DE4225699C1 - Reinigung häuslichen bzw. industriellen Abwassers mit hohen Nährstoffrachten auf biologischem Wege - Google Patents
Reinigung häuslichen bzw. industriellen Abwassers mit hohen Nährstoffrachten auf biologischem WegeInfo
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Description
Aufgrund der zunehmenden Belastung der Flüsse, Gewässer und des Grund
wassers durch Stickstoffeinträge, gewinnen Verfahren der Stickstoffeli
minierung zunehmend an Bedeutung. Im folgendem wird eine Pflanzenkläran
lage vorgestellt, die in der Lage ist, hohe Nährstofffrachten zu elimi
nieren. Dabei erstreckt sich der Anwendungsbereich nicht ausschließlich
auf kommunale Abwässer, sondern auch auf hochkonzentrierte stickstoff
haltige industrielle Substrate. Phosphatfrachten werden durch entsprech
ende Auslegung der Sorptionskapazität des Bodenkörpers eliminiert. Stick
stofffrachten werden durch die Kombination Nitrifikation/Denitrifikation
mikrobiell zu elementarem Luftstickstoff umgebaut. Es ist bekannt, daß
mit Pflanzenkläranlagen gute Abbauleistungen für Kohlenstoff- und Phos
phorverbindungen erzielt werden können. Für Stickstoffverbindungen aller
dings sind die Abbau- bzw. Eliminationsleistungen sehr gering (Abwasser
technische Vereinigung Hinweisblatt H 262, Abs. 3.2). Diese niedrigen
Stickstoffeliminationsleistungen der meisten Pflanzenkläranlagen zeigen,
daß diese Forderungen nur durch besondere Konstruktionen und Betriebswei
sen erfüllbar sind.
Aus der DD 3 00 015 A7 ist eine mehrschichtige, vertikal durchströmte Pflan
zenkläranlage bekannt, bei der die mittlere Bodenfilterschicht einen um
etwa drei Größenordnungen geringeren kf-Durchlässigkeitsbeiwert für Flüs
sigkeiten gegenüber den darüber und darunter angrenzenden Bodenfilter
schichten aufweist. Dadurch können sich in dieser Schicht anoxische Zonen
herausbilden, in denen eine Denitrifikation möglich ist. Nachteilig bei
dieser Anlage ist das Fehlen eines für die Denitrifikation erforderlichen
Wasserstoffdonators. Dementsprechend gering ist daher die Stickstoffeli
minationsleistung.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist die Ver
meidung dieses Nachteils.
Die erfindungsgemäße Kläranlage zur biologischen Nachbehandlung von vor
gereinigten häuslichen Abwässern bzw. hochkonzentrierten stickstoffhal
tigen industriellen Substraten, ist ebenfalls eine vertikal durchströmte
mehrschichtige Pflanzenkläranlage. Sie ist versehen mit den bekannten
Mitteln zur intermittierenden Zuführung des Abwassers aus dem Zulaufscha
cht auf den Wurzelraum, zur intermittierenden Ableitung des gereinigten
Wassers aus der unteren Bodenfilterschicht und zur Belüftung der untersten
Bodenfilterschicht.
Die oberste Sandschicht dient zur Aufnahme der Schilfpflanzen und zum
aeroben Abbau der organischen Kohlenstoffverbindungen. Die Schichtstärke
beträgt ca. 0,1 m. Ein bevorzugter kf-Wert beträgt 9,3 * 102- cm/s.
Um die oben genannte Aufgabe, also Verbesserung der Reinigungsleistung
hinsichtlich der Stickstoffelimination zu verbessern, sind in der zwei
ten Schicht erfindungsgemäß Belüftungsschläuche eingebaut. Das Schicht
material besteht aus Grobsand bzw. Lockergestein mit einem kf-Durchläs
sigkeitsbeiwert < 3,47 * 10-3 cm/s entsprechend der Kartieranleitung,
1982, Seite 153, Tabelle 50, der Arbeitsgruppe Bodenkunde der Geolog
ischen Landesämter und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Roh
stoffe der Bundesrepublik Deutschland. Bevorzugt ist ein kf-Wert von 6,03 * 10-1 cm/s.
Die Schichtstärke beträgt ca. 0,3 m.
Nach erfolgtem aeroben Abbau der organischen Kohlenstoffverbindungen,
findet in dieser Schicht die mikrobielle Oxidation von Ammonium zu Ni
trat statt. Um auch bei hohen Stickstofffrachten, z. B. hochkonzentriert
en stickstoffhaltigen industriellen Substraten den Flächenbedarf gering
zu halten, kann über genau dosierte Druckluftmengen eine nahezu voll
ständige Nitrifikation erreicht werden. Gesteuert wird der Kompressor
über eine Zeitschaltuhr, denn nur während der Beschickungsphase der
Pflanzenkläranlage mit vorgereinigtem Rohabwasser und der entsprechenden
Aufenthaltsdauer des zu nitrifizierenden Abwassers in der Nitrifikations
zone ist eine zusätzliche zeitlich begrenzte O2-Versorgung erforderlich.
Durch den CO2-Gehalt der Druckluft und aufgrund der 140-fach höheren
Löslichkeit des CO2 gegenüber O2 wird zusätzlich das Angebot an anorgan
ischem Kohlenstoff für die autotrophen Nitrifikanten erhöht. Dadurch
steigt die Biomasse der Nitrifikanten und damit die Nitrifikationsge
schwindigkeit.
Das vollständig nitrifizierte Abwasser wird anschließend in der dritten
Schicht denitrifiziert. Der limitierende Faktor bei der Denitrifikation
ist der organische Kohlenstoff, der gewöhnlich nicht zur Verfügung steht
(Grund für schlechte Denitrifikationsleistung). Um nun eine Steigerung
der Denitrifikationsgeschwindigkeit zu erzielen, ist letztgenannte Schi
cht erfindungsgemäß mit Dränrohren versehen, die eine externe Zuführung
der organischen Kohlenstoffquelle gewährleisten. Als kostengünstige und
betriebswirtschaftliche relevante Alternative zu den bekannten externen
Kohlenstoffquellen wie Methanol oder Essigsäure wird nun erfindungsge
mäß Pflanzenbiomasse in Form von gehäckseltem Schilf oder Stroh einge
setzt. Hiermit läßt sich eine Steigerung der Denitrifikationsgeschwin
digkeit auf über 90% erreichen, so daß für die Gesamtstickstoffelimi
nation ein Wirkungsgrad von über 90% erreicht wird.
Die experimentell ermittelte Bedarfsmenge für Stroh liegt bei 0,66 kg
Stroh für 1 kg Nitrat. Für eine sichere Denitrifikation wird die Pflan
zenkläranlage diskontinuierlich entleert. Das Abwasser in der Pflanzen
kläranlage wird hoch gestaut bis in die Denitrifikationsschicht, um die
se in den anaeroben und damit in den für die Denitrifikation erforder
lichen anoxischen Bereich zu überführen. Erst wenn der Wasserstand in
der Pflanzenkläranlage die maximale Höhe der Denitrifikationsschicht er
reicht hat, wird diese entleert. Gesteuert wird dieser Vorgang über eine
Aufstau- und Entleerungsvorrichtung, die im Auslaufschacht der Anlage
untergebracht ist.
Die verfahrenstechnische Konzeption der externen Kohlenstoffquellen-Zu
führung ist folgendermaßen gelöst worden. Der Strohbehälter mit dem da
rin befindlichem Stroh für die externe Kohlenstoffquelle ist mittig auf
der Pflanzenkläranlage aufgebaut und bis zur Tiefe der Denitrifikations
schicht eingegraben. Ausgehend von diesem Strohbehälter gehen sternför
mig verteilt, Dränrohre in die Denitrifikationsschicht zur Verteilung
der externen Kohlenstoffquelle in Form von kaltwasserlöslichem Schilf-
bzw. Stromkohlenstoffabwasserexstrakt über ein Gefälle der Dränrohre von
1 : 100. Über einen Schwimmerschalter im Auslaufschacht (Aufstauhöhe
bis in die Denitrifikationszone) wird nun die Beschickungspumpe für die
Pflanzenkläranlage eingeschaltet, die eine über Schwimmerschalter ein
stellbare Intervallmenge mechanisch vorgereinigtem Rohabwasser auf die
Pflanzenkläranlage über Fallrohre leitet. Gleichzeitig wird nun - über
eine Zeitschaltuhr gesteuert - genau nach der benötigten Durchlaufzeit
des vorgereinigten Rohabwassers durch die Nitrifikationszone, eine Do
sierpumpe eingeschaltet, die eine vorher eingestellte definierte Menge
mechanisch vorgereinigtem Rohabwasser in den Strohbehälter pumpt. Ggfs.
wird über die o.g. Zeitschaltuhr auch ein eventuell erforderlicher Kom
pressor eingeschaltet, der für den Zeitraum des Aufenthaltes des Abwas
sers in der Nitrifikationsschicht, diese, wie schon erwähnt, belüftet.
Die Dränrohre sind bis zum oberen Rand des Strohbehälters geführt und
da die Beschickung des Strohbehälters von unten nach oben erfolgt, ent
steht ein erfindungsgemäßer kaltwasserlöslicher Schilf- bzw. Strohkohl
enstoffabwasserexstrakt, der über den Überlauf in die Dränrohre und da
mit in die Denitrifikationsschicht der Pflanzenkläranlage geleitet wird.
Die Kohlenstoffquellen-Zugabe erfolgt genau nach Durchlauf des vorgerei
nigtem Abwassers durch die Nitrifikationszone, weil sich dann das nitri
fizierte Abwasser mit dem kaltwasserlöslichem Schilf- bzw. Strohkohlen
stoffabwasserexstrakt in der dritten Schicht vermischen kann. Da die De
nitrifikationsschicht durch Aufstau anaerob geworden ist, entsteht beim
Einsickern des nitrathaltigen Abwassers die anoxische Zone. Mittels des
extern zugeführten leicht abbaubaren Kohlenstoffs als Elektronen- bzw.
Wasserstoffdonator wird nun durch fakultativ anaerobe Mikroorganismen
Nitrat zu gasförmigen elementarem Stickstoff reduziert.
Die Denitrifikationsschicht selbst besteht aus einer schluffreichen, ton
armen Sandschicht mit einem kf-Durchlässigkeitsbeiwert von 1,16 * 10-4
bis 4,63 * 10-4 cm/s entsprechend der Kartieranleitung 1982, Seite 153,
Tabelle 50. Die Schichtstärke beträgt ca. 0,4 m. (Bevorzugter kf-Wert: 4 * 10-4 cm/s.
Bei weiterem Einsickern des Abwassers und gleichzeitigem Anstieg des
Wasserstandes in der Pflanzenkläranlage und damit im Auslaufschacht
(Prinzip der kommunizierenden Röhren) bis zu einem vorher einstell
barem Wasserstand (über die Länge der Aufstau- bzw. Entleerungsvor
richtung) in der Pflanzenkläranlage wird diese dann schwallweise ent
entleert. Dadurch entsteht bekanntermaßen ein Unterdruck (aufgrund der
unterschiedlichen Entwässerungseigenschaften der Denitrifikationsschi
cht und der untersten Schicht), so daß über eingebaute Lüftungsrohre
in Höhe der untersten Schicht Umgebungsluft in die letzte Schicht einge
sogen wird. Diese zusätzliche O2-Versorgung dient zum Restkohlenstoff-
bzw. Restammoniumabbau in der untersten Schicht.
Aufgebaut ist die letzte Schicht aus Grobsand bzw. Lockergestein mit
einem kf-Durchlässigkeitsbeiwert < 3,47 * 10-3 cm/s entsprechend der
Kartieranleitung, 1982, Seite 153, Tabelle 50, der Arbeitsgruppe Boden
kunde der Geologischen Landesämter und der Bundesanstalt für Geowissen
schaften und Rohstoffe der Bundesrepublik Deutschland. Die Schichtstärke
beträgt ca. 0,4 m. Bevorzugt ist ein kf-Wert von 9,3 * 10-2 cm/s.
Claims (4)
1. Verfahren zum Reinigen von häuslichem bzw. industriellem Abwasser
mit hohen Nährstofffrachten auf biologischem Wege durch vertikales
Durchströmen einer Pflanzenkläranlage mit optimierter Stickstoffeli
mination, die von oben nach unten folgende Schichten aufweist
- - eine erste aerobe Sandschicht, die mit Schilf bepflanzt ist,
- - eine zweite Schicht aus Grobsand bzw. Lockergestein, die bei sehr hohen Stickstoffkonzentrationen belüftet werden kann,
- - eine dritte anoxische, schluffreiche, tonarme Sandschicht
- - eine letzte Schicht aus Grobsand bzw. Lockergestein,
wobei der ersten Schicht intermittierend intervallweise mechanisch vor
gereinigtes Abwasser zugeführt wird und aus der letzten Schicht
Wasser intermittierend abgezogen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung der Nitrifikation die
zweite Schicht erfindungsgemäß bei sehr hohen Stickstoffkonzentratio
nen bedarfsgerecht
mit Druckluft belüftet wird und zur Optimierung der Denitrifikation
erfindungsgemäß in die dritte Schicht bedarfsgerecht kaltwasserlös
licher Schilf- bzw. Strohkohlenstoffabwasserexstrakt eingeführt wird und wobei
die externe organische Kohlenstoffquelle, sowie eventuell erforder
liche Druckluft gezielt, bedarfsgerecht und automatisch zudosiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuer
einrichtung für den Kompressor zur Druckluftzufuhr in die Nitrifika
tionszone, der Beschickungspumpe für die Zuführung des mechanisch vor
gereinigten Rohabwassers zur Pflanzenkläranlage und für die Dosier
pumpe der externen Kohlenstoffquelle, ein Schwimmer im Auslaufschacht
der Pflanzenkläranlage eingesetzt wird, durch den gleichzeitig ein
selbsttätiger Abwasseraufstau in der Pflanzenkläranlage, sowie eine
selbsttätige Entleerung der Pflanzenkläranlage vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein eventuell
vorhandener Restkohlenstoff- bzw. Restammoniumgehalt aus der externen
Kohlenstoffquelle in einer der Denitrifikationsschicht nachfolgenden vierten
Schicht abgebaut wird.
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