′ strömt von unten durch den Rücklauf 9 in das zweite, in diesem Be reich anoxische Kompartiment KII ein. Hier erfolgt nun die gemeinsame Denitrifizierung der Lösung und des Belebt schlamms. Die Lösung strömt dabei innerhalb des zweiten Kom partiments KII nach oben und gelangt in dessen oberen Be reich. Infolge der Rotation des Zusatz-Scheibentauchkör pers 16 wird dort Sauerstoff eingetragen, so daß sich ein aerobes Milieu einstellt. Gleichzeitig nitrifiziert die auf den Scheiben des Zusatz-Scheibentauchkörpers 16 angesiedelte Schönungs-Biozönose III noch vorhandenes Ammonium.

Die gereinigte Abwasserlösung verläßt den Reaktor 3PSR durch dessen oben liegenden zweiten Ablauf 10.

Im Nachklärbecken NKB′ setzt sich in der Abwasserlösung schwe bender Belebtschlamm nach unten ab und kann als Überschuß schlamm ÜS aus der Anlage entfernt werden.

Verzeichnis der Bezugszeichen

AVB Anaerobes Vorbecken
ZKB Zwischenklärbecken
NIR Nitrifikations-Reaktor
DER Denitrifikations-Reaktor
SDR Simultan-Denitrifikations-Reaktor
NKB Nachklärbecken
PS Pumpensumpf
Byp Schlamm-Bypass
Rü Schlamm-Rückführung
ÜS Überschuß-Schlamm
3PSR Dreiphasen-Submers-Reaktor
KI Erstes Kompartiment
KII Zweites Kompartiment
1 Reaktorgefäß
2 Scheibentauchkörper
3 Drehachse (von 2)
4 Trennstangen
5 Obere Trennwand
6 Untere Trennwand
7 Zulauf (in KI)
8 Erster Ablauf (aus KI)
9 Rücklauf (in KII)
10 Zweiter Ablauf (aus KII)
11 Überschußschlamm-Ablauf
12 Schlammbarriere
13 Schlammkanal
14 Durchmischungswelle
15 Durchmischungswelle
16 Zusatz-Scheibentauchkörper
17 Drehachse (von 16)
NIR′ Festbett-Nitrifikations-Reaktor
NKB′ Nachklärbecken

Claims

1. Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser, mit den aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten:

a) Vermischung des zulaufenden Rohabwassers mit Belebt schlamm, der eine erste chemoorganotrophe Biozönose ent hält, in einer anaeroben Vorstufe;
b) Trennung der Lösung vom Belebtschlamm;
c) Nitrifizierung der abgetrennten Lösung mittels einer zwei ten, chemolithotrophen Biozönose in einer Nitrifikations stufe mit aerobem Milieu;
d) Wiedervermischung der nitrifizierten Lösung mit dem Belebt schlamm, der die erste chemoorganotrophe Biozönose ent hält;
e) Gemeinsame Denitrifikation der Mischung aus Lösung und Belebtschlamm in einer Denitrifikationsstufe mit anoxi schem Milieu;
f) Belüftung zur Schaffung eines aeroben Milieus;
g) Separation des gereinigten Abwassers vom Belebtschlamm;
h) Rückführung des Belebtschlamms in die anaerobe Vorstufe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den auf die Nitrifikation folgenden und die Denitrifika tion ersetzenden Verfahrensschritt:

e′) Gemeinsame simultane Denitrifikation der Lösung und des Belebtschlamms in einer Simultan-Denitrifikationsstufe mit abwechselnd aerobem und anoxischem Milieu.

3. Anlage zur biologischen Behandlung von Abwasser gemäß dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren, umfassend:

a) ein volldurchmischtes anaerobes Vorbecken (AVB), in das ein Zulauf für Rohabwasser mündet und welches die erste chemoorganotrophe Biozönose enthält;
b) ein Zwischenklärbecken (ZKB), in dem eine Trennung des Belebtschlamms von der Lösung erfolgt;
c) ein Nitrifikations-Reaktor (NIR) zur separaten Nitrifizie rung der abgetrennten Lösung, welcher die zweite chemo lithotrophe Biozönose enthält;
d) ein Denitrifikations-Reaktor (DER) zur gemeinsamen Denitri fizierung der Lösung und des wieder zugesetzten Belebt schlamms;
e) ein Schlamm-Bypass (Byp), durch den der Belebtschlamm aus dem Zwischenklärbecken (ZKB) direkt in den Denitrifika tions-Reaktor (DNR) geleitet wird;
f) eine Belüftungseinrichtung zur Belüftung der Mischung aus Lösung und Belebtschlamm;
g) ein nachfolgendes Nachklärbecken (NKB), in dem der Belebt schlamm vom gereinigten Abwasser abgetrennt wird;
h) eine Schlammrückführung (Rü) zur Rückführung des abgetrenn ten Belebtschlamms vom Nachklärbecken (NKB) in das anaero be Vorbecken (AVB).

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Belüftungseinrichtung ein terminales Belüf tungsbecken (TBB) ist.

5. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Belüftungseinrichtung als NO_x-gesteuerte Sauerstoff-Intervallbelüftung ausgebildet ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß anstelle des Denitrifikations- Reaktors (DER) vorgesehen ist:

d′) ein Simultan-Denitrifikations-Reaktor zur simultanen Denitrifikation der Mischung aus Lösung und Belebt schlamm, in welchem abwechselnd aerobes und anoxisches Milieu herrscht.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Nitrifikations-Reak tor (NIR) als Festbettreaktor ausgebildet ist.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Denitrifikations-Reak tor (DNR) als Rührkesselreaktor ausgebildet ist.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen dem Zwischenklär becken (ZKB) und dem Nitrifikations-Reaktor (NIR) ein Pumpen sumpf (PS) vorgesehen ist.

10. Dreiphasen-Submers-Reaktor (3PSR) zur biologischen Behand lung von Abwasser gemäß dem im Anspruch 1 angegebenen Verfah ren, umfassend:

- ein Reaktorgefäß (1);
- eine Trennvorrichtung, die das Innere des Reaktorge fäßes (1) in ein erstes Kompartiment (KI) mit anaerobem Milieu und ein zweites Kompartiment (KII) mit vorwiegend anoxischem Milieu aufteilt;
- einen submers liegenden und sich langsam drehenden Scheiben tauchkörper (2), der die Trennvorrichtung durchsetzt und auf dem die erste chemolithotrophe Biozönose angesiedelt ist;
- einen in den unteren Teil des ersten Kompartiments (KI) mündenden Zulauf (7) für Rohabwasser;
- einen am oberen Teil des ersten Kompartiments (KI) vorgese henen ersten Ablauf (8) für Lösung;
- einen in den unteren Teil des zweiten Kompartiments (KII) mündenden Rücklauf (9) zur Wiedereinleitung der nitrifizier ten Lösung;
- einem am oberen Teil des zweiten Kompartiments (KII) vorge sehenen zweiten Ablauf (10) für das gereinigte Abwasser;
- einer im zweiten Kompartiment (KII) angeordneten Belüftungs einrichtung.

11. Reaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Trennvorrichtung als Trennstangen (4) ausge bildet sind, welche im wesentlichen vertikal verlaufen und zwischen den Scheiben des Scheibentauchkörpers (2) angeordnet sind.

12. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß die Trennstangen (4) mit ihrem oberen Ende in einer oberen Trennwand (5) und mit ihrem unteren Ende in einer unteren Trennwand (6) verankert sind.

13. Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß zwischen der unteren Trennwand (6) und dem Boden des Reaktorgefäßes (1) ein Schlammkanal (13) für Belebt schlamm vorgesehen ist.

14. Reaktor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand des Reak torgefäßes (1) unterhalb des Zulaufs (7) eine Schlamm barriere (12) angeordnet ist, welche bis nahe an den Umfang des Scheibentauchkörpers (2) heranreicht.

15. Reaktor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Scheiben tauchkörpers (2) Durchmischungswellen (14, 15) angeordnet sind.

16. Reaktor nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungseinrichtung ein im oberen Teil des zweiten Kompartiments (KII) angeordne ter, rotierender halbgetauchter Zusatz-Scheibentauchkör per (16) ist, dessen Scheiben teilweise zwischen den Scheiben des submers liegenden Scheibentauchkörpers (2) angeordnet sind.

17. Reaktor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß der submers liegende Scheibentauchkörper (2) und der halbgetauchte Zusatz-Scheibentauchkörper (16) gleiche Drehrichtung haben.

18. Reaktor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn zeichnet, daß auf den Scheiben des halbgetauchten Zusatz-Scheibentauchkörpers (16) eine Schönungsbiozönose angesiedelt ist.

19. Reaktor nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des Reaktorge fäßes (1) ein Ablauf (11) für Überschuß-Schlamm vorgesehen ist.

20. Anlage zur biologischen Behandlung von Abwasser gemäß dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren, umfassend:

a) den Dreiphasen-Submers-Reaktor (3PSR) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 19;
b) eine zwischen den ersten Ablauf (8) aus dem ersten Kompar timent (KI) und den Rücklauf (9) in das zweite Komparti ment (KII) des Dreiphasen-Submers-Reaktors (3PSR) geschal tete Nitrifikationsstufe zur separaten Nitrifizierung der abgetrennten Lösung, welcher die zweite chemolitotrophe Biozönose enthält.

21. Anlage nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch:

c) ein dem Dreiphasen-Submers-Reaktor (3PSR) nachgeschaltetes Nachklärbecken (NKB′).

22. Anlage nach Anspruch 20 oder 21, gekennzeich net durch:

d) ein zwischen dem ersten Kompartiment (KI) des Dreiphasen- Submers-Reaktors (3PSR) und der Nitrifikationsstufe ge schaltetes Zwischenklärbecken.

23. Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch ge kennzeichnet, daß die Nitrifikationsstufe als Festbett-Nitrifikations-Reaktor (NIR′) ausgebildet ist.

24. Anlage nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch ge kennzeichnet, daß die Nitrifikationsstufe als Belebungsbecken mit eigener Zwischenklärung und Schlammrück führung ausgebildet ist.