DE4114694C2 - Biologische Kläranlage mit einem getrennten Regenerationskreislauf für Belebtschlamm und ihr Betriebsverfahren - Google Patents

Description

Zielsetzung der Erfindung ist es, eine biologische Klär­ anlage zu entwickeln, die neben der Abwasserreinigung von häuslichen Abwässern auch bei ungünstig zusammen­ gesetzten Abwasserarten wie z. B. den Abwässern aus der Zucker-, Wein-, Most-, Kartoffelchipsherstellung selbst bei hoher organischer Belastung des Abwassers einen weitgehend biologisch stabilen aeroben Abbau ohne die Bildung von Fadenbildnern (Blähschlamm) ge­ währleistet. Kläranlagen, in denen es zu einer Bläh­ schlammbildung kommt, erfüllen ihren Zweck nicht. Sie sind wirkungslos, da die Nachklärung des Schlammes nicht mehr funktioniert.

Bei dem Belebtschlammverfahren zur Reinigung von organisch belasteten Abwässern gibt es eine techni­ sche Variante, bei der der Rückführschlamm aus dem Nachklärbecken vor der Rückführung als Impfschlamm in das Belebungsbecken in speziellen Zwischenbecken wiederbelüftet wird (vgl. T. R. Haseltine, Journ. Wat. Poll. Contr. Fed. 1961, S. 946). Diese Ver­ fahren benutzen die konventionellen Belüftungstech­ niken mit am Boden des Beckens liegenden Belüftungs­ einrichtungen im Wiederbelüftungsbecken und benötigen 50 bis 86% des Volumens, der für das eigentliche Belebungsbecken notwendig ist. Sie sind in den USA z. B. als "Contact Stabilization Process", "Step Aeration" und "Extended Reaeration Process" ver­ wirklicht worden. Diese Prozesse erfordern bei vergleichbaren BSB₅-Schlammbelastungen etwa den glei­ chen technischen Aufwand und die gleiche Luftmenge wie Belebtschlammanlagen ohne Wiederbelüftung des Belebtschlammes. Sie ergaben auch ähnliche Reinigungs­ leistungen, so daß sie keinen Durchbruch bei den biologischen Abwasserreinigungsanlagen erzielen konn­ ten. In jüngerer Zeit ist der Gedanke der Wiederbe­ lüftung des Belebtschlammes auch in DE 26 35 670 C2 und DE 26 54 431 C3 ange­ führt, wobei die Belüftungseinrichtungen am Boden der Wiederbelüftungsbecken angeordnet sind.

Nach T. Y. Gao, N. Wolters in Korrespondenz Abwasser 29 (1982) S. 80-83 sollen die fadenförmigen Mikroorga­ nismen des Blähschlammes mit einem sich mit 3000 upm drehenden Propeller zerkleinert werden. Sie behindern damit nicht mehr den Absetzvorgang im Nachklärbecken, sind aber weiterhin vermehrungs­ fähig und der Blähschlamm wird innerhalb des Kreislaufs in der biologischen Kläranlage dauernd nachgebildet. Behandelt wird mit dem Propeller am Kopf des Belebungsbeckens ein Gemisch aus frisch zulaufendem Abwasser und Belebtschlamm.

Der Gedanke der Wiederbelüftung des Belebtschlammes wird hier unter völlig geänderten technischen Bedin­ gungen wieder aufgenommen. Die patentgemäße Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in der Belebtschlamm­ flocke selbst bei intensiver Belüftung im Belebungs­ becken eine anaerobe Kernzone entsteht. Die sich beim anaeroben Abbau in dieser Kernzone bildenden Stoff­ wechselprodukte veranlassen die Ausbildung von Faden­ bildnern im Belebtschlamm (Blähschlammbildung).

In dem patentgemäßen Verfahren wird der als Rücklauf­ schlamm für das Belebungsbecken bestimmte Anteil des Nachklärbeckens vorher einem besonderen Regenerations­ kreislauf, bestehend aus einer Zerkleinerungs- und Fördereinrichtung und einem Reaktionsbehälter (Anspruch 1) unterworfen. Hier wird in einem ersten Teilprozeß die Belebtschlammflocke auf eine Größe von 10 bis 130 Mikrometer zerkleinert und in einem zweiten Teilprozeß werden die im Kern der Belebtschlammflocke entstandenen Stoffwechselpro­ dukte aus anaeroben Umsetzungen einer häufig vorhandenen anaeroben Kernzone der Flocke mit Luft­ sauerstoff oxidiert. Die Oxidation der anaeroben Stoffwechselprodukte des Belebtschlammkerns beginnt bereits während des Zer­ kleinerungsvorgangs der Belebtschlammflocke und wird dann in einem Reaktionsbehälter abgeschlossen. Die Oxidationsreaktion ist nach maximal 50 Minuten aus­ reichend, um auch bei hoch konzentrierten Abwässern ungünstiger Zusammensetzung einen blähschlammfreien Betrieb der Kläranlage mit Schlammindexwerten (DIN 38 414, Teil 10) unter 150 ml/g zu gewährleisten.

Der in dem Kreislaufprozeß hergestellte regenerierte Belebtschlamm wird dann dem Belebtschlammbecken wie­ der zugeführt und erhöht hier die Mikroorganismen­ konzentration, indirekt angegeben durch den Trocken­ substanzgehalt (DIN 38 414, Teil 2). Die üblichen biologischen Kläranlagen werden mit einem Trocken­ substanzgehalt von 3,5 g/l im Belebungsbecken betrie­ ben. Bei Vorschaltung des Regenerationskreislaufes ist bei Trockensubstanzgehalten von 3,5 bis 12,5 g/l auch bei hohen Zulaufkonzentrationen ungünstig organisch zusammen­ gesetzter, z. B. zuckerhaltiger Abwässer, ein bläh­ schlammfreier Betrieb möglich, wenn im Belebungsbecken mit unten angeordneten Belüftungseinrichtungen eine Sauerstoffkonzentration von 0,5 bis 2 mg O₂/l einge­ halten wird. Hieraus resultiert eine erhöhte Abbau­ leistung auch üblicher biologischer Belebtschlamman­ lagen, wenn ein patentgemäßer Regenerationskreislauf nachgerüstet wird.

Die Figur zeigt eine schematische Übersicht.

Das verfahrenstechnische Konzept der Erfindung ist in der Abbildung dargestellt. Das Abwasser wird über das Vorklärbecken (1) dem Belebungsbecken (3) Zuge­ führt, wobei der aus dem Regenerationskreislauf stammende regenerierte Schlamm (12) zusammen mit dem aus dem Vorklärbecken kommenden Abwasser (2) vor Kopf dem Belebungsbecken zugeführt wird. Im Nachklärbecken (4) wird das gereinigte Abwasser in Rückführschlamm (6) und gereinigtes Klarwasser (5) getrennt. Der Über­ schußschlamm wird bei (7) abgezogen. Der restliche Rückführschlamm gelangt über (8) in den Regenerations­ kreislauf (9), (10) und (11), der in der Zeichnung umrahmt dargestellt wurde.

Der Regenerationskreislauf hat den Zweck, große Be­ lebtschlammflocken, in denen sich beim Durchlauf durch die Kläranlage im Kern bevorzugt anaerobe Be­ dingungen ausbilden können, in einem Mahlvorgang (10) zu zerreißen. Hierzu müssen die Belebtschlammflocken mit der Pumpe (9) mehrmals über die Zerkleinerungs­ vorrichtung (10) geführt werden, bis im Reaktionsbe­ hälter (11) ein Flockendurchmesser zwischen 10 und 130 µm, vorzugsweise von 10 bis 80 µm erreicht ist. Nach der Zerkleinerung liegen die im anaeroben Kern­ bereich der großen Belebtschlammflocken gebildeten toxischen Stoffe, die auf die nichtfadenförmigen Mikroorganismen tödlich oder zumindest wachstums­ hemmend wirken, offen im Reaktionsbehälter (11) vor und können mit Luftsauerstoff oder anderen geeigneten Oxidationsmitteln oxidiert werden. Der notwendige Luftquerstoff wird bereits bei (10) zugegeben. Die oxidierten Reaktionsprodukte sind nicht mehr toxisch für die nichtfadenförmigen Mikroorganismen im Belebt­ schlamm. Bei den im anaeroben Kernbereich von großen Belebtschlammflocken gebildeten toxischen Verbindungen handelt es sich zum großen Teil um Schwefelwasser­ stoff. Die zerkleinerte und oxidierte Belebtschlamm­ suspension wird dann über (12) wieder dem Belebungs­ becken zugeführt.

Gegenüber konventionellen Wiederbelüftungssystemen des Belebtschlammes werden bei der vorliegenden Er­ findung nur kurze Verweilzeiten im Regenerationskreis­ lauf benötigt und die eingetragenen Luftmengen sind ge­ ring. Bei hohen Feststoffgehalten im Belebtschlamm­ becken und hohen Zuckerkonzentra­ tionen im Abwasser (vgl. Praxisbeispiel) versagen dagegen konventionelle Wiederbelüftungs­ systeme generell, d. h. es kommt hier zu einer Bläh­ schlammbildung in der Kläranlage.

Ein Unteranspruch begründet sich darauf, daß im partikulären Faulwasser aus den Faultürmen und im Abwasser aus Ein- und Mehrkammergruben (Hauskläranlagen) die Bläh­ schlammentstehung fördernden anaeroben Abbauprodukte vorkommen, die vorher in dem patentgemäßen Regene­ rationskreislauf zerkleinert und weitgehend oxidiert werden müssen, bevor sie im Belebungsbecken aerob störungsfrei abgebaut werden.

Ein Unteranspruch begründet sich darauf, daß der patentge­ mäße Regenerationskreislauf mit der Belebtschlamm­ suspension wie ein Biofilter wirkt.

Beispiele 1-3

Das vorstehend beschriebene Verfahren wird an drei Beispielen dargestellt, die den Abbau der organischen Stoffe bei zwei niedrigen und einem hohen Trockensub­ stanzgehalt im Belebungsbecken zeigen. Verwendet wurde eine Versuchskläranlage mit Regenerationskreislauf für den Belebtschlamm, in der ein Substrat mit 50 Gew.-% Rohrzucker und 50% Pepton (bei niedrigen Trockensub­ stanzgehalten, Nr. 1 und 2 der Tabelle 1) und 40 Gew.-% Rohrzucker, 40 Gew.-% Magermilchpulver und 20 Gew.-% Natriumglutamat (bei dem höheren Trockensubstanzgehalt, Nr. 3 der Tabelle 1) abgebaut wurden. Daneben enthielt das Substrat noch phosphat- und stickstoffhaltige Nährsalze in ausreichender Menge. Als Zerkleinerungs­ vorrichtung für die Belebtschlammflocke wurde eine Zweistoffdüse im Regenerationskreislauf verwendet. Die theoretische Verweilzeit im Regenerationskreislauf be­ trug 24 min. Der Belebtschlamm-Treibstrahl machte 98 Vol% des gesamten geförderten Belebtschlamm-/Luft­ gemisches aus. Die Eisen-III-ionenkonzentration betrug 1 mg/l. Der erreichte Umsatzgrad, die Ablauf- und Zulaufkonzentration des Abwassers, der Trocken­ substanzgehalt und die Verweilzeit im Belebungs­ becken, die CSB-Schlammbelastung und der gemessene Schlammvolumenindex können der Tabelle 1 entnommen werden.

Obwohl das zulaufende Abwasser zwischen 40 bis 50 Gew.-% Zucker und weitere blähschlammfördernde Stoffe enthielt, wurde in keinem der Fälle die Entwicklung von Fadenbildnern im Belebtschlamm beobachtet, was am erreichten Schlammvolumenindex abzulesen ist.

Tabelle 1

Claims (5)

1. Die aerobe biologische Kläranlage besteht aus einem Vor­ klärbecken, einem Belebungsbecken und einem Nachklärbecken. Die in das Belebungsbecken zurückzuleitende Belebtschlamm­ suspension aus dem sedimentierten Bereich des Nachklär­ beckens wird in einem Verfahren aufbereitet, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Belebtschlammsuspension einem getrennten Regenerationskreislauf zugeführt wird, in der die Belebtschlammflocke zerkleinert und mit Luftsauerstoff oxidiert wird, bevor sie in das Belebungsbecken zurückge­ leitet wird, dergestalt, daß der grob gesiebte Belebtschlamm kontinuierlich mehrmals durch eine Zerkleinerungsvorrichtung gefördert wird, bis die Belebtschlammflocke aufgebrochen ist und einen Durchmesser von 10 bis 130 µm besitzt. Die Zerkleinerung findet in Düsen oder in Mahlkammern durch Rotationskörper wie z. B. Flügelräder und Propeller statt, wobei zur Erhöhung der auftretenden Scherkräfte in dem Mahlraum und zur nachfolgenden Oxidation Luft eingetragen wird. Der geförderte Volumenstrom der Belebtschlammsuspension macht bis zu 99,8% des gesamten Gemischstromes aus Belebt­ schlammsuspension und Luft aus.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Regenerationskreislauf ein Reaktionsvolumen zur Verfügung gestellt wird, das ausreicht, in einer mittleren theoretischen Verweilzeit von 5 bis 50 Minuten eine weit­ gehende Oxidation des blähschlammverursachenden Schwefel­ wasserstoffs der sulfatreduzierenden Bakterien im anaeroben Kernbereich der Belebtschlammflocke durch den eingetragenen Luftsauerstoff zu bewirken.

3. Gegenstand nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsvorgang des Schwefelwasserstoffs durch die katalytische Wirkung von 1 bis 10 mg/l Eisen-II- oder Eisen-III-ionen unterstützt wird.

4. Gegenstand nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzte Luft aus geruchsbelästigenden Bereichen wie z. B. der Schlammfiltration oder belüfteten Sandfängen der Kläranlage stammt.

5. Gegenstand nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Faultürmen bei der anaeroben Behandlung von Vorklär- und Überschußschlamm entstehende - üblicherweise direkt in das Belebungsbecken oder Vorklärbecken geleitete Abwassermenge (Faulwasser) - erst über den geschilderten Regenerationskreislauf dem Belebungsbecken zugeführt wird. Der gleiche Anspruch gilt für die von außen der biologischen Kläranlage zur Nachreinigung angelieferten Inhalte aus Ein- und Mehrkammergruben (Hauskläranlagen), nachdem sie mechanisch vorzerkleinert wurden.