DE3925091C2

DE3925091C2 -

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Publication number: DE3925091C2
Application number: DE19893925091
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Biol. Dr. 76698 Ubstadt-Weiher De Kuhn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-07-28
Filing date: 1989-07-28
Publication date: 1993-09-23
Also published as: EP0484352A1; AU632154B2; AU6031490A; CA2059638A1; WO1991001948A1; US5281335A; DE3925091A1; HUT69504A; HU905462D0; JPH04506926A; DD296668A5

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 f) bis g) 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. Anders als bei dem in der älteren, jedoch nachveröffentlichten DE-OS 38 33 185 beschriebenen Verfahren erfolgt die Belüftung der denitrifizierenden Biozönose nicht in einem gesonderten, sich anschließenden Verfahrensschritt, sondern bereits in der Denitrifikationsstufe selbst, beispielsweise mittels einer NO_x-gesteuerten Intervallbelüftung. Dort findet also eine gemeinsame simultane Denitrifikation in abwechselnd aerobem und anoxischem Milieu statt.

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. Daraus resultiert eine selektive Entmischung des Abwassers, wobei der in der Lösung enthaltene organisch gebundene Kohlenstoff (DOC) weitgehend vermindert wird, während der Gehalt an Stickstoff reduziert wird und der Phosphatgehalt stark ansteigt.

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

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 Elektronenakzeptor dient. Ein Teil der dabei freiwerdenden Energie wird zur Aufnahme von Phosphaten genutzt. Parallel hierzu erfolgt die Assimilation von Stickstoff und Kohlenstoff. Simultan wird die denitrifizierte Mischung aus Lösung und Belebtschlamm belüftet, so daß sich abwechselnd aerobes und anoxisches Milieu einstellt und eine Rest-Nitrifikation/Denitrifikation stattfindet. Dabei wird weiteres Phosphat aus der Lösung entfernt.

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

Die erfindungsgemäß getrennte Nitrifikation der Lösung in Verbindung mit der nachgeschalteten Simultan-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 erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich zudem die Kosten der für die Kohlenstoff-Oxidation notwendigen Belüftung minimieren.

Das vorgeschlagene Verfahren ist anwendbar, sofern eine weitgehende 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 sollte die zeitliche Verteilung der Zulauffrachten nicht zu starke Spitzen aufweisen, da anderenfalls leicht abbaubare Kohlenstoff- Verbindungen in die Nitrifikationsstufe durchschlagen. Da erfindungsgemäß die Nitrifikationsstufe vor der Denitrifikationsstufe mit Belüftung angeordnet ist, muß das zulaufende Rohabwasser eine ausreichende Pufferkapazität aufweisen.

Die auf die Angabe einer entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens gerichtete Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 3 angegebene vierstufige Anlage zur biologischen Behandlung von Abwasser gelöst. Die Verwendung von anaeroben Vorbecken, Zwischenklärbecken, Nitrifikations- Reaktoren, Denitrifikations-Reaktoren, Nachklärbecken, Belüftungseinrichtungen sowie einer Schlammrückführung sind, jeweils für sich allein genommen, vorbekannt. Neu gegenüber dem Stand der Technik ist jedoch die erfindungsgemäße Anordnung dieser Komponenten in einer Abwasser-Kläranlage, wobei ein wesentliches Merkmal das Vorsehen eines Schlamm-Bypasses ist, durch den der Belebtschlamm ohne vorherige Belüftung aus dem Zwischenklärbecken direkt, also unter Umgehung des Nitrifikations-Reaktors, in den Denitrifikations- Reaktor geleitet wird, sowie das Vorsehen einer Belüftungseinrichtung im Denitrifikations-Reaktor, der dadurch zum Simultan-Denitrifikations-Reaktor wird, indem eine simultane Denitrifikation/Rest-Nitrifikation der Mischung aus Lösung und Belebtschlamm erfolgt.

Bei der hier vorgeschlagenen verfahrenstechnischen Realisierung einer vierstufigen 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 Aufsplittung der Volumenströme im Zwischenklärbecken. Das Verhältnis zwischen den Volumenströmen der der Nitrifikationsstufe 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 Simultan-Denitrifikationsstufe zur Verfügung steht. Das im praktischen Betrieb erreichbare Verhältnis wird durch das Absetzverhalten des Belebtschlamms im Zwischenklärbecken bestimmt.

Die zur zeitweisen Schaffung eines aeroben Milieus im Simultan- Denitrifikationsreaktor erforderliche Belüftung kann mittels einer NO_x-gesteuerten Sauerstoff-Intervallbelüftung erfolgen. Als Belüftungseinrichtung kommt beispielsweise aber auch ein terminales Belüftungsbecken in Frage, das mit dem Denitrifikationsreaktor in einer gemeinsamen Baueinheit integriert ist.

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 Simultan- Denitrifikations-Reaktor als Rührkessel-Reaktor ausgebildet.

Zur strömungsmäßigen Entkoppelung ist in vorteilhafter Ausführung 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 Patentanspruch 8 umschriebene Reaktor gestattet die Ansiedelung der ersten chemolithotrophen Biozönose auf einem submers liegenden 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 getrenntes zweites Kompartiment, in das ein Rücklauf zur Wiedereinleitung der separat nitrifizierten Lösung mündet. Wesentliches Merkmal ist ferner die Anordnung einer Belüftungseinrichtung 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 zwischen den Scheiben des submers liegenden Scheibentauchkörpers angeordnet sind. Durch die Rotation des Zusatz-Scheibentauchkörpers wird Sauerstoff in den oberen Bereich des zweiten Kompartiments 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 halbgetauchte Zusatz-Scheibentauchkörper gleiche Drehrichtung, wobei sich naturgemäß der Zusatz-Scheibentauchkörper um ein Vielfaches schneller dreht als der sehr langsam rotierende, submers liegende Scheibentauchkörper.

Auf den gut belüfteten Scheiben des nur halbgetauchten Zusatz-Scheibentauchkörpers läßt sich vorteilhaft eine (dritte) 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 Reaktorgefäßes ein zusätzlicher Ablauf für Überschußschlamm vorgesehen ist.

Die im Patentanspruch 17 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 angegebenen technischen Realisierung mit herkömmlichen Einzelkomponenten dar.

Innerhalb des speziell konstruierten Dreiphasen-Submers-Reaktors findet die Vorbehandlung des zulaufenden Rohabwassers durch Kontaktierung mit der ersten chemoorganotrophen Biozönose im ersten, die anaerobe Vorstufe darstellenden Kompartiments sowie die anschließende Abtrennung der Lösung vom Belebtschlamm statt. Der zwischen den Ablauf des ersten Kompartiments und den Rücklauf in das zweite Kompartiment geschaltete Nitrifikations-Reaktor enthält die zweite, chemolithotrophe Biozönose, mittels der die separate Nitrifizierung der abgetrennten Lösung erfolgt. Die anschließende gemeinsame Denitrifikation der wieder mit dem Belebtschlamm vermischten Lösung findet im zweiten Kompartiment des Dreiphasen-Submers- Reaktors statt. Nach Belüftung im oberen Teil des zweiten Kompartiments wird die Lösung des insoweit gereinigten Abwassers wieder vom Belebtschlamm, der im Reaktorgefäß verbleibt, abgetrennt und kann gegebenenfalls einem nachgeschalteten Nachklärbecken zugeführt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Verfahren zur biologischen Behandlung von Abwasser, in einem Prinzipbild;

Fig. 2a eine erste Anlage zur biologischen Behandlung von Abwasser, in schematischer Darstellung;

Fig. 2b eine zweite Anlage zur biologischen Behandlung 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 Reaktors 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 biologischen Behandlung von Abwasser in einem Prinzipbild dargestellt. Es handelt sich hierbei um ein Hauptstromverfahren.

Das zulaufende Rohabwasser wird in einer anaeroben Vorstufe mit Belebtschlamm vermischt, welcher eine erste chemoorganotrophe Biozönose I enthält. Anschließend erfolgt eine Trennung 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 Verfahrensschritt wird die separat nitrifizierte Lösung wieder mit dem Belebtschlamm, der die Biozönose I enthält, vermischt. In anoxischem Milieu erfolgt nun eine gemeinsame Denitrifikation der Mischung aus Lösung und Belebtschlamm. Es schließt sich hier eine Simultan-Denitrifikationsstufe an, in der durch Intervallbelüftung abwechselnd aerobes und anoxisches Milieu eingestellt wird. Es erfolgt somit simultan eine Rest-Nitrifikation bzw. Denitrifikation. Das gereinigte Abwasser 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 entspricht im Aufbau dem in der älteren, aber nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 38 33 185.3 der Linde AG beschriebenen Verfahren.

Das zulaufende Rohabwasser wird zunächst in ein voll durchmischtes anaerobes Vorbecken AVB, das als Rührkessel-Reaktor ausgebildet ist, gegeben und dort mit der ersten chemoorganotrophen 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 chemolithotrophe Biozönose II angesiedelt ist. Es schließt sich ein Denitrifikations- Reaktor DER an, in den die getrennt nitrifizierte Lösung geleitet wird.

Der am Boden des Zwischenklärbeckens ZKB abgesetzte Belebtschlamm wird durch einen Schlamm-Bypass Byp direkt, also unter Umgehung des Nitrifikations-Reaktors NIR, in den Denitrifikations- Reaktor DER gepumpt. Nach der gemeinsamen Denitrifizierung der Lösung und des wieder zugesetzten Belebtschlamms erfolgt eine Belüftung der Biozönose II in einem separaten, nachgeschalteten terminalen Belüftungsbecken TBB.

Die in Fig. 2b dargestellte Anlage unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Anlage gemäß Fig. 2a dadurch, daß in den Denitrifikations-Reaktor DER eine als NO_x-gesteuerte Sauerstoff-Intervallbelüftung ausgebildete Belüftungseinrichtung integriert ist, wodurch der Reaktor DER zum Simultan- Denitrifikations-Reaktor mit abwechselnd aerobem und anoxischem 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, während der abgesetzte Belebtschlamm über eine Schlammrückführung 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 Belebtschlamm, der eine erste chemoorganotrophe Biozönose enthält, in einer anaeroben Vorstufe;
b) Trennung der Lösung vom Belebtschlamm;
c) Nitrifizierung der abgetrennte Lösung mittels einer zweiten, chemolithotrophen Biozönose in einer Nitrifikationsstufe mit aerobem Milieu;
d) Wiedervermischung der nitrifizierten Lösung mit dem Belebtschlamm, der die erste chemoorganotrophe Biozönose enthält;
e) gemeinsame Denitrifikation der Mischung aus Lösung und Belebtschlamm in einer Simultan-Denitrifikationsstufe mit abwechselnd aerobem und anoxischem Milieu;
f) Separation des gereinigten Abwassers vom Belebtschlamm;
g) Rückführung des Belebtschlamms in die anaerobe Vorstufe.

2. 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 Nitrifizierung der abgetrennten Lösung, welcher die zweite chemolithotrophe Biozönose enthält;
d) ein Simultan-Denitrifikations-Reaktor (DER) zur gemeinsamen simultanen Denitrifikation der Lösung und des wieder zugesetzten Belebtschlamms, in welchem abwechselnd aerobes und anoxisches Milieu herrscht.
e) ein Schlamm-Bypass (Byp), durch den der Belebtschlamm aus dem Zwischenklärbecken (ZKB) direkt in den Simultan-Denitrifikations- Reaktor (DER) geleitet wird;
f) eine im Simultan-Denitrifikations-Reaktor (DER) vorgesehene Belüftungseinrichtung zur Belüftung der Mischung aus Lösung und Belebtschlamm;
g) ein nachfolgendes Nachklärbecken (NKB), in dem der Belebtschlamm vom gereinigten Abwasser abgetrennt wird;
h) eine Schlammrückführung (Rü) zur Rückführung des abgetrennten Belebtschlamms vom Nachklärbecken (NKB) in das anaerobe Vorbecken (AVB).

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungseinrichtung als NO_x-gesteuerte Sauerstoff-Intervallbelüftung ausgebildet ist.

4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nitrifikations-Reaktor (NIR) als Festbettreaktor ausgebildet ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Denitrifikations-Reaktor (DER) als Rührkesselreaktor ausgebildet ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zwischenklärbecken (ZKB) und dem Nitrifikations-Reaktor (NIR) ein Pumpensumpf (PS) vorgesehen ist.

7. Dreiphasen-Submers-Reaktor (3PSR) zur biologischen Behandlung von Abwasser gemäß dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren, umfassend:

- ein Reaktorgefäß (1);
- eine Trennvorrichtung, die das Innere des Reaktorgefäßes (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 Scheibentauchkörper (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) vorgesehenen ersten Ablauf (8) für Lösung;
- einen in den unteren Teil des zweiten Kompartiments (KII) mündenden Rücklauf (9) zur Wiedereinleitung der nitrifizierten Lösung;
- einem am oberen Teil des zweiten Kompartiments (KII) vorgesehenen zweiten Ablauf (10) für das gereinigte Abwasser;
- einer im zweiten Kompartiment (KII) angeordneten Belüftungseinrichtung.

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

9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 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.

10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der unteren Trennwand (6) und dem Boden des Reaktorgefäßes (1) ein Schlammkanal (13) für Belebtschlamm vorgesehen ist.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand des Reaktorgefäßes (1) unterhalb des Zulaufs (7) eine Schlammbarriere (12) angeordnet ist, welche bis nahe an den Umfang des Scheibentauchkörpers (2) heranreicht.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Scheibentauchkörpers (2) Durchmischungswellen (14, 15) angeordnet sind.

13. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungseinrichtung ein im oberen Teil des zweiten Kompartiments (KII) angeordneter, rotierender halbgetauchter Zusatz-Scheibentauchkörper (16) ist, dessen Scheiben teilweise zwischen den Scheiben des submers liegenden Scheibentauchkörpers (2) angeordnet sind.

14. Reaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der submers liegende Scheibentauchkörper (2) und der halbgetauchte Zusatz-Scheibentauchkörper (16) gleiche Drehrichtung haben.

15. Reaktor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Scheiben des halbgetauchten Zusatz-Scheibentauchkörpers (16) eine Schönungsbiozönose angesiedelt ist.

16. Reaktor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des Reaktorgefäßes (1) ein Ablauf (11) für Überschuß-Schlamm vorgesehen ist.

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

a) den Dreiphasen-Submers-Reaktor (3PSR) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 16;
b) eine zwischen den ersten Ablauf (8) aus dem ersten Kompartiment (KI) und den Rücklauf (9) in das zweite Kompartiment (KII) des Dreiphasen-Submers-Reaktors (3PSR) geschaltete Nitrifikationsstufe zur separaten Nitrifizierung der abgetrennten Lösung, welcher die zweite chemolitotrophe Biozönose enthält.

18. Anlage nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch:

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

19. Anlage nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch:

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

20. Anlage nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrifikationsstufe als Festbett-Nitrifikations-Reaktor (NIR′) ausgebildet ist.

21. Anlage nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrifikationsstufe als Belebungsbecken mit eigener Zwischenklärung und Schlammrückführung ausgebildet ist.