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Beschreibung
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Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Abwasserreinigung nach
dem Schlammbelebungsverfahren.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biologischen
Vollreinigung nach dem Schlammbelebungsverfahren, bei dem das vorgeklärte Abwasser
mit Belebtschlammflocken und biologischem Rasen (Biomasse) in einer ersten Stufe,
der Oxidationsstufe, und dann in einer zweiten Stufe, der Nitrifikationsstufe, innig
mit unter Druck eingetragenem Luftsauerstoff unter Überdruck vermischt und aerob
gereinigt sowie anschließend in einer dritten Stufe, der Denitrifikationsstufe,
anaerob gereinigt wird und der gegebenenfalls entstehende Überschußschlamm in einer
Flotationsnachklärstufe unter Druckentlastung abgeschieden wird.
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Es ist ein generelles Ziel bei allen vollbiologischen Abwasserreinigungen,
daß der Flora und Fauna (Biomasse) des Abwassers der lebensnotwendige und zum aeroben
Abbau der organischen Inhaltsstoffe erforderliche Luftsauerstoff zur vollen Ausnutzung
in ausreichendem
Maße schnell und wirksam mit relativ geringem Energieaufwand
angeboten wird. Bei den konventionellen Belebtschlammanlagen wird der Luftsauerstoff
durch Einblasen von Luft mittels Gebläse über der Beckensole oder mit horizontal
bzw. vertikal rotierenden Oberflächenlüftern zugeführt, sofern man das vorgereinigte
Abwasser nicht über Tropfkörper abtropfen läßt.
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Schließlich ist es bekannt (DT-OS 1 584 927), die Belüftung des Gemischs
des Abwasser mit. dem Klärschlamm bzw. der Biomasse bei einem Druck durchzuführen,
der in einzelnen oder allen Stufen über dem Atmosphärendruck, vorzugsweise im Bereich
von 2 bis 5 kg/cm2, liegt. Die Klärschlammabtrennung bewirkt man dann durch Druckentlastung.
Der Abbau der Inhaltsstoffe läßt sich so beschleunigen.
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Sind sehr große Luftsäuerstoffmengen in das Klärshlamm-Wassergemisch
einzubringen, steigt der Energieaufwand sowohl bei der Oberflächenbelüftung als
auch bei der Druckbelüftung auf der Behältersole stark an und erreicht eine natürliche
Grenze, die dort liegt, wo es durch die mit dem Sauerstoffeinbringen einhergehende
erhöhte Turbulenz zur Zerschlagung der Schlammflocken oder zum Aufschäumen kommt.
Daher kann es bei konventionellen, hochbelasteten Belebtschlammanlagen mit ausreichender
Populationsdichte beim biologischen Abbau dejorganischen Schmutzstoffe dazu kommen,
daß die Sauerstoffzehrung (der Sauerstoffverbrauch) im Belüftungsbehälter schneller
verläuft als die Sauerstoffzufuhr erfolgt. Z.B. führt eine sehr hohe Konzentration
an organischen Inhaltsstoffen im.
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Abwasser oft dazu, daß die Schmutzstoffe in dicker Schicht an die
Mikroorganismen adsorbiert werden, wodurch der giBste Sauerstoff nur noch langsam
in das Zellinnere diffundieren kann, ein Effekt, der durch die Druckerhöhung nur
teilweise ausgeglichen wird. Die Diffusionsgeschwindigkeit kann so gering werden,
daß die Zellen absterben. Nur genügend hohe energieverzehrende Turbulenz, die einen
großen Luftüberschuß erfordert, kann bei konventionellen Verfahren diesen Effekt
bis zum Erreichen der erwähnten kritischen Turbulenz vorbeugen. Die aeroben Kleinlebewesen
(Bakterien und Protozoen) im Belebungsbehälter sind aber nur lebensfähig in der
Lage, den gewünschten Abbau der Schmutzstoffe durchzuführen, wenn in ihrer Umgebung
genügend Sauerstoff für sie bereitsteht, d.h., nach
derzeitigen
Erfahrungen mit einem Mindestgehalt von 1 bis 2 mg/l im Wasser gelöst direkt zur
Verfügung steht. Maßgebend für einen schnellen und durchgreifenden biologischen
Reinigungsprozeß ist daher die Geschwindigkeit der Sauerstoffübertragung aus der
Luft über das Wasser zu den aktiven lebenden Zellen des Belebtschlamms bzw. biologischen
Rasens. Auch bei dem zur Durchführung dieses Verfahrens verwendeten Belüftungsbehälter
hat ein intensiver Lufteintrag dort seine Grenzen, wo die durch eine Luftverteileinrichtung
eingetragene Luft so intensiv eingetragen wird, daß es zu Verwirbelungen und zu
einem Zerschlagen der Schlammflocken kommt.
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Um einen hohen Sauerstoffeintrag mit vergleichsweise niedrigem Energieaufwand
zu erreichen, ohne daß die Anlagekosten steigen und die Gefahr großer Turbulenzen
und damit des Zerschlagens des Belebtschlamms auftreten kann, sieht ein älterer
Vorschlag (DT-AS 24 20 977) bei einer Vorrichtung zur biologischen Abwasserreinigung
nach dem Schlammbelebungsverfahren, bei dem das vorgeklärte Abwasser in einem die
Biomasse enthaltenden Belüftungsbehälter bei über der Wasseroberfläche stehender
Druckluft von wenigstens etwa 2 atü innig mit eingetragenem Luftsauerstoff zur Oxidation
vermischt und gereinigt, der Schlamm vom gereinigten Wasser getrennt und in den
Druckbelüftungsbehälter zurückgeführt und der Schlammzuwachs als Überschußschlamm
beseitigt wird, vor, daß im Belüftungsbehälter Haftkörper für die Biomasse und Kolloidoffenporigen
fänger in Form von/Schãumstoffkörpern und eine Zusammendrückvorrichtung vorgesehen
sind, mit der die Schaumstoffkörper durch wechselweise Volumenvergrößerung und Volumenverkleinerung
mit oberhalb der Wasseninrfläche eingeleiteter Luft gefüllt undunterdieser befreibar
sind. Durch die Schaumstoffkörper wird der Sauerstoff eintrag intermittierend unterstützt,
doch ist die auf diese Weise erzielbare Raumausbeute begrenzt.
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Es ist nicht auszuschließen, daß die eingetragene Luft schneller
als nötig für einen ausreichenden Übergang des Sauerstoffs zum frei schwebenden
Belebtschlamm hochperlt. Der Sauerstoffübergang für Biomasse ist nur innerhalb der
Schaumstoffkörper gut, sofern diese in nicht zu rascher Folge komprimiert und entspannt
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur biologischen Vollreinigung von Abwasser nach dem Schlammbelebungsverfahren
anzugeben, bei welcher mit hoher Raumausbeute ein hoher Sauerstoffeintrag mit vergleichsweise
niedrigem Energieaufwand erfolgt, ohne daß die Anlagekosten sehr steigen, und bei
welcher die Vollreinigung in vergleichsweise kurzer Verweilzeit abgeschlossen ist.
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Diese Autabe ist für das eingangs genannte Verfahren durch die kennzeichnenden
Merkmale des Verfahrenshauptanspruchs gelöst, Ausgestaltungen dieses Verfahrens
ergeben sich aus den Verfahrensunteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist im Vorrichtungshauptanspruch
gekennzeichnet, während vorteilhafte Ausgestaltungen sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung ergeben.
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Durch die Schaumstoffkörper wird der Sauerstoffeintrag stark unterstützt.
Sie wirken als Haftkörper für die Biomasse und als Kolloidfänger. In den Poren der
Schaumstoffe siedeln sich die Mikroben so zahlreich an, daß nach kurzer Einarbeitungszeit
ein hochaktiver "biologischer Rasen" und "biologischer Schlamm" gebildet ist. Durch
die Haftung der Biomasse ist ein sehr intensiver Lufteintrag möglich, ohne daß Turbulenzen
zu befürchten sind, da in den Poren der Schaumstoffkörper turbulente Kapillarströmungen
kaum auftreten. In den Poren der Schaumstoffkörper steht eine sehr große Oberfläche
als Haftoberfläche für die Biomasse zur Verfpng, an der diese daher auch bei intensiver
Luftdurchströmung der Poren, die stetig oder insbesondere intermittierend erfolgt,
haften bleibt. Bei intermittierender Drucklufteinleitung wird besonders vorteilhaft
erreicht, daß in den Ruhepausen der eingeleitete Luftsauerstoff auch aufgenommen
wird. Es hat sich überraschend gezeigt, daß die biologische Reinigung mit besonders
großer Intensität wegen der erhöhten und beschleunigten Sauerstoffzehrung erfolgt,
wobei nur ein Druckbelüftungsbehälter oder eine Reihe vonDruckbelüftungsbehältern
mit vergleichsweise geringem Rauminhalt erforderlich ist, weil durch die stetige
oder pulsierende Durchströmung der Schaumstoffkörper sichergestellt ist, daß praktisch
alle Teilbereiche des Abwassers gleichen Reinigungsbedingungen bei jeweils ausreichendem
Sauerstoffangebot in der ersten und zweiten Stufe unterworfen werden. Durch die
Erfindung wird eine gleichmäßige äußerst feine Gleichverteilung der Biomasse über
praktisch das gesamte zu durchströmende Arbeitsvolumen der Stufen oder Behälter
erzielt, was bisher wegen der befürchteten Verstopfung der engen Strömungskanäle
nicht für möglich gehalten wurde. Man hat sich daher nur um eine Feinverteilung
der Luft im Schlamm-Wasser-Gemisch bemüht, aber nicht feinverteilt die Biomasse
an einen Haftkörper gebunden, durch den das Abwasser-Luft-Gemisch in Form einer
Kapillarströmung hindurchgeleitet wird. Bei
spezifisch hoher Abwasser-Raumbelastung,
d,h. geringen Aufenthaltszeiten von weniger als 30 bis 60 Minuten können neben gleichzeitiger
Nitrifikation bei hoher BSB-Raumbelastung ( 2 kg BSB/m3 und Tag) und hoher Schlammbelastung
(1 kg BSB/kg Trockensubstanz und Tag) bis zu 95 % der organischen Verunreinigungen
aus dem Abwasser beseitigt werden. Der Energiebedarf liegt in diesem Fall unter
0,8 bis 0,9 kWh/kg BSB (biochemischer Sauerstoffbedarf). Der Sauerstoff wird dem
Abwasser nicht wie bei konventionellen Belebtschlammanlagen nur durch Einblasen
von Luft zugeführt sondern der Eintrag erfolgt in der Weise, daß auch bei geringem
Energiebedarf sichergestellt ist, daß eine hohe und wirksame Sauerstoffdiffusion
zwischen Luft und Abwasser erreicht wird. Hierdurch ergibt sich eine Steigerung
des zeitlichen Sauerstoffeintrags gegenüber den bekannten drucklosen Verfahren sowie
dem bekannten Druckverfahren. Außerdem ist es jederzeit möglich, das Sauerstoffangebot
im Wasser ohne weiteres über 2 mg/l zu halten. Jeder Druckbelüftungsbehälter kann
vergleichsweise kleiner als bei dem bekannten Verfahren für eine bestimmte Durchsatzleistung
gehalten werden. Die Voraussetzungen für eine günstige Nachreinigung durch Flotation
werden beim Druckverfahren wegen der Möglichkeit, die Druckentlastung auszunützen,
besonders günstig aber auch bei den drucklosen Verfahren verbessert.
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Zweckmäßigerweise wird die Reinigung in den einzelnen Stufen jeweils
in getrennten Druckbelüftungsbehältern mit eigenen diese ausfüllenden Haftkörpern
in Form von flexiblen Schwamm- oder Schaumstoffkörpern durchgeführt, da durch die
Unterteilung die Gefahr eines Verstopfens/verringert ist und die einzelnen Stufen
besser auf optimale Bedingungen geregelt werden können.
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Die Gefahr des Verstopfens der insgesamt durchströmten Schaumstoffkörper
ist überraschend gering und bei der Ausgestaltung, bei der die Schaumstoffkörper
intermittierend zusammengepreßt und entlastet werden, vernachlässigbar klein. Trotz
dieses Zusammendrückens,
das jedoch nicht bis zum vollständigen
Aufheben der Porenstruktur erfolgen soll, damit der Belebtschlamm nicht gelöst wird,
wird die Durchströmung nicht unterbunden. Dem dem Abwasserzulauf benachbarten Schaumkörper
wird die Druckluft während seines Entspannens zugeführt, da dieser dann gleichmäßig
Abwasser und Luftsauerstoff aufnimmt. Um eine vollständige Sauerstoffzehrung in
der dritten Stufe sicherzustellen, ist die dortige Einleitung von nur vorgereinigtem
Abwasser zweckmäßig, da dieses einen besonders hohen Sauerstoffbedarf hat. Bei intermittierend
zusammengedrückten Schaumstoffkörpern unterliegt das Luft-Abwasser-Belebtschlammgemisch
einer wechselweisen Kompression und Expansion.
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Bei der erfindungsgemäßen biologischen Vollreinigung organisch verunreinigter
Abwässer wirken die Schaumstoffkörper als Sauerstoff-Lösungsbeschleuniger, da sie
in Verbindung mit der Biomasse durch die Kompression mit dem Luft-Abwasser-Gemisch
eine durchgreifende Sauerstoff-Übertragung in kürzester Zeit gewährleisten, Alle
Maßnahmen zielen darauf ab, daß der Flora und Fauna (Biomasse) des Abwassers der
lebensnotwendige und zum Abbau der organischen Inhaltsstoffe erforderliche Luftsauerstoff
zur vollen Ausnützung in ausreichendem Maße schnell und wirksam mit relativ geringem
Energieaufwand angeboten wird, um eine beschleunigte Diffusion zu gewährleisten.
In den Reinigungsbehältern wird Preßluft gemeinsam mit mechanisch vorgeklärtem Abwasser
in Abhängigkeit vom Abwasserzulauf bzw. der BSB-Belastung mittels Kompressor stoßweise
in solcher Menge zudosiert, wie zur Aufrechterhaltung eines Mindestsauerstoffgehaltes
im Wasser von 2mg/l benötigt wird. Das Abwasser kann von einem Rückhaltebecken aus
über einen Pumpensumpf mittels Abwasserdruckpumpen der ersten Stufe, der Oxidationsstufe,
intermitterend zugeführt und gleichzeitig mit Druckluft vermengt werden. Diese und
das Abwasser werden unter einer Siebplatte im unteren Teil des ersten als Druckzylinder
ausgebildeten Druckbelüftungsbehälters über entsprechend dimensionierte Rohre in
unmittelbarer Nachbarschaft eingespeist. Es bedarf keiner fein- oder mittelblasigen
Belüftungseinrichtung.
Das bedeutet Energieersparnis und weniger Betriebsstörungen an den Belüftungsaggregaten,
da fein-oder mittelblasige Belüftungsdüsen der Luft einen zu hohen Widerstand entgegensetzen
und sich allzuleicht mit Schlamm zusetzen.
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Bei /einer weiteren AusgestaltungderErfindung, bei der die Schaumstoffkörper
intermittierend zusammengedrückt und wieder entspannt werden, wird die eingespeiste
Druckluft durch den komprimierten Schaumstoffkörper an ihrem freien Aufstieg durch
das Wasser-Schlamm-Gemisch so stark behindert, daß sie schon im unteren Abschnitt
gleich nach ihrem gemeinsamen Eintritt mit dem Abwasser komprimiert wird. Hierbei
kann sich die schon vorkomprimierte Luft nicht nach Eintritt in den Druckbelüftungsbehälter
gleich wieder entspannen, wie das bei konventionellen Verfahren der Fall ist. Sie
wird darüberhinaus durch den absteigenden Schaumstoffkörper, der sich wie ein Kolben
im Druckzylinder im Mittel auf- und abwärtsbewegt, weiter unter erhöhten Druck gesetzt,
wobei die Sauerstoff-Lösungsgeschwindigkeit um ein erhebliches Maß gesteigert wird.
Erst nachdem der Schaumstoffkörper zwischen der z.B. Siebkolbenplatte und der unteren
Siebplatte, auf der er sich abstützt, über dem Behälterboden bis zum Anschlag komprimiert
ist, die Siebkolbenplatte den Schaumstoffkörper zur Entspannung freigibt und dieser
sich wieder ausdeh~nen kann, werden die durch die Poren des Schaumstoffs gepreßten
Luftblasen teilweise entspannt und feinverteilt durch etwasWasser-Schlamm-Gemisch
nach oben steigen. Hierbei wird der in den Schaumstoffkörpern angesiedelte biologische
Rasen durchgreifend belüftet. Der Sauerstoff im Abwasser-Schlamm-Gemisch erreicht
dadurch wesentlich höhere Konzentrationen, als bei den bisherigen Lufteintragungsmethoden
möglich ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die beigefügte schematische
Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit 1 2,3 drei zylindrischen Druckbelüftungsbehäein7Bezug
genommen, in denen jeweils mittig eine Siebkolbenplatte 6 und nahe den Stirnseiten
jeweils eine Siebplatte 7, 8 als Abstützung für zwischen
der Siebkolbenplatte
6 und diesen angeordneten Schaumsto@körper 4,5 angebracht ist. Eine Kolbenstange
mit pr ischar. aber hydraulischem Arbeitszylinder zur durch eine Steuereinheit gesteuerten
Auf- und Abwärtsbewegung der Siebkolbenplatte 6 ist nicht dargestellt. Derartige
Kolbenantriebe sind bekannt. Das vorgeklärte Abwasser wird dem ersten Druckbelüftungsbehälter
1 (Reaktor I) von unten her über einen Einlaß 15 zugeführt und gelangt dann vom
Kopf des Behälters aus dem Auslaß 17 über eine Rohrleitung 10 von unten durch einen
Einlaß 18 in den zweiten Druckbelüftungsbehälter 2 (Reaktor II) und schließlich
vom Kopf durch einen Auslaß 19 und eine Leitung 11 durch enden Einlaß 20 in einen
dritten Druckbelüftungsbehälter 3 (Reaktor III), dem am Kopf durch einen Auslaß
21 das vollgereinigte Wasser entnahmen wird. Überschußschlamm kann aus dem zweiten
Behälter 2 über einen Auslaß 22 abgezogen werden.
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Dem Behälter 3 kann unter Umgehung des Reaktors I (Oxidationsstufe)
und des Reaktors II (Nitrifikationsstufe) Abwasser unmittelbar über eine in die
Leitung 11 mündende Leitung 23, die mit einer Zweigleitung 24 auch in die Leitung
10 mürdet, zugeführt werden, damit die im Reaktor III erfolgende Denitrifikation
zur vollständigen Sauerstoffzehrung führt. Die Druckluft wird einlaßseitig dem Reaktors
I in ausreichendem Maße über einen Einlaß 16 zugeleitet und kann über eine Zweigleitung
25 auch noch dem Reaktor II zugeführt werden.
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Beim Hochsteigen der Siebkolbenplatte 6 der ersten Stufe sammelt sich
die ausperlende Luft im oberen Abschnitt des Behälters 1 und wird gemeinsam mit
Wasser und Belebtschlamm über die Leitung 10 in den zweiten Behälter 2 eingedrückt.
Der untere Schaumstoffkörper 5 im Reaktor II wird im allgemeinen zur gleichen Zeit
zusammengepreßt, in der die Kompression des oberen Schaumstoffkörpers 4 im Reaktor
@ erfolgt, so daß die aufsteigende Luft der ersten Stufe nicht gänzlich von Druckzwang
befreit werden kann.
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Das Abwasser-Schlamm-Gemisch wird dann der dritten Stufe, der Reduktionsstufe
oder Denitrifikationsstufe, zugeführt, in der ebenfalls die Schaumstoffkörper 4,
5 abwechselnd komprimiert und entspannt werden. Von der Denitrifikationsstufe kann
das Wasser mit nunmehr vermindertem Schlammgehalt in eine Flotationsstufe eingeleitet
werden, sofern dessen Abscheidung lohnt.
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Der während des kontinuierlichen Betriebs sich aufbauende Überdruck
verteilt isch auf alle drei Stufen und wird erst vollständig in der Flotations-Nachklärstufe
abgebaut. Hierbei kann die unter Druck gelöste, überschüssige verbrauchte Luft (sauerstofffrei)
aus dem Wasser ausperlen und den Überschußschlamm an der Wasseroberfläche abscheiden.
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Die Druckerhöhung im ganzen System der biologischen Stufen ist abhängig
von der Hubgeschwindigkeit, mit der die Schaumstoffkörper 4, 5 zusammengedrückt
und entlastet werden und dem Druck der eingespeisten vorkomprimierten Luft. Da die
gemeinsame Zufuhr von Abwasser und Druckluft intermittierend nur dann erfolgen kann,
wenn sich der Schaumstoffkörper inder ersten Stufe aufwärtsbewegt, wird die Durchflußmenge
für Luft und Abwasser und somit die Aufenthaltszeit ebenfalls über die Schaumstoffkörper
4, 5 geregelt.
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Die einzelnen Reinigungsstufen 1,2 und 3 sollten nach einer bestimmten
Behandlungsdauer der Abwässer wechselweise für die Durchflußrichtung betrieben werden,
und zwar so, daß für eine gewisse Zeit das mechanisch vorgeklärte Abwasser gemeinsam
mit der eingepreßten Luft in der Reihenfolge die erste Kammer, zweite und dritte
Kammer durchströmt, wonach eine Richtungsänderung von der dritten über die zweite
zur ersten Stufe automatisch erfolgen kann. Dies deshalb, da der Sauerstoff der
Luft auf dem Wege zur Denitrifikationsstufe in den Oxidationsstufen 1 und 2 aufgezehrt
wird und da der durch den Schaumstoffkörper 4 5 der dritten Stufe zurückgehaltene
biologische Schlamm nichN##llzulange in einem sauerstofffreien (anaeroben) Zustand
verharren soll, da dieser sonst in seiner Zusammensetzung nachteilig verändert werden
könnte (AktivitätsVerluste).
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Die in den einzelnen Stufen angereicherten Belebtschlämme werden durch
die wiederholte Richtungsänderung des eingespeisten Luft-Abwasser-Gemisches immer
wieder neu mit Frischluft, d.h. mit Luftsauerstoff, versorgt, und somit bei hoher
Aktivität gehalten.
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Die Schaumstoffkörper 4, 5 bestehen vorzugsweise aus hochporösem,
flexiblen Polyester- bzw. Polyurethan-Schaumstoffen,' die einerseits als Haftkörper
für die Biomasse und andererseits zur Transmission der Luft (Sauerstoffüberträger)
dienen.
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Die Breitenerstreckung, i.a. der Durchmesser, der Schaumstoffkörper
4,5 ist etwas geringer als die des Behälters, da sich der Schaumstoffkörper beim
Zusammendrücken quer bzw. radial ausdehnt.
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Erst nahe der Endstellung der Zusammendrückvorrichtung soll er sich
an die Innenwand des Behälters anlegen. Dadurch sind Verschleiß und Wandreibung
reduziert.
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Beim Auspressen der Schaumstoffkörper 4, 5 durch eine Siebkolbenplatte
6 oder ähnliche Zusammendrückvorrichtung wird stets für den Ausgleich der Sauerstoffkonzentration
der oberen und unteren Schichten in den Druckbelüftungsbehältern 1, 2 und 3 gesorgt
und das in den Poren angesiedelte biologische Material transpirierfähig gelassen.
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Durch die gesteigerte Aktivität der Biomasse unter erhöhtem Druck
mit Hilfe der Schaumstoffkörper verläuft gleichzeitig der biochemische Abbau der
organischen Inhaltsstoffe mit größerer Geschwindigkeit als bei allen bekannten Anlagen.
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Der mit großer Zuwachsrate sich bildende biologische Schlamm braucht
nicht ständig in die Oxidationsstufen zurückgeführt zu werden, sondern kann aus
der Flotationsnachklärung direkt der Schlammaufbereitungsanlage zugeführt werden.
Ein Rückpumpen der flotierten Belebtschlämme entfällt somit in den meisten Fällen,
was eine Energieersparnis bedeutet.
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Nur hochkonzentrierte, mit komplizierter organischer Konsistenz behaftete
Abwässer, wie z.B. Molkereiabwässer, Abwässer der chemischen Industrie, der Zucker-,
Stärke-, Papier- und Holzfaserindustrie, die bei konventionellen Verfahren auf ein
vielfaches verdünnt werden müssen, bevor sie einer biologischen Aufbereitung unterworfen
werden können, müssen bei außeegewöhnlich hohen Belebtschlamm-Konzentrationen behandelt
werden, was auch eine zeitweise Rückführung der flotierten Überschußschläimne erforderlich
machen kann.
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Eine Abwasserverdünnung wird bei der erfindungsgemäßen Vollreinigung
nur in sehr seltenen Fällen nötig erscheinen, da eine zwangsläufige Druckerhöhung
im kontinuierlich durchflossenen System erreicht und eine außergewöhnlich hohe Schlammanreicherung
erzielt werden kann, so daß bei hoher Schlammaktivität unter voller Sauerstoffausnutzung
bei relativ kurzer Behandlungsdauer (30 bis 50 Minuten) eine zumindest befriedigende
biologische
Vollreinigung durchgeführt werden kann. Das bedeutet
eine Bau- und Betriebskostenersparnis gegenüber allen bekannten Verfahren.
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Für die Geschwindigkeit der Sauerstoffübertragung in das Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch
ist die Grenzflächenerneuerung maßgebend. Sie ist beim erfindungsgemäßen Verfahren
günstiger als bei allen bekannten Verfahren. Normalerweise ist die Lösungsgeschwindigkeit
des Luftsauerstoffes in der Grenzschicht Luft-Wasser relativ groß, auch wenn die
Diffusionsgeschwindigkeit des Sauerstoffes im Wasser-Schlamm-Gemisch sehr klein
sein kann. Die mit Sauerstoff gesättigte Grenzschicht muß daher bei normalen Druckverhältnissen
sobald wie möglich erneuert werden, wofür bei herkömmlichen Verfahren (Gebläse-Belüftung,
Oberflächen-Belüftung) eine große Turbulenz im Belüftungsbecken erforderlich ist,
was einem hohen Energiebedarf gleichkommt.
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Über die Höhe des Mindestsauerstoffgehaltes im belebten Schlamm gehen
in der Fachwelt die Meinungen auseinander, jedoch nach Ansichten vieler Experten
sollen Sauerstoffkonzentrationen über 2 bis 3 mg/l auf den biologischen Reinigungsvorgang
ohne Einfluß sein.
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Das dürfte bei der derzeitigen Verfahrenstechnik für das Belebungsverfahren
zutreffen. Es würden somit alle Bemühungen, den Sauerstoffgehalt im Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch
konventionell auf höhere Konzentration als 2 mg/l anzuheben, einerEnergievergeudung
gleichkommen. Beim Druckverfahren werden aufgrund der gesteigerten Aktivität der
Biomasse andere Maßstäbe gesetzt.
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Mit der Druckerhöhung steigt der Sauerstoffsättigungswert für das
Wasser. Durch die gesteigerte Lösungstension verteilt sich der Luftsauerstoff sehr
rasch im Abwasser und diffundiert zur Einstellung des Konzentrationsausgleiches
gleichmäßiger und schneller als bisher durch die auf den Zellwänden des Schaumstoffkörpers
4, 5 ausgebreiteten Schlammflocken in die aktiven Zellen.
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Der für eine optimale Abbauleistung erforderliche Sauerstoff-Übertragungsfaktor
erreicht beim Druckverfahren durch optimale Einstellung der Schaumstoffkörper-Kompressions-
und Expansions-Geschwindigkeit auch unter ungünstigen Bedingungen, selbst bei einer
Totalaufbereitung, d.h. ohne mechanische Vorklärung, von Abwässern mit hohenz Feststoffgehalt
die denkbar günstigsten Werte. Durch die erzielbare hohe Sauerstoffeintragssteigerung
wird die für eine biologische Vollreinigung erforderliche Mindestsauerstoffkonzentration
von 2 mg/l praktisch bei jeder Belastung unabhängig von der Konsistenz des Abwassers
und seiner Konzentration an Schmutzstoffen oder des Schlammgehaltes und der Wassertemperatur
erreicht.
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Die aus der Druckerhöhung resultierende Steigerung der Sauerstoffdifllisionsgeschwindigkeit
hat eine Intensivierung des Austausches von Sauerstoff gegen Kohlendioxid oder assimilierbaren
Schmutz stoffen gegen Stoffwechselprodukte zwischen dem Abwasser und den lebenden
Zellen zur Folge. Dies begünstigt die Produktion spezifischer Abbaufermente seitens
der Bakterienzellen.
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Die Druckreinigung erfolgt vorzugsweise bei ca. 0,5 bis ca. 2 atü.
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Bei hohen Stromungsgeschwindigkeiten kann der Einlaßdruck auch höher
sein.
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Daß die aktiven Bakterienzellen eines Belebtschlammes durch Druckerhöhung
in einem abgeschlossenen erfindungsgemäßen System zu einer gesteigerten Fermentsyithese
angeregt werden (erhöhte Fermentaktivität) läßt sich durch quantitative Bestimmung
von Formazan nachweisen, das bei der Einwirkung einer Probe frischen Belebtschlammes
aus der erfindungsgemäßen Vollreinigungsvorrichtung auf Triphenyltetrazolium-Chlorid
bei gesteigertem Druck unter Abschluß äquivalent lebender Zellen und abhängig vom
Ausmaß der Druckerhöhung vermehrt gebildet wird.
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Es kommt auch zu einer verbesserten Anpassungsfähigkeit der Belebtschlämme
für Veränderungen in der Konsistenz der Abwässer.
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Das zeigt sich darin, daß stärkere Schwankungen in Konzentration und
Art der Schmutzstoffe bzw. pH-Wert-Änderungen des Abwassers oder sogar die Anwesenheit
von Giftstoffen, wie z.B, Zyanide, Schwefelwasserstoff, Phenole, Detergentien und
mineralische Öle, ohne besonderen Einfluß auf die Abbauleistung der Schlämme in
der erfindungsgemäßen Vorrichtung bleiben.
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Es wurde festgestellt, daß sich die Mikroben der Biomasse unter den
gegebenen Verhältnissen stündlicher pH-Wert-Änderungen von pH 7,5 auf pH 4,0 bzw.
pH 12 sehr rasch den Gegebenheiten anpassen können, ohne daß ihre biologische Aktivität,
selbst bei Überdosen0###enannter Gifte (Dosierungen über die normalzulässigen Grenzkonzentrationen
hinaus) eine merkliche Schwächung erfährt (gemessen an der zeitlichen Abbaurate).
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Entsprechende toxikologische Versuche zeigten, daß ein biologischer
Abwasser-Aufbereitungsprozeß gemäß der Erfindung nicht so sehr den Störungen durch
Giftstöße unterworfen ist, wie dies bei konventionellen Klärverfahren der Fall sein
kann.
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Da bei allen fermentativen bio chemischen Reaktionen die Temperatur
eine wesentliche Rolle spielt, gewinnt diese gerade beim erfindungsgemäßen Verfahren
besondere Bedeutung. Eine Temperaturerhöhung ist wegen der Verwendung komprimierter
Luft und von Kompressionen innerhalb des zu reinigenden Wassers ohne weiteres möglich,
wobei eine Temperaturerhöhung um 100 C die Reaktionen um fast das siebenfache beschleunigen
kann.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren liegen die Betriebstemperaturen erheblich
höher als bei üblichen Abwasser-Klärprozessen.
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Bei der Drucklufterzeugung im Kompressor wird ein Teil der aufgebrachten
Energie in Wärme umgewandelt und dadurch die Druckluftgemperiert. In den Druckbelüftungsbehältern
bewirkt diese Verlustwärme eine Temperaturerhöhung, die im Sommer Betriebstemperaturen
bis zum 300C erreichen läßt und selbsttiin den Wintermonaten bei niedrigen Wasser-
und Außentemperaturen die Reaktionsräume auf mindestens 180 C zu halten vermag.
Dieser
Tatbestand ist besonders wichtig für die Betriebssicherheit
und die Reinigungsleistung im Winter.
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Als weiterer maßgebender Faktor spielt die Temperatur neben der Schlammbelastung
eine besonders große Rolle bei der Beseitigung der im Abwasser enthaltenen Stickstoffverbindungen
(Ammoniak, Ammoniumverbindungen, Nitrit und Nitrat), was den ersten und zweiten
Abschnitt der dritten Reinigungsstufe betrifft.
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Im ersten Abschnitt erfolgt die Nitrifikation im ersten und zweiten
Druckbelüftungsbehälter durch autotrophe Bakterien, Nitrosomonasstämme und Nitrobakterstämme
(Nitrat-Bakterien), die hierauf das Nitrit mit Hilfe von Sauerstoff in Nitrat über
führen.
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Um neue Zellensubstanz aufzubauen, benötigen die Nitrit-Bakterien
als Nährstoffe Ammoniak und im Wasser gelöstes Kohlendioxid, das beim aeroben Abbau
der organischen Schmutzstoffe in den beiden ersten Stufen (Substrat-Atmung und endogene
Atmung) ausreichend gebildet wird, Beginn und Grad der Nitrifikation sind abhängig
von der Schmutzstoffkonzentration, der Sauerstoffzufuhr und somit von der Belüftungszeit
bzw. von der Abbauleistung, dem Schlammgehalt und der Temperatur. Je größer die
Schlammbelastung ist, desto höher muß die Temperatur des Schlammwasser-Gemisches
sein, um bei ausreichendem Sauerstoffangebot kurzfristig eine volle Nitrifikation
zu erzielen. Über den Einfluß des Sauerstoffgehaltes auf die Nitrifikation werden
wiederum geteilte Meinungen vertreten.
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Entgegen der Ansicht, daß Sauerstoffkonzentration über 1 mg/l den
Verlauf der Nitrifikation unbeeinflußt lassen, zeigte sich beim erfindungsgemäßen
Verfahren bei unterschiedlichen Kompressions
- und Entspannungsgeschwindigkeiten
der Schaumstoffkörper und somit bei verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen, daß
bei höherem Sauerstoffgehalt des Belebtschlammes der Nitrifikationsprozeß beschleunigt
wird. Voraussetzung hierzu sind jedenfalls ausreichende Mengen an biologischem Schlamm
hoher Aktivität und Temperaturen von mindestens 180 C. Diese Bedingungen lassen
sich ohne weiteres einhalten. Beim erfindungsgemäßen Verfahren läuft die Nitrifikation
während der Wachstumsphase neben dem Abbau der im Wasser enthaltenen Kohlenstoffverbindungen
in den beiden ersten Stufen gleichzeitig ab.
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Selbst bei Schlammbelastungen über 1 kg BSB/kg Trockensubstanz und
Tag kann bei erhöhtem Druck von einer Temperatur von 250 C während 1 bis 2 Stunden
neben einem BSB-Abbau bis zu 95 % eine volle Nitrifikation erreicht werden.
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Die eigentliche Beseitigung der Stickstoffverbindungen aus dem Abwasser
kann #erst im Anschluß an eine erfolgreiche Nitrifikation in der dritten Stufe,
d.h., in der Denitrifikationsstufe, im dritten Druckbelüftungsbehälter erfolgen.
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Der belebte Schlamm enthält eine große Zahl von fakultativ aeroben
Bakterien. Viele diese Arten erhalten bei Abwesenheit von freiem, gelöstem Sauerstoff
ihren Energiestoffwechsel dadurch aufrecht, daß sie den Nitrat- und Nitrit-Molekülen
den Sauerstoff entziehen. Die Reaktion der beiden Stickstoffoxide erfolgt dabei
bis zum gasförmigen Stickstoff, Unter geeigneten Bedin#ngen vollzieht sich diese
Reaktion ziemlich schnell. Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind hierfür höchstens
eine halbe Stunde Aufenthalt erforderich. Zur Ableitung von bei der Reinigung gebildeten
Gasen sind entsprechende Gasablaßleitungen auslaßseitig der Behälter vorgesehen.
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Führt man den biologischen Abbauprozeß mit größeren Belebtschlammengen
bei
Temperaturen über 180C bis zur vollständigen Oxidation aller Stickstoffverbindungen
zu Nitrat durch und unterwirft anschließend das Abwasser-Schlamm-Gemisch streng
anaeroben Verhältnissen (unter Sauerstoffabschluß), so kann praktisch aller Stickstoff
aus dem Abwasser in Gasform entweichen und die hauptsächlichsten Bedingungen für
eine dritte Stufe der Abwaserreinigung, nämlich die Stickstoffelimination, sind
hierbei erfüllt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren können ohne betriebliche Schwierigkeit
und ohne höheren Kostenaufwand die beiden Prozesse der Oxidation und der Denitrifikation
unmittelbarhintereinander ablaufen.
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Der wichtigste Vorteil des erfindungsgemäßen Druckreinigungsverfahrens
gegenüber konventionellen Verfahren und dem aus der DT-OS 15 84 927 bekannten Verfahren
wird darin gesehen, daß der Sauerstoff der aufgewendeten Luft zur vollständigen
Ausnutzung gelangen kann, wogegen bei allen anderen Belebtschlammverfahren der größte
Teil des Sauerstoffes der eingetragenen Luft ungenutzt verloren geht (bis zu 90
%).
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Da /unmittelbar im Anschluß an die aerobe Behandlung der Abwässer
Oxidation, Nitrifikation) ein sauerstofffreier (anaerober) biologischer Reinigungsprozeß
(Denitrifikation) erfolgen kann, somit eine biologische V o 1 1 - Reinigung erzielt
wird, nicht müssen hierfür zusätzliche bauliche Maßnahmen ergriffen werden müssen.
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Entspannungsgeschwindigkeit der Schaumstoffkörper und Strömungswiderstand
der Siebkolben- oder Lochkolbenplatte sowie der Siebplatte sind derart aufeinander
abgestimmt, daß durch die Kolbenbewegung auch eine Verdrängungsförderung erfolgt
und der Eigenströmungswiderstand der Schaumstoffkörper überwunden wird.
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