DE4434540C2 - Verfahren zur aeroben Hochleistungs-Abwasserreinigung unter Druck sowie starker Dynamik und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur aeroben Hochleistungs-Abwasserreinigung unter Druck sowie star­ ker Dynamik und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens, insbesondere auf ein Rohrleitungssystem mit einem Reaktor, das bei starker mechanischer und hydraulischer Dynamik und hohem Luftsauerstoffeintrag arbeitet.

Derartige Abwasser-Reinigungsanlagen sind aus der Druckschrift "Wasserwirtschaft" 73 (1983/3), S. 89, bekannt. In der bekannten Kläranlage wird ein Strahldüsen-Belebungssystem verwendet. Die Strahldüse wird horizontal am Beckenboden angeordnet und der Be­ lebtschlamm wird von einer Pumpe kontinuierlich in die Trieb­ strahldüse gefördert und dort zu einem schnellen Freistrahl be­ schleunigt. Der aus der Düse austretende Freistrahl reißt aus der ihn umgebenden Luft Sauerstoff mit, so daß auf diese Weise ein Sauerstoffeintrag in die Flüssigkeit stattfindet.

Bei derartigen Verfahren und Anlagen finden die Prozeßvorgänge allerdings unter zu niedrigem Druck statt, es fehlt außerdem die nötige Dynamik für den Stoffwechsel der Mikroorganismen, oder es fehlt eine angemessene Prozeßtemperatur mit ausreichendem Sauer­ stoff oder die Trennung der Agglomerate. Im heutigen Stand der Technik ist oft nur das eine oder das andere dieser gewünschten Eigenschaften gegeben, jedoch mangelt es an einer konzentrierten Form einer Anlage, die den modernen Anforderungen und Bedingun­ gen der Abwasserreinigung genügt.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die die äußeren Abmessun­ gen der Anlage gering halten, die Erstellungskosten niedrig ge­ stalten und die Zersetzung eines möglichst hohen Anteils der or­ ganischen Verbindungen und Abwasserinhaltsstoffe in mechanische Endprodukte oder Gase wie CO₂ gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merk­ malen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur aeroben Hochleistungs-Abwas­ serreinigung unter Druck zeichnet sich dadurch aus, daß das Ab­ wasser von einer Pumpe einem Kreislauf zugeführt wird, in dem das Wasser zunächst mittels einer Verwirbelungseinrichtung mit Luft durchsetzt und verwirbelt wird und anschließend mittels einer Verdichtungspumpe verdichtet wird, bevor das Abwasser einem Reaktor zugeführt wird, in welchem Reaktor eine starke Verwirbelung des Abwasser-Luft-Gemischs stattfindet und an­ schließend mittels mindestens eines Regulierventils einer Nach­ klärung zugeführt wird.

Der Vorteil eines derartigen erfindungsgemaßen Verfahrens bzw. Anlage liegt darin, daß sie einerseits in kompakter Bauweise er­ stellt werden kann und andererseits den Durchsatz der gesamten Kläranlage steigert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zur aeroben Hochleistungs-Abwassereini­ gung unter Druck besteht aus einer Pumpe, die das Abwasser an­ saugt und einem Kreislauf zuführt, einer Verwirbelungseinrich­ tung, einem Reaktor mit einer speziellen Rohrwendel, die einge­ bettet ist in ein stabilisierendes Medium, wobei der speziellen Rohrwendel im Reaktor eine Verdichterpumpe in Reihe mit einem Regulierventil parallel zugeschaltet ist.

Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Vorrichtung wirkt sich die Beschleunigung des Stoffwechsels der im Wasser befindlichen Mi­ kroorganismen unter Druck und Verwirbelung aus, die die gesamte Kläranlage effizienter werden läßt. Vorteilhaft wirkt sich auch die Rohrwendel im Reaktor aus, deren Innenwände nicht glatt, sondern uneben sind, um den Verwirbelungsvorgang des unter Druck stehenden Abwassers zur begünstigen. Dadurch wird letztlich der Stoffwechsel durch den höheren Partialdruck im Reaktor beschleu­ nigt. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß in der Verwirbelungseinrich­ tung eine Injektor-Strahlpumpe eingesetzt wird, der zusätzlich eine Verdichterpumpe zugeschaltet ist, um den Sauerstoffbedarf optimal zu gestalten.

Um die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Ver­ fahrens optimal zu gestalten, ist mindestens ein Regulierventil, das vorteilhaft am Ausgang des Reaktors angeordnet ist, bereit­ zustellen. Bei Bedarf kann ein weiteres Regulierventil in die Ableitung des Abwassers zum Belebungsbehältnis angeordnet wer­ den, um den Druck je nach Bedarf im Wendelrohr oder Prozeßrohr durch Öffnen und schließen der Druckventile zu variieren, so daß die Abbau- oder Prozeßleistung durch höheren Luftdruck und somit höheren Sauerstofftransfer dem Bedarf angepaßt werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist darin zu sehen, daß die Verwirbelungseinrichtung am höchsten Punkt der Anlage eine Wasser-Luft-Mischkammer anstatt der weiter oben beschriebenen Strahlrohrpumpe aufweisen kann.

Erfindungsgemäß kann der gesamte Reaktor mit einer Rohrwendel in einem Schacht im Erdboden versenkt werden, so daß hierdurch der Partialdruck infolge des erhöhten Wassersäulendrucks im Zulauf gesteigert wird, so daß für die Druckerzeugung im Reaktor weni­ ger Energie aufzuwenden ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfin­ dung wäre ein Doppelwandrohr, das also Reaktor in einen Schacht mit kleinem Durchmesser tief eingelassen wird und ähnlich einem Tiefbohrspülvorgang mit einem Zulaufrohr und einem Ablaufrohr betrieben wird. Diese Bauweise wäre dann von Vorteil, wenn der Erdboden es gestattet, tiefe Bohrungen durchzuführen.

Die sonst üblichen Einrichtungen wie Belebungstürme oder Nach­ klärbecken einer gewöhnlichen Kläranlage können selbstverständ­ lich bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer kompletten Abwasser-Rei­ nigungsanlage;

Fig. 2 die innere Wandbeschaffenheit der Rohrwendel (6);

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Wasser-Luft-Misch­ kammer (3a);

Fig. 4a, b zwei Beispiele eines Schachts (28, 29) im Erdbodens zur Aufnahme des Reaktors.

In Fig. 1 ist der Aufbau einer kompletten Kläranlagen mit den erfindungsgemäßen Bestandteilen schematisch dargestellt. Das er­ findungsgemäße Verfahren arbeitet unter energiegünstiger Luft­ sauerstoffzufuhr bei hoher Wassersäule. Die Pumpe 1, deren Leistung bedarfsmäßig geregelt werden kann, pumpt das se­ dimentierte Wasser-Schlamm-Gemisch aus dem Belebungsbehältnis 22 vom Boden 23 dieses Behältnisses durch die Leitung 1a in eine Verwirbelungseinrichtung 3, in der das Wasser-Schlamm-Gemisch infolge einer nicht näher erläuterten speziellen Düse in einer Wirbelkammer 25 der Strahlrohrpumpe 3 bei niedriger Wassersäule verwirbelt wird. Anschließend gelangt das Gemisch unter Einfluß einer Verdichterpumpe 4 unter hohen Druck und wird über die Lei­ tung 10a in den Reaktor 8 eingeleitet. Danach wird das Gemisch (Abwasser-Luft-Mikroorganismen) und bereits ein erheblicher Teil der zersetzten organischen Verbindungen von dem Wendelrohr 6 über einen Diffusor 12 tangential in den Belebungsturm 22 oder in eine unterirdische Belebungsgrube eingeleitet. Infolge des unter Druck ausströmenden Gemisches wird der Belebungsturm- oder Ex-Faulturm-Inhalt in Bewegung gesetzt. Der Stoffwechselprozeß wird hierbei unter einer hohen Wassersäule fortgesetzt. Das Gas­ gemisch entweicht nach oben im Belebungsturm 22 und die Flocken werden mit einer Abwärtsströmung in die Belebungsturm-Bodenspit­ ze 23 geleitet. Von hier aus beginnt der vorher beschriebene Ab­ bauprozeß von neuem. In dem Belebungsturm 22 und in der Rohrwen­ del 6 im Reaktor 8 finden größtenteils die Stoffwechselprozesse statt. Der Reaktor 8 arbeitet als Beipaßsystem zum Stoffwechsel­ prozeß im Belebungsturm 22. Das Abwasser, das über die Hebepumpe 28 in den Belebungsturm 22 gelangt, wird von der Pumpe 1 in die Strahlrohrpumpe 3 gedrückt und zu dem entstehenden Vakuum in der Strahlrohrpumpe 3 werden zusätzlich über einen Luftverdichter 5 Luftbläschen durch die nachfolgende Wirbelkammer 25 in den Ab­ wasserstrom eingedrückt. Dieses Abwasser-Luft-Gemisch wird dann von der Verdichter-Pumpe 4 angesaugt, verdichtet und in den Wen­ delrohr-Reaktor 8 gedrückt. In dem Wendelrohr 6 findet unter ho­ hem Druck ein Stoffwechsel bei großer Verwirbelung statt, der einerseits durch den hohen Druck und andererseits durch die un­ ebenen Wände 6a des Wendelrohres 6 hervorgerufen wird. Die Wen­ delrohre 6 sind von einem bestimmten stabilisierenden Medium um­ geben. Dieses stabilisierende Medium 7 hat verschiedene Funktio­ nen, wie beispielsweise die Verhinderung von Vibrationen und die Herbeiführung eines Wärmeausgleichs am Rohrsystem. Bei den Ab­ bauprozessen entsteht nämlich eine nicht unbeachtliche Menge an Prozeßwärme in den Wendelrohren 6, die auf das sie umgebende Me­ dium übertragen wird. Das ausfließende Abwasser aus dem Wendel­ rohr-Reaktor 8 teilt sich in zwei Ströme zu jeweils einem Druck­ ventil 9 und 24. Über das Druckventil 9 fließt ein Teil des Ab­ wasserstromes über die Beipaßleitung 10 zur Verdichter-Pumpe 4 zurück. Dieser Anteil verbleibt im Kreislauf für einen weiteren Abbau von organischen Inhaltsstoffen im Wendelrohr-Reaktor 8. Über das Druckregelventil 24 fließt ein Teil des Stromes zum Diffusor 12, aber nur soviel wie die Pumpe 1 fördert, der durch das Gas-Luft-Gemisch und Wasser die Flocken im Belebungsturm 22 an der Wand hochsteigen läßt, um danach wieder von der nach un­ ten fließenden Strömung nach unten in die Belebungsspitze 23 ge­ zogen zu werden, um dann wieder vom Ansaugrohr 11 der Pumpe 1 von neuem in den Kreislauf gebracht zu werden.

Die Luftzufuhr der Strahlpumpe 3 wird noch gesteigert, indem der Strahlpumpe 3 in geeigneter Weise ein zusätzlicher Verdichter 5 bei Bedarf regelbar hinzugeschaltet wird. Um den Stoffwechsel der im Wasser befindlichen Mikroorganismen unter Druck und Ver­ wirbelung zu beschleunigen, wird das unter Druck stehende Abwas­ ser-Luft-Gemisch mit den Mikroorganismen und dem Substrat zwi­ schen der Verdichterpumpe 4 und den Druckregelventilen 9 und 24 mit diesen so eingeregelt, daß nur soviel Wasser entweichen kann, wie die Pumpe 1 fördert. Somit wird einschließlich der Verwirbelung der Stoffwechsel durch den höheren Partialdruck be­ schleunigt.

Um die Dynamik und die Verweilzeit für den Stoffwechsel im Wen­ delrohrsystem 6 des Reaktors 8 zu erhöhen, fördert die um ein Vielfaches größere Verdichter-Pumpe 4 mehr Wasser und einge­ schlossene Luft als vom Zulauf von der Pumpe 1 zufließt, so daß der größte Teil des Wassers im Kreis über die Beipaßleitung 10 fließt und somit die Prozeßzeit unter Druck im Wendelrohr 6 oder einem Schlauch erhöht wird. Durch die höhere Wassergeschwindig­ keit wird außerdem die Dynamik durch die entstehenden Wirbel an der Innenseite der Rohrwand gesteigert. Durch diese Maßnahmen wird der Wirkungsgrad der Sauerstoffausnutzung in der eingetra­ genen Luft erhöht.

Dem gleichen Zwecke dient ein Profil 6a der Innenwände des Wen­ delrohrsystems 6, was in Fig. 2a, b schematisch dargestellt ist. Die Unebenheit der Wendelrohre 6 kann auf verschiedene Weise herbeigeführt werden, beispielsweise durch eine mäanderförmige Unebenheit oder durch eine sinusförmige Unebenheit. Denkbar sind auch sägezahnförmige oder dreieckige Unebenheiten, die nicht nä­ her dargestellt sind. Durch die Unebenheit der Rohrwände werden die Turbulenzen im Rohr erhöht und somit die Sauerstoff- und die Nährstoff-Verteilung und der Ionenaustausch für die Mikroorga­ nismen erhöht. Gleichzeitig wird der Stoffwechselprozeß infolge der Wärmeverteilung der Prozeßwärme des Stoffwechsels im Wendel­ rohr 6 beschleunigt.

Um die Durchsatzleistung der gesamten Anlage variieren zu kön­ nen, ist, wie bereits erwähnt, die Leistung der Ansaug- bzw. Speisepumpe 1 verstellbar oder über Frequenzumrichter betrieben, wodurch der Anlage mehr oder weniger Abwasser zugeführt werden kann und damit verbunden mehr oder weniger Vakuum in der Strahl­ rohrpumpe 3 erzeugt wird, was wiederum bewirkt, daß der Luftver­ dichter 5 dementsprechend mehr oder weniger Luft einträgt.

Der im Abwasser befindliche dichte Belebtschlamm, der im allge­ meinen sauerstoffarm ist, wird von der Belebungsturmspitze 22 über das Ansaugrohr 11 von der Pumpe 1 angesaugt. Das sauer­ stoffarme Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch gelangt in den Kreis­ lauf, ohne Luft vom Luftverdichter 5 in der Verwirbelungsein­ richtung zu erhalten, wodurch sogenannte anoxische Verhältnisse geschaffen werden, die die Denitrifikation des Abwassers einlei­ ten. Das denitrifizierte Abwasser wird dann über die Diffusoren 12 in das Belebungsbecken 22 geleitet und bewirkt durch die Be­ wegung ohne Luftzufuhr eine weitere Denitrifikation. Der Prozeß­ druck wird auch hier mit der Pumpe 4 und den Reduzierventilen 9 und 24 dem Bedarf angepaßt werden.

In Fig. 3 ist eine Wasser-Luft-Mischkammer 3a schematisch darge­ stellt. Diese Wasser-Luft-Mischkammer 3a kann zum Zwecke der Lufteintragung in das Abwassergemisch anstelle der Strahlrohr­ pumpe 3 verwendet werden. Diese Mischkammer 3a wird am höchsten Punkt der Anlage angebracht, um bei niedrigerem Wasserdruck mit niedrigerem Energieaufwand über einen Plattenmembranlüfter 21 feinblasig Luft für den aeroben Stoffwechsel einzutragen. Die Verdichterpumpe 4 saugt dann am Ende 27 der Mischkammer 3a das Wasser-Luft-Gemisch an und verdichtet das elastische Gemisch zu einem höheren Partialdruck.

In Fig. 4a und b sind zwei weitere Möglichkeiten zur Erhöhung des Partialdrucks im Reaktor der Anlage dargestellt. In Fig. 4a befindet sich der Reaktor mit einem Zulaufrohr 16 und einem Ab­ laufrohr 17 in einem Schacht 28, der bis zu 100 Meter tieflie­ gen kann. Zweckmäßigerweise wird hier die Reaktormittelachse 19 längs der Schachtmittelachse gestellt, so daß der Schachtdurch­ messer gering gewählt werden kann.

In Fig. 4b ist eine weitere Ausführungsform eines Reaktors ge­ zeigt, der tief in einer schmalen Bohrung im Erdboden versenkt ist. Der Reaktor besteht praktisch aus einem Doppelwandrohr 31, 32, das in den tiefen Schacht 29 eingeleitet wird. Das Zulauf­ rohr 16 leitet das Abwasser nach unten in den Schacht ein und wird dort verwirbelt und tritt durch das Ablaufrohr 17 wieder an die Oberfläche. Diese Art des Reaktors kommt dann zum Einsatz, wenn der Erdboden eine tiefe Bohrung gestattet. Hierdurch kann ein verhältnismäßig hoher Prozeßdruck erreicht und lange Rohr­ wand-Verwirbelungszeiten realisiert werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur aeroben Hochleistungs-Abwasserreinigung unter Druck, wobei das Abwasser von einer Pumpe (1) einem Kreislauf zugeführt wird, indem das Abwasser zunächst mittels einer Verwirbelungseinrichtung (3, 25) und einer Gaszufuhr (5) mit Luft durchsetzt und verwirbelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser nach der Verwirbelungseinrichtung (3, 25) mittels einer Verdichter­ pumpe (4) verdichtet wird, bevor das Abwasser einem Reaktor (8) zugeführt wird, in welchem Reaktor (8) eine starke zusätzliche Verwirbelung des Abwassers-Luft-Gemisches stattfindet und anschließend das Abwasser mittels mindestens eines Regulierventils (9) einer Nachklärung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck im Reaktor (8) mittels des mindestens eines Regulierventils (9) geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Regulierventil (24), das den Abfluß und den Durchsatz mit der Pumpe (1) des Abwassers durch den Reaktor (8) reguliert, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer zusätzlichen Verdichterpumpe (4) die Luftzufuhr der Abwasser-Durchsatzmenge durch eine Strahl­ rohrpumpe (3) angepaßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß anstelle der Strahlrohrpumpe (3) am höchsten Punkt der Anlage eine Wasser-Luft-Mischkammer (3a) verwendet wird.

6. Verwendung des nach Anspruch 1 definierten Verfahrens zur aeroben Denitrifikation eines sauerstoffarmen Abwassers mit dichtem Belebtschlamm, gekennzeichnet durch

• - eine Verwirbelung mittels einer Verwirbelungseinrichtung (3);
• - eine Verdichtung des Abwassers in einem Reaktor (8), in welchem eine Verwirbelung des sauerstoffarmen Abwassers unter Druck stattfindet; und
• - eine Regulierung des Partialdrucks des Abwassers mittels mindestens eines Regulierventils (24) und der Pumpe (1).

7. Vorrichtung zur aeroben Hochleistungs-Abwasserreinigung un­ ter Druck, bestehend aus

• - einer Pumpe (1), die das Abwasser ansaugt und einem Kreislauf zuführt;
• - einer Verwirbelungseinrichtung (3, 25) und einem Luftverdichter (5);
• - einem Reaktor (8) mit einer speziellen Rohrwendel (6), die eingebettet ist in ein wärmeleitendes Medium (7); wobei
• - der speziellen Rohrwendel (6) im Reaktor (8) eine Ver­ dichterpumpe (4) in Reihe mit einem Regulierventil (9) im Kreis zugeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fördermenge der Pumpe (1) einstellbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verwirbelungseinrichtung eine Injektor- Strahlpumpe (3), der eine Verdichterpumpe (4) zugeschaltet ist, aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Innenwände der Rohrwendel (6) im Reaktor (8) durch Profile (6a) uneben sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Profile (6a) der Innenwände zum Beispiel si­ nusförmig oder mäanderförmig verlaufen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das wärmeleitende Medium (7) zum Beispiel Beton, Kunstharz oder eine Flüssigkeit ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Regulierventil (9) am Ausgang des Reaktors (8) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß am Ausgang des Reaktors (8) in der Ableitung (24a) des Abwassers ein zweites Regulierventil (24) ange­ ordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß als Verwirbelungseinrichtung am höchsten Punkt der Anlage eine Wasser-Luft-Mischkammer (3a) zugeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Reaktor (8) im Boden in einem Schacht (28) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reaktor in einem tiefen schmalen Schacht (29) eingebaut ist und aus einem Doppelwand-Rohrsy­ stem (30, 31) besteht.

18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Anlage mindestens ein Belebungsbehältnis (22) mit Diffuso­ ren (12), eine hohe Wassersäule und mindestens ein Nach­ klärbecken (30) aufweist.