DE4329239C2 - Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Abwasserreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biologischen Abwasserreinigung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 5.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vor­ richtungen bekannt, auf die im folgenden näher eingegangen wird.

Das Belebtschlammverfahren wurde 1914 von Ardern und Lockett in England entwickelt (Experiments on the oxidation of sewage without the aid of fiters; E. Ardern, W.T. Lockett - The Evolution and Development of the Activated Sludge Process of Sewage Purification in Great Britain, 1914).

Die Hauptkomponenten dieses noch heute am weitesten verbrei­ teten Verfahrens der Abwasserreinigung sind das Belebungsbe­ cken, in dem unter Sauerstoffzufuhr Wasserinhaltsstoffe von im Abwasser schwebenden Bakterien veratmet werden und das Nachklärbecken, in welchem die Bakterien vom Wasser durch Sedimentation getrennt werden, um dann in das Belebungsbec­ ken zurückgepumpt zu werden (siehe Fig. 1).

Belebungsbecken und Sedimentationsbecken sind somit als eine Verfahrenseinheit zu sehen, da die Mikroorganismendich­ te - gemessen als Trockensubstanzgehalt - im Belebungsbec­ ken von der Abscheidewirkung des Nachklärbeckens abhängig ist.

Während im Belebungsbecken ein möglichst hoher Trockensub­ stanzgehalt (TS=7-12 g/l) angestrebt wird (Vorteil: mög­ lichst kompakte und damit kostengünstige Bauweise), ist für das Nachklärbecken ein geringerer Trockensubstanzgehalt (TS=2-4 g/l) erforderlich. Die heutigen Kläranlagen werden mit einem TS-Gehalt von 1,8-5 g/l betrieben.

Der Nachteil der Sedimentationsbecken ist, daß äußere Einflüsse (Sonnen-, Windeinflüsse) unkontrollierbare Dich­ teströmungen in den Becken hervorrufen, welche den Abscheideprozeß erheblich verschlechtern können. Zudem sind Toträu­ me und Kurzschlußströmungen aufgrund von Ein- und Auslauf­ strömungen zu beobachten. Trotz dieser Nachteile sind diese Sedimentationsbecken die am häufigsten in der kommunalen Abwasserreinigungstechnik anzutreffende Nachkläreinheit.

Die oben genannten Nachteile der Sedimentationsbecken werden durch den Einbau von Lamellenpaketen verringert. Dabei kann unterschieden werden in konventionelle Nach­ klärbecken (siehe Fig. 2), die mit solchen Einbauten ausge­ rüstet sind und speziellen Lamellenseparatoren (siehe Fig. 3).

Den Vorteilen der Lamellenseparatoren, wie den kontrollier­ ten Strömungen und dem erheblich geringeren Platzbedarf wie konventionelle Nachklärbecken, stehen jedoch folgende Nach­ teile gegenüber:

Lamellenseparatoren haben aufgrund ihres geringeren Volu­ mens eine deutlich geringere Schlammspeicherkapazität. Bei stark schwankenden Zulaufwassermengen kann der Schlammspie­ gel im Separator ansteigen und zu schlechteren Abscheidewir­ kungen führen.

Einzelne Lamellen können durch Feststoffablagerungen oder Algenbildung auf den Lamellen verstopfen und ihre Funktion verlieren, um dies zu verhindern, werden aufwendige Reini­ gungsmaßnahmen der Separatoren durchgeführt.

Ein weiterer Nachteil der Lamellenseparatoren ist der, daß die Aufenthaltszeit des abzutrennenden Schlammes in den Lamellen unkontrollierbar ist und so der Schlamm denitrifi­ zieren kann. Bei diesem Prozeß kann Schwimmschlamm gebildet werden, der über die Ablaufrinne den Lamellenseparator verläßt und so die Ablaufqualität der Kläranlage erheblich verschlechtert.

Der Nachteil des Belebtschlammverfahrens ist, daß nur ein TS-Gehalt von 2,5-5 g/l im Belebungsbecken erreicht werden kann. Da die Größe des Belebungsbeckens proportio­ nal zum TS-Gehalt im Belebungsbecken ist, kann mit einer Erhöhung des TS-Gehaltes bei kleineren Beckenvolumen die gleiche Reinigungsleistung erzielt werden.

Um einen höheren TS-Gehalt im Belebungsbecken sichern zu können, und um die Ablaufqualität gegenüber Suspensa weiter zu verbessern, haben Seyfried ("Verbesserte Schwebstoffab­ trennung zur Sicherung der biologischen Reinigungsleistung"; C.F. Seyfried - Gewässerschutz-Wasser-Abwasser, Bd. 69, S. 751-769, 1985) und andere Autoren ("Zweistufige Nachklärung zur Verminderung des Schwimmschlammes bei Belebungsanlagen mit Nitrifikation"; S. Zander, Kh. Krauth - Institut für Siedlungswirtschaft der Universität Stuttgart, 1987; und Zusammenwirken von Flotation und Sedimentation bei der "Feststoffabtrennung im Belebungsverfahren"; R Rölle - Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft, Bd. 106) eine zweistufige Nachklärung untersucht. Dabei wird das Abwasser durch zwei in Reihe geschaltete Sedimentations­ becken geleitet, wobei in der ersten Stufe eine Feststoff­ vorabtrennung stattfindet, und in der zweiten Stufe eine weitergehende Abscheidewirkung des Belebtschlammes vom Abwasser erreicht wird. Aufgrund der hohen Baukosten (zwei Abtrennbauwerke) und der geringen Verbesserung der Ablauf­ qualität ist dieses Verfahren jedoch von geringer Bedeu­ tung.

Die Reinigungsleistung einer Kläranlage ist Schwankungen des Trockensubstanzgehaltes im Belebungsbecken unterworfen. Die Verfrachtung der Bakterienmasse aus dem Belebungsbecken in das Nachklärbecken bei kurzfristig höheren Abwasserzuläu­ fen, wie z. B. Regenwetterereignissen, hat eine Erhöhung der Schlammbelastung zur Folge. Die Reinigungsleistung der Kläranlage sinkt dabei, die Ablaufqualität der Anlage verschlechtert sich (vgl. Fig. 4).

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren bzw. die eingangs genannte Vorrichtung derart zu verbessern, daß die aufgezeigten Nachteile sicher vermieden werden. Insofern ist es ein Ziel, die Belebungsbeckenvolumina bei Neubauten - bei gleicher Reinigungsleistung, wie beim konventionellen Be­ lebtschlammverfahren - deutlich zu verkleinern, um somit In­ vestitionskosten einzusparen bzw. die Reinigungsleistung bei bestehenden Anlagen durch Biomassenkonzentrationserhö­ hung im Belebungsbecken zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. 4 gekenn­ zeichnete Vorrichtung bzw. Verfahren gelöst, durch die die Biomassenkonzentration im Belebungsbecken mittels des bzw. der belüfteten Verfahren/Vorrichtung, die auch als Reak­ torablaufkonstruktion bezeichnet werden kann, erhöht wird.

Die erfindungsgemäße Erhöhung beträgt ca. 50-100%, wobei natürlich eine 100%ige Steigerung des Biomassenanteils bevorzugt ist.

Mit Hilfe der verfahrensmäßig vorgesehenen belüfteten Reaktorablaufkonstruktion findet die Biomasse- oder Fest­ stoffanreicherung bereits im Belebungsbecken statt. Schräg eingebaute Platten im Ablauf dieses Beckens begünstigen die Sedimentation des Schlammes, durch kontrollierte Luftzufuhr wird die Aufenthaltszeit des Schlammes in der Entmischungs­ strecke gesteuert. Somit wird eine Eindickung des Belebt­ schlammes im Belebungsbecken erreicht, da die Aufenthalts­ zeit des Wassers von der Aufenthaltszeit des Schlammes getrennt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also die geziel­ te Biomasse- oder Feststoffanreicherung im Belebungsbecken durch die belüftete Reaktorablaufvorrichtung.

In vorrichtungsgemäßer Hinsicht werden im Ablaufbereich von Belebungsbecken schräg verlaufende Lamellenpakete, der Winkel gegenüber der Horizontalen beträgt vorteilhafterwei­ se zwischen 45-70°, mit einer Länge von 85 bis 210 cm über dem Querschnitt des Belebungsbeckens angebracht. Als Lamellenquerschnitt kommen dabei vorteilhafterweise alle bisher gebräuchlichen Querschnittsformen (parallele Plat­ ten, wabenförmige Sonderformen, Rohre) in Frage.

Um das erfindungsgemäße Verfahren prozeßstabil zu betrei­ ben, wird Luft gezielt in den einzelnen Lamellen eingelei­ tet. Die Luftzufuhr kann dabei auf zweierlei Art erfolgen. Zum einen kann durch eine geeignete "Belüftungskonstruk­ tion" jede einzelne Lamelle mit Luft versorgt werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Luftzufuhr in unter­ schiedlichen Tiefen erfolgt und eine Steuerungs- und Rege­ lungstechnik erforderlich ist.

Die Luftversorgung der einzelnen Lamellen kann erfindungsgemäß auch zentral von einer Belüftungsschiene, die am Beckenboden befestigt wird, erfolgen. Hierfür sollten die Lamellenabschlüsse vorteilhafterweise zum Belebungsbecken mit einem Winkel von 3-15° gegenüber der Vertikalen geneigt sein, so daß die Luft in die Lamellen gelangen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit einer entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung desselben bringt somit folgende Vorteile mit sich:

• - beträchtliche Erhöhung des Trockensubstanz-Gehaltes im Belebungsbecken,
• - kleinere Beckenvolumina,
• - geringere Investitionskosten,
• - keine zusätzliche hydraulische Belastung der Nachklärung,
• - eine Stabilisierung der Schlammbelastung durch einen konstanteren Trockensubstanzgehalt,
• - hohe Betriebssicherheit (störungsunanfällig gegen Stromausfall etc.),
• - geringere Schwankungen der Schlammbelastung bei Zuflußschwankungen (Regenereignisse),
• - einfacher und platzsparender Ausbau von bestehenden Kläranlagen,
• - geringe Investitionskosten,
• - keine Rückführung des sedimentierten Schlammes in einem gesonderten Rücklaufschlammstrom (keine Zerstörung der Flocken­ struktur durch (Kreisel-)Pumpen), wie es bei der Schlammrückführung aus dem Nachklärbecken erforderlich ist,
• - geringe Betriebskosten (keine Chemikalien, kein Strom­ verbrauch),
• - einfache Wartungsarbeiten in großen Zeitintervallen,
• - kostengünstigere Maßnahmen zur Vermeidung von Geruchs­ emissionen (Abdecken der Belüftungsbecken),
• - einfache und kostengünstige Erweiterungsmöglichkeiten der Anlage,
• - keine Verstopfung der Lamellen durch Schlammablagerungen oder ähnliches.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Fig. 4 bis 8 beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 bis 4 schematische Skizzen zum Stand der Technik;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 6 eine perspektivische Schemaskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur biologischen Abwasserreinigung;

Fig. 6a Darstellung einer dezentralen Belüf­ tung;

Fig. 7 eine perspektivische Schemaskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer weiteren Ausführungsform, und

Fig. 8 eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit weiteren vorrichtungsgemäßen Einzel­ heiten.

Bei einer beispielhaften Kläranlagengröße von ca. 1400 EWG weist das in Fig. 5 gezeigte Belebungsbecken 10 eine Brei­ te, Länge, Tiefe von 5×10×4 m auf. Der Trockensubstanz­ gehalt im Belebungsbecken beträgt anfänglich 2,5 g/l bei einem maximalen Abwasserzufluß 11 von 10 cbm/h, mit einem Schlammindex von 110 ml/g.

Innerhalb der letzten zwei Meter des Belebungsbeckens 10 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet, die aus schräg ansteigend verlaufenden Lamellenpaketen 18 bestehen, die in geringem Abstand von der hinteren Wand 19 des Bele­ bungsbeckens 10 angeordnet sind. Im beispielsgemäßen Fall werden die Lamellenpakete 18 durch Rohre mit einem Durchmes­ ser von etwa 10 cm gebildet, wobei aufgrund des vorgegebe­ nen Schlammindexes eine Rohrlänge von 120 cm und einem Neigungswinkel von 25 von 60° gewählt wurden.

Um eine große Durchflußmenge von etwa 10 cbm/h zu errei­ chen, wurden 900 Rohre für die erfindungsgemäße Vorrich­ tung als Lamellenpaket 18 eingesetzt. Es dürfte natürlich einleuchten, daß die Bemessungsangaben im Prinzip variiert werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Belüftung mittels der zentralen Belüftungsschiene am Boden des Belebungsbec­ kens 10 unmittelbar vor den Lamellenpaketen 18 erwiesen, wie es auch in den Fig. 7 und 8 zu sehen ist. Ferner sind die Lamellen bei der zentralen Belüftung mittels einer am Boden befestigten Belüftungsschiene gegenüber der Vertikalen in Richtung zum Belebungsbecken hin geneigt, und zwar in einem Winkel von 3 bis 15°, wobei 8° bevorzugt sind, wie letzteres Fig. 8 zeigt, um so die Luftzufuhr zu jeder einzelnen Lamelle zu gewährleisten. Bei geringster hy­ draulischer Belastung kann hier ein Luftdurchsatz von 0,01 cbm/h×Rohr erzielt werden, so daß der Gesamtluftdurchsatz der 900 Rohre bei 9 cbm /h liegt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Belüftung läßt sich ein Trockensubstanzgehalt von 5 bis 7 g/l ohne zusätzliche Belastung der Nachklärung im Belebungsbecken 10 einstellen. Dies bedeutet, daß zu den bereits 1400 EGW weitere 1100 bis 2000 EGW an die Kläranlage angeschlossen werden können.

Die in Fig. 5 gezeigte Überführung 13 zum Nachklärbecken 12, das einen Ablauf und einen Rücklaufschlamm 14 aufweist, ist im Prinzip im Stand der Technik bekannt, so daß hierauf nicht näher eingegangen wird.

Die in Fig. 6 gezeigte Trennwand 30 kann bei dem Verfahren bei der dezentralen Belüftung vor der Lamellenablaufkon­ struktion 18 angebracht werden, um so eine mögliche Störung der laminaren Strömung in den Lamellen durch unkontrollier­ ten Eintrag von Luftblasen aus dem Belebungsbecken 10 (für die Veratmung der Wasserinhaltsstoffe wird das Belebungsbecken belüftet) zu verhindern und eine prozeßstabile Feststoff­ rückhaltung zu gewährleisten. Dabei ist darauf zu achten, daß die Trennwand 30 sowohl über- (Zulauf zur Ablaufkon­ struktion) als auch unterströmt (Schlammrückführung) wird.

Je nach Geometrie des Belebungsbeckens 10 (Verhältnis Querschnitt [Breite × Höhe]/Volumen) und Zuflußmenge 11 wird die jeweilig günstigste Ablaufkonstruktion gewählt. Dabei kann es vorkommen, daß nicht die gesamte Querschnitts­ fläche mit der Ablaufkonstruktion (erfindungsgemäße Vor­ richtung) bestückt werden muß, sondern nur eine gewisse Querschnittsfläche (z. B. nur 60% der Gesamtquerschnittsflä­ che). Damit es nicht zu Kurzschlußströmungen bzw. zum Umströmen der Reaktorablaufkonstruktion kommt, ist es notwendig, eine Abschlußplatte 24 (vgl. Fig. 6) anzubrin­ gen. Die Platte muß dabei einen gewissen Winkel (min. 60%) gegenüber der Horizontalen einhalten, damit der Schlamm sich nicht auf der Platte absetzt, selbstverständlich kann der Winkel auch 90° (senkrecht zur Horizontalen) betragen.

Die dezentrale Belüftung 16 (vgl. Fig. 6 und 6a) kann so aussehen, daß die Lamellenpakete 18 untereinander mit einem perforierten Belüftungsrohr verbunden werden.

Die Belüftungsrohre 31 werden im Zulauf der Reaktorablauf­ konstruktion angebracht, die Belüftung erfolgt für jedes Belüftungsrohr 31 einzeln, da jedes einzelne Rohr zwar in gleichbleibender Wassertiefe liegt, unterschiedliche Belüftungsrohre 31 jedoch in unterschiedlichen Wassertiefen liegen (die Rohre verlaufen parallel mit einem Abstand in Größe der Lamellenhöhe).

Claims (10)

1. Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung, bei dem unter Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr Wasserinhaltsstoffe von im Belebtschlamm-Abwassergemisch schwebenden Bakterien in einem Belebungsbecken (10) veratmet werden, und wobei anschließend das Gemisch und Überschußschlamm in ein Nachklärbecken (12) überführt (13) werden, in welchem die Bakterien vom Wasser durch Sedimentation getrennt und in das Belebungsbecken (10) zurückge­ führt (14) werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Biomassen- bzw. Bakterienan­ teil im Belebungsbecken (10) durch schräg ansteigend verlau­ fend angeordneter Lamellenpakete (18), die am Strömungswe­ gende des Belebungsbeckens (10) vor dem Ablauf beabstandet von letzterem angeordnet sind, erhöht und dadurch der Belebtschlamm eingedickt wird, so daß im Belebtschlammbecken (10) ein Trockensubstanzgehalt von <5 bis 7 g/l ein­ stellbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine gesteuerte Belüftung vorgesehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Belüftung (16) zentral mittels einer unmittel­ bar vor den Lamellenpaketen (18) angeordneten, perforierten Belüftungsschiene durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Belüftung (16) dezentral in unterschiedlichen Tiefen des Belebtschlamm-Abwassergemisches an den Lamellen­ paketen (18) durchgeführt wird.

5. Vorrichtung zur biologischen Abwasserreini­ gung, in der unter Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr Wasserin­ haltsstoffe von im Belebtschlamm-Abwassergemisch schweben­ den Bakterien in einem Belebungsbecken (10) veratmet wer­ den, und wobei anschließend das Gemisch und der Überschuß­ schlamm in ein Nachklärbecken (12) überführt (13) werden, in welchem die Bakterien vom Wasser durch Sedimentation getrennt und in das Belebungsbecken (10) durch eine Pumpe zurückgeführt (14) werden, dadurch gekennzeichnet, daß schräg ansteigend verlaufende Lamellenpakete (18), am Strömungswegende des Belebungsbec­ kens über praktisch seine gesamte Breite und Höhe desselben vor dem Ablauf beabstandet von letzterem angeordnet sind, und daß eine oder mehrere perforierte Schienen oder Rohre unmittelbar vor oder am Lamellenpaket (18) zur Belüftung des Belebtschlamm-Abwassergemisches vorgesehen sind, um den Biomasse- bzw. Bakterienanteil zu erhöhen und im Belebungs­ becken (10) einen Trockensubstanzgehalt von etwa <5 bis 7 g/l einzustellen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lamellenpakete (18) durch parallele Platten, wabenförmige, runde oder ovale Rohre gebildet werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Vielzahl parallel zueinander angeordne­ ter Platten mit einem Winkel von 45 bis 70°, insbesondere 60°, zur Horizontalen angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine perforierte Belüftungsschiene am Boden des Belüftungsbeckens (10) unmittelbar vor den Lamellenpake­ ten (18) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Lamellenpaket (18) auf einem Podest (22) mit schräg ansteigend verlaufender vorderer Abschlußplatte (24) befestigt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Abschlüsse für die Lamellenpakete (18) zum Belebungsbecken mit einem Winkel von 3 bis 15° gegenüber der Vertikalen geneigt sind.