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Einstufiges Verfahren zum kontinuierlichen Eintrag von Sauerstoff
in ein belebtschlammhaltiges Abwasser Zum Betrieb einer biologischen Abwasserkläranlage
muß im Belebtschlammbecken die für den Stoffwechsel der Mikroorganismen nötige Sauerstoffmenge
zugeführt und eine bestimmte Sauerstoffkonzentration aufrechterhalten werden, damit
die Bakterienkultur aerob arbeiten kann. Der dazu notwendige Sauerstoff wird der
Flüssigkeit aus der Gasphase zugeführt.
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Die Nachschubgeschwindigkeit von Sauerstoff aus dem Gas in die Flüssigkeit
ist einerseits von der Größe der Phasengrenzfläche gasförmig/flüssig und von der
dort herrschenden Turbulenz abhängig, andererseits ist sie der Konzentrationsdifferenz
i~c zwischen der maximal erreichbaren °2-Sättigungskonzentration und der herrschenden
02-Konzentration in der Flüssigkeit direkt proportional.
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Zur Vergrößerung der Phasengrenzfläche werden unter anderem Oberflächenbelüfter
eingesetzt oder das Gas wird in die Flüssigkeit geleitet und dort ggf. mittels Rührer
oder Flüssigkeitsstrahlen (Ejektor; Injektor; Zweistoffdüse) dispergiert.
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Im ersten Fall herrscht am Begasungsort Normaldruck, im zweiten
Fall
werden in der Regel 5 bis -7 m tiefe Becken verwendet, wodurch an der Stelle der
Gaszerteilung ein geringer hydrostatischer Uberdruck genutzt wird.
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Eine wesentliche Beschleunigung des Sauerstoffnachschubs in die Flüssigkeit
läßt sich durch die Vergrößerung der Konzentrationsdifferenz k c erreichen. Diese
Vergrößerung der Konzentrationsdifferenz d c läßt sich in der Praxis nur durch Steigerung
des 02-Partialdrucks im Gas erzielen.
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Letzteres ist entweder durch Anhebung des Systemdruckes oder durch
Ubergang von Luft zu Sauerstoff oder zu sauerstoffangereichertem Gas möglich. Die
Verwendung von reinem Sauerstoff oder von sauerstoffangereichertem Gas setzt aus
wirtschaftlichen Gründen allerdings voraus, daß der Gasstrom beim Passieren der
Anlage weitgehend an Sauerstoff verarmt.
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Dies ist beim Arbeiten unter Normaldruck durch mehrfaches Einführen
des Gasstromes in die Flüssigkeit und/oder durch Führen des Gases durch hintereinander
geschaltete Absorptionsstufen möglich (sogenanntes mehrstufig betriebenes Belebtschlammbecken").
Das Erzielen einer engen Verweilzeitverteilung des Gasdurchsatzes durch Kaskadenschaltung
der Behandlungsräume ist Gegenstand des Verfahrens nach der deutschen Auslegeschrift
2 032 555.
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Die Anhebung des Systemdruckes zwecks Vergrößerung der Konzentrationdifferenz
A c kann durch Ausbildung der Belebtschlammstufe in Form eines Schachtes bewerkstelligt
werden. Dieses Vorgehen setzt allerdings eine intensive Zirkulation der Flüssigkeit
voraus, damit einerseits die sauerstoffarmen Schichten in den Bereich des intensiven
Sauerstofftransports gelangen und andererseits die Flüssig keit dort nicht mit Sauerstoff
soweit gesättigt wird, daß es in Bereichen eines niedrigeren hydrostatischen Druckes
zum Ausgasen und damit zur Flotation des Belebtschlammes kommen kann. Die Zirkulation
der Flüssigkeit kann durch Unterteilung
des Schachtes mittels Trennwänden
in einen aufsteigenden und in einen abfallenden Schenkel bewerkstelligt werden (deutsche
Offenlegungsschrift 2 423 085).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines einstufigen
Verfahrens zur Abwasserbehandlung in Belebtschlammbecken, bei dem sowohl der Vorzug
eines hohen hydrostatischen Druckes als auch der des Fehlens von Rückvermischung
in Bezug auf die Gasphase gewahrt sein soll, um damit einen hohen Nutzungsgrad des
Sauerstoffs des Gases beim einmaligen Durchperlen des belebtschlammhaltigen Abwassers
zu erreichen. Bei dem einstufig betriebenen Belebtschlammbecken soll das sauerstoffhaltige
Gas lediglich in eine einzige Absorptionsstufe geführt und hierin weitgehend an
Sauerstoff verarmen. Da es sich herausgestellt hat, daß es bei Großkläranlagen unökonomisch
ist, die Begasung außerhalb des Belebtschlammbeckens, z. B. in einem Schacht vorzunehmen,
weil dann die Anlieferung von gelöstem Sauerstoff einen kaum zu bewerkstelligenden
Flüssigkeitskreislauf erfordert, muß der Sauerstoffeintrag zwangsläufig innerhalb
der Belebtschlammstufe vorgenommen werden. Die Ausbildung der gesamten Belebtschlammstufe
als tiefer Schacht kommt hierfür jedoch aus Kostengründen nicht in Betracht.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zum
kontinuierlichen Eintrag von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in ein belebtschlammhaltiges
Abwasser, wobei sauerstoffhaltiges Gas in einer einzigen Absorptionsstufe weitgehend
durch das belebtschlammhaltige Abwasser verbraucht wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das sauerstoffhaltige Gas mit mindestens 50 Vol.-% 02 in das unter dem eigenen
hydrostatischen Druck stehende belebtschlammhaltige Abwasser an Stellen mit einem
hydrostatischen Druck zwischen etwa 0,9 bis 4 bar eingeführt wird, wobei der Gasdruck
des eingeführten
Gases etwa 0,01 bis 0,5 bar über dem hydrostatischen
Druck der Gaseinführstelle liegt, und wobei jede Gaseinführstelle eine begaste Querschnittsfläche
von etwa 0,1 bis 0,5 m2 aufweist, die mit je 100 bis 300 Effektivkubikmeter Gas
pro m2 Querschnittsfläche und pro Stunde belastet wird, und wobei die einzelnen
Gaseinführstellen einen Abstand von 2 bis 10 m, vom Mittelpunkt einer Gaseinführstelle
gemessen, haben und vorzugsweise äquidistant zueinander angeordnet sind.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung
zur biologischen Abwasserbehandlung mit 10 bis 40 m Flüssigkeitshöhe, deren Verhältnis
von Höhe/Durchmesser zwischen etwa 5 und 0,5 liegt und die im Boden oder dicht über
dem Boden, vorzugsweise bis 1 m über dem Boden, möglichst äquidistant zueinander
angeordnete Gaseinführstellen mit einer individuellen Querschnittsfläche zwischen
etwa 0,1 bis 0,5 m2 im Abstand von 2 bis 10 m, vom Mittelpunkt einer Gaseinführstelle
gemessen, aufweist.
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Wie sich herausgestellt hat, kommt es, um Sauerstoff in einer Stufe
hochgradig (Nutzungsgrad: 80 bis 90 %) zu absorbieren, wesentlich darauf an, daß
durch eine intensive Zirkulation der Flüssigkeit sowie durch ein schnelles Aufsteigen
des Gasblasenschwarms dafür gesorgt wird, da im Belebtschlammbecken keine nennenswerten
Sauerstoff-Konzentrationgradienten auftreten und daß die vom Gasblasenschwarm nach
dem Mammutpumpenprinzip mitgeführte FlUssigkeit mit Sauerstoff nicht soweit gesättigt
wird, dalä an Stellen niedrigeren hydrostatischen Drucks Entgasung auftreten kann.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen eine einstufige Behandlung des belebtschlammhaltigen
Abwassers, wobei der Sauerstoff verbraucht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in etwa 10 bis 40
m tiefen Belebtschlammbecken beliebigen vuerschnitts durchgeführt. Das Verhältnis
Höhe/Durchmesser liegt vorzugsweise
bei Werten zwischen etwa 5
und 0,5. Sauerstoffhaltige Gase mit mindestens 50 Vol,- 02 oder Sauerstoff werden
erfindungsgemäid nur uber eine bestimmte Zahl von Gaseinführstellen, vorzugsweise
mehr als fünf Gaseinführstellen, zugeführt. Diese Gaseinführstellen können im Boden
des Belebtschlammbeckens oder dicht über dem Boden, vorzugsweise bis 1 m uber dem
Belebtschlammbeckenboden angeordnet sein.
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Das Gas tritt durch diese Gaseinführstellen, vorzugsweise senkrecht
nach oben, in Form eines Gasblasenschwarms in das belebtschlammhaltige Abwasser
ein, wodurch "Kamine" mit intensiver auf und absteigender Flüssigkeitszirkulation
gebildet werden, deren Wirkung durch keinerlei Einbauten unterstützt zu werden braucht.
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Bezogen auf die Querschnittsfläche des Belebtschlammbeckens wird eine
Gaseinführstelle pro 5 bis 15 m , vorzugsweise 2 8 bis 12 m #uerschnittsfläche vorgesehen.
Diese Gaseinführstellen für das sauerstoffhaltige Gas besitzen eine Fläche von 0,1
bis 0,5 m2, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 m2 und besitzen vorzugsweise eine kreis- oder
ringförmige Form. Darüber hinaus sind jedoch auch andere Formen, wie z. B. eine
quadratische oder gleichseitig dreieckige Flächenform möglich. Durch diese Gaseinführstellen
wird das sauerstoffhaltige Gas in Durchsätzen von 100 bis 300 Effektivkubikmeter,
bezogen auf Fläche (m2) und Zeit (Stunden) in das Belebtschlammbecken eingeführt
(Querschnittsbelastung einer Gaszuführstelle). Vorzugsweise beträgt die Querschnittsbelastung
einer Gaszuführstelle 150 bis 250 Effektivkubikmeter/m2h (Unter Effektivkubikmeter
wird das Gasvolumen bezogen auf den Gasdruck und die Gastemperatur an der Gaseinführstelle
verstanden).
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Die Gaszuführstellen können in bekannter Weise in Form von Meisen,
Ejektoren, Injektoren, Lochböden, usw. ausgebildet sein, die eine wirksame Dispergierung
des eingeführten sauerstoffhaltigen
Gases in feine Gasbläschen
ermöglichen. Sämtliche Gaseinführstellen befinden sich vorzugsweise an Stellen gleichen
hydrostatischen Drucks und sind in einem Abstand von 2 bis 10 m, vorzugsweise 3
bis 6 m (gemessen vom Mittelpunkt einer Gaseinführstelle) angeordnet. Ferner sollen
die Gaseinführstellen möglichst gleichmäßig über die gesamte Querschnittsfläche
des Belebtschlammbeckens angeordnet sein.
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Die Feinheit der an der Begasungsstelle primär erzeugten Gasblasen
hängt von der Leistung ab, die zum Zerteilen des Gasdurchsatzes in Gasblasen aufgewandt
wird. Diese Leistung wird bei Injektoren und bei Einlochböden (Chemie-Ingenieur-Technik
43 (1971) 6, 329 - 335) in der Regel durch einen bestimmten Flüssigkeitsdurchsatz
durch den Gaszerteilungsapparat aufgebracht. In einer speziellen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher gleichzeitig mit dem sauerstoffhaltigen
Gas durch die Gaseinführstelle Flüssigkeit als Treibflüssigkeit durchgesetzt. Dieser
Flüssigkeitsdurchsatz beträgt etwa 10 bis 30 Volumen- des Gasdurchsatzes.
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Besonders vorteilhaft ist es, als Treibflüssigkeit belebtschlammhaltiges
Abwasser zu verwenden.
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Wenn auf der Bodenfläche um die Gaseinführstellen infolge mangelnder
Zirkulation der Flüssigkeit Belebtschlamm sedimentiert, kann mit zusätzlichen Einstoffdüsen,
die vorzugsweise mit belebtschlammhaltigem Abwasser beschickt werden, der Boden
so angestrahlt werden, daß der Belebtschlamm wieder aufgewirbelt wird.
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Das erfindungsgemäße einstufige Verfahren zum kontinuierlichen Eintrag
von Sauerstoff in das belebtschlammhaltige Abwasser ermöglicht es, den Sauerstoff
in einer Stufe hochgradig auszunutzen. Infolge der speziellen Anordnung der Gaseinführstellen
und der speziellen Querschnittsbelastung dieser
Gaseinführstellen
entstehen Begasungskamine, in denen sich der infolge hoher Begasungsdichte entstandene
hohe Auftrieb sowohl auf die Aufstiegsgeschwindigkeit des Gasblasenschwarms als
auch auf seine Mammutpumpenwirkung vorteilhaft auswirkt.
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Dabei steht für die Rückströmung des Wassers ein großer Ringquerschnitt
zur Verfügung, wodurch eine intensive Flüssigkeitszirkulation in großen Belebtschlammbecken
in Abwesenheit jeglicher Einbauten bewerkstelligt wird.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft an einer
Vorrichtung zur biologischen Abwasserbehandlung erläutert, die mit technisch reinem
Sauerstoff arbeitet: Ein Belebtschlammbecken, das ein Flüssigkeitsvolumen von 6200
m3 besitzt, wird mit 800 m)/h Abwasser beschickt. Der Sauerstoffbedarf dieser Anlage
beträgt 45,6 t/Tag, was 1900 kg Sauerstoff/h entspricht. Die Sauerstoffkonzentration
in der Flüssigkeit beträgt 6 mg/l und die Wassertemperatur 300C.
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Die Flüssigkeitshöhe im Belebtschlammbecken beträgt 20 m, der Belebtschlammbeckendurchmesser
des zylindrisch geformten Bekkens beträgt ebenfalls 20 m (Belebtschlammbecken-Querschnittsfläche
314 m2). Erfindungsgemäß wird der Sauerstoff nur an )0 Stellen (eine Begasungsstelle
auf etwa 10 m2) in die belebtschlammhaltige Flüssigkeit eingeführt, wobei diese
Begasungsstellen äquidistant (in den Ecken gleichschenkliger Dreiecke gedacht) angeordnet
sind. Als Gaseinführstellen werden Injektoren eingesetzt (Querschnittsfläche: 0,1
m2), die sich etwa 1/2 m über dem Beckenboden befinden. Der Durchsatz je Injektor
beträgt 19,4 Effektivkubikmeter/h Gas und 6 m3/h belebtschlammhaltige Abwasser.
Dieses belebtschlammhaltige Abwasser wird dem Belebtschlammbecken entnommen und
über Förderpumpe(n) den Injektoren als Treibflüssigkeit zugeführt. Der Uberdruck
des
eingeführten Gases an der Gaseinführstelle beträgt hierbei etwa 0,01 bar über dem
hydrostatischen Druck. Der Nutzungsgrad beträgt 80 % der eingeleiteten Sauerstoffmenge.