DE3229960A1 - Verfahren zur kombinierten mechanischen und biologischen reinigung - Google Patents

Description

• BESCHREIBUNG
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kombinierten mechanischen und biologischen Reinigung eines organisch verschmutzten Abwassers in einer als Kaskade geschalteten, mehrstufigen Belebungsanlage mit ihrem zugehörigen Nachklärbecken, einer externen Schlammaktivierung und einem vorgeschalteten Multifunktionsbecken mit oder ohne beigeschalteter Flotationsanlage. Aufgabe des beschriebenen Verfahrens ist es, ein Optimum an Reinigungswirkung zu erzielen im Hinblick auf die Reduktion der BSB5- und CSB-Werte, aber auch in Bezug auf eine Denitrifikation und auf eine Beseitigung von biologisch wirkenden Hemmstoffen. Es ist weiterhin Aufgabe des beschriebenen Verfahrens, mit geringstem Energieaufwand und mit geringstem Raumbedarf zu arbeiten.
• Es ist aus der Literatur bekannt, daß der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der biologischen Abwasserreinigung.... bei der heute üblichen Arbeitsweise mit Klärschlammflocken keineswegs der O2-Ertrag, sondern die Diffusion vom Substrat in die Flocke ist.
• Diese kann beim Arbeiten mit sogenannten freischwebenden Einzelorganismen ganz wesentlich beschleunigt werden, doch bringt eine solche Arbeitsweise große Aufbereitungsprobleme (Separation) mit sich." ("Dritte Generation der Kläranlagen", H. Brauer, Verfahrenstechnik 13 (1979) 6, 452 ff).
• Dieser heutige bekannte Stand der Technik wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erheblich verbessert, weil mit ihm ein technisch gangbarer Weg aufgewiesen wird, nach dem mit freischwebenden Einzelorganismen in den einzelnen Verfahrensstufen gearbeitet werden kann, ohne daß überhaupt Aufbereitungsprobleme, also Probleme bei der Separation der freischwebenden oder dgglomerierten Einzelorganismen von dem aufbereiteten Klarwasser -entstehen.
• Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Abwasserbehandlung in den einzelnen Verfahrensstufen zwar ein stets gleicher Belebtschlamm (eine gleiche Biozönose) im Kreislauf geführt wird, daß dieser aber je nach seiner aktuellen Funktion in eine jeweils genau definierte äußere Form gebracht wird. Dabei können folgende Formen unterschieden werden: 1. ein Belebtschlamm mit groben, schweren, gasfreien Flocken, 2. ein Belebtschlamm mit fein zerteilten Flocken, 3. ein gleicher mit Gaseinschlüssen 4. ein Strom von freischwebenden Einzelorganismen.
• Beim Einsatz des Verfahrens in Großanlagen wurde nun gefunden, daß ein Strom von freischwebenden Einzelorganismen dadurch erzeugt werden kann daß Belebtschlamm-haltiges Wasser und extern belüfteter Rückschlamm mittels Kreiselpumpen auf Druck gebracht und in einem Gasstrahlinjektor oder einem statischen Mischer mit Druckluft vermischt und sodann unter Druck durch ein nachgeschaltetes Leitrohr (etwa entsprechend Patentschrift 23 52 917) geführt werden. In einer solchen Vorrichtung erfolgt die Aufnahme des Substrats zusammen mit der Aufnahme des dabei im Wasser gelösten Luftsauerstoffs in kurzen Zeiträumen, die z.B. mit 5 bis 30 Sekunden beobachtet wurden.
• Es ist weiterhin bekannt, daß die Belebtschlammflocke durch Membran- oder Mammutpumpen nicht zerstört wird, und es ist andererseits evidentf daß die freischwebenden Einzelorganismen der Biozönose sich bei geringer Strömu ngsgeschwindigkeit wieder zu Schlammflocken zusammenballen. Bei absolutem Strömungsstillstand erfolgt das bereits innerhalb einer Minute. Durch eine geeignete Kombination der einzelnen Fördervorrichtungen und Strömungsgeschwindigkeiten lassen sich damit die für die Wirksamkeit des Verfahrens optimalen Betriebszustände ganz nach Wunsch in jeder Arbeitsstufe erreichen.
• Das Auseinanderreißen der Belebtschlammflocken (beispielsweise in mehreren hintereinander in Kaskade geschalteten Belebungsbecken mit ihrer jeweiligen Belüftungseinheit) in freischwebende Einzelorganismen hat noch einen zusätzlichen vorteilhaften Effekt: Die gleichzeitig entstehenden feinsten Primär-Luftblasen gewährleisten mit ihrer besonders großen Oberfläche einen hohen Sauerstoffeintrag in das behandelte Abwasser. Die sonst bekanntlich als ,,Kristallisationskeime" die Blasenkoaleszenz fördernden Schlammflocken fehlen jedoch, sodaß das vorliegende Wasser-Luft-Gemisch als koaleszenzhemmendes Stoffsystem diesen hohen Sauerstoffeintrag auch bis nahe zur Erschöpfung des Sauerstoffanteils in jedem Luftbläschen nutzen kann. Der Sauerstoffertrag wird gesteigert und damit auch der Energieverbrauch merklich gesenkt. Wegen des nach oben hin nahezu unbegrenzten Sauerstoffeintrags je Raumeinheit (Raumbelastungen bis zu 30 Kg BSB5- pro m3,d ließen sich einwandfrei fahren) bei entsprechender Umwälzung des Belebtschlammes kann bei einem hochbelasteten Abwasser eine extrem hohe Raumbelastung gewählt werden, was gegenüber konventionellen Kläranlagen eine Einsparung an Betriebsvolumen von bis zu 75 % ermöglicht.
• Das folgende Beispiel diene gleichzeitig zur weiteren Erläuterung des Verfahrens; die Zeichnung stellt den Fluß des Abwassers in den einzelnen Verfahrensstufen und diese selbst dar.
• In der Zeichnung bedeuten 1 das Multifunktionsbecken mit 11 Schmutzwasser-Eintritt 12 Bogensieb 13 Zulauf Überschußschlamm 14 grobblasige Bodenbelüftung 15 Speisepumpe zum Flotator 2 das Flotationsgerät mit 21 Druckwasser-Druckluft-lnjektor 22 Abwurf Flotat 23 Klarwasser-Abfluß 3 eine erste hochbelastete Belebungsstufe 31 Pumpenzufluß 32 Kreiselpumpe 33 Injektor / statischer Mischer 34 Bodenrohr 35 Luftgebläse für die Gesamtanlage 4 eine niedriger belastete Belebungsstufe, als Kaskade, mit Belüftungssystem wie bei 3 5 eine letzte, sehr niedrig belastete Belebungsstufe, in Kaskade, mit Belüftungssystem wie bei 3 6 Das Nachklärbecken 61 Schlamm-Abzug 62 Reinwasser 7 Schlammstabilisierung 71 Mammut-Pumpen 72 Rückschlamm 13 Oberschußschlamm Kurzbeschreibung der Anlagen-Funktionen: 1. Multifunktionsbecken: Abwurf von Grobschmutz. Sandabscheidung. Volumenausgleich, Konzentrationsausgleich. Kontakt ÜberschuRschlamm/Abwasser, wobei Schmutz-, Farb- und Giftstoffe aufgenommen werden. Kontinuierliche Beschickung der Flotation. Grobblasige Belüftung, vorzugsweise mit Bodenbelüftung. Schlammflocken bleiben erhalten.
• 2. Flotationsgerät: Überschu ßsch lamm mit adsorbierten Schmutz- und Giftstoffen, Festteilchen, Haare, Öle und Fette werden ausgetragen. Flockenstruktur, soweit vorhanden, bleibt dabei bestehen.
• 3. Erste hochbelastete Belebungsstufe. Mindestbelastung 1,5 Kg BSB5/m3,d. Maximalbelastung 30 kg/m3,d. Kreislauf des Beckeninhalts unter Zutritt von flotiertem Abwasser und Schlamm aus der externen Regeneration 7. In 33 Erzeugung von freischwebenden Einzelorganismen, die anschließend bei schneller Strömung im Bodenrohr nach Eintritt in das Becken 3 bei einer Verweilzeit ca. 1 h wieder flockulieren.
• 4. Niedrig belastete Belebungsstufe, in Kaskade geschaltet. Aufreißen der Flocken und Wiedervereinigung derselben im Becken 4 ähnlich wie in Becken 3.
• 5. Sehr niedrig belastete Belebungsstufe, als Kaskade geschaltet. Aufreißen der Flocken und Zusammenfließen derselben wie vor. Sehr niedrige Raumbelastung gestattet intermittierende Belüftung mit 30 bis 9Q Minuten äelüftungspause bei dauerndem Umpumpen. Dadurch Denitrifikation, Abbau schwer abbaubarer Wasserinhaltsstoffe und Befreiung der Schlammflocken von Stickstoffblasen ermöglicht.
• 6. Grobflockiger, Gasblasen-freier Schlamm setzt sich im Nachklärbecken gut ab. Abgegebenes Reinwasser hat BSB5 = 8 + 4 mg/l. Rückschlamm geht zur Stabilisierung.
• 7. Schlammstabilisierung unter Luftzufuhr mit Mammutpumpen in Intervallen von 30 bis 90 Minuten, bzw. ohne Luftzufuhr zur weiteren Denitrifikation. Externe Schlammstabilisierung wird gewählt, wenn Schlammalter im System bei 250C kürzer als 8 Tage ist. Rückschlamm geht auf die Pumpe der ersten hochbelasteten Belebungsstufe zurück, Überschußschlamm zum Multifunktionsbecken.
• In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Belastungs- und Größenverhältnisse für zwei reale Extremfälle verdeutlicht, wobei in diesem Beispiel davon ausgegangen wird, daß die jeweiligen Belebungsbecken für die hoch- und niederbelasteten Stufen gleich groß sind, daß sie nämlich jeweils 200 m³ Flüssigkeitsvolumen bei 5,5 m Wassertiefe fassen.
• Im Fall A handelt es sich um ein sehr verdünntes Abwasser, wie es auf kommunalen Kläranlagen angetroffen wird (BOD = 270 ppm), während im Fall B das Abwasser aus einer Lederfabrik (ohne Asche und Chromgerbbad - BOD = 1870 ppm) erfaßt ist.
• Es ergeben sich folgende Zahlenwerte: Tabelle 1 A B E / EGW 17 000 24 300 Qm3/d 3800 775 BSB5 Kg/d 1015 1450 do, nach Flotation 760 1 240 BSB5 ppm nach Flotation 200 1 600 Q m 7h 160 35 Multifunktionsbecken 1 V m3 1000 260 Belebungsbecken 3 V m3 200 200 BR Kg BSB5/m3,d 2,4 4,0 Belebungsbecken 4 m3 200 200 BR Kg BSB5/m3,d 1,2 2,0 Belebungsbecken 5 m3 200 200 BR Kg BSB5/m3,d 0,2 0,2 Nachklärbecken 6 Q m² 320 70 Dm 20 10 V m3 640 175 Gesamt-Flüssigkeits-Volumen der Anlage (m3 umbauter Raum) m3 2 790 1 750 m3 1 E, EGW 0,164 0,072 Baukosten 1982 DM / E, EGW 98,50 43,20 Entsprechend der Optimierung des Bauvolumens und der Baukosten wird auch der Energiebedarf auf erstaunlich günstige Werte reduziert: Tabelle 2 Energieverbrauchszahlen A B Multifunktionsbecken 1 plus Flotation KWh 112,5 25 Belebungsbecken gesamt Belüftung KWh 309 506 Umwälzpumpen KWh 240 240 Sonstiges 18,5 19 Gesamtverbrauch KWh/d 680 790 Spez. Energieverbrauch KW/Kg BSB5 0,67 0,54 Die Werte der Tabellen 1 und 2 bedeuten für die Praxis extrem niedrige Verbrauchswerte, die sich auf die zu jedem Zeitpunkt optimale Schlammstruktur gründen. Sie sind insbesondere auch deshalb besonders vorteilhaft, weil sie die Denitrifikation als Teil der Dritten Reinigungsstufe ohne Mehraufwand an technischer Installation oder Betriebsmitteln beinhalten. Mit geringem zusätzlichem Aufwand kann auch die Entfernung der Phosphate aus den kommunalen Abwässern durchgeführt werden. Eine Kläranlage der beschriebenen Art gibt überdies keine Tröpfchen- oder Geruchsemission; dieser Vorteil, gepaart mit dem geringen Bauvolumen, macht sie auch geeignet zur Installation in oder nahe von Wohngebieten.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE (1) Verfahren zur kombinierten, mechanischen und biologischen Reinigung von organisch verschmutztem Abwasser in einer ein Multifunktionsbecken, eine Flotationsstufe, eine in Kaskade geschaltete mehrstufige Belebungsanlage mit Nachklärbecken und eine externe Schlammregeneration enthaltenden Kläranlage, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reinigung des Abwassers in diesen einzelnen Verfahrensstufen unterschiedliche Formen der gleichen Biozönese, insbesondere auch diese als freischwebende Einzelorganismen eingesetzt werden.

   (2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Einlauf zu einer ersten, in Kaskade mit weiteren Stufen geschalteten hochbelasteten Belebungsanlage bei Raumbelastungen von über 1,5 bis 30 kg BSB5/m3,d das kontinuierlich zugeführte Abwasser jeweils mehrfach mittels umgewälzten schlammhaltigen Wassers aus dieser Belebungsstufe und mittels extern belüftetem Rückschlamm verdünnt und zur Erzielung überwiegend freischwebender Einzelorganismen mittels Pumpe und Druckluft in einem Injektor oder statischen Mischer belüftet und zerteilt und anschließend unter Druck zwangsweise mittels Führungsrohres auf dem Boden des Belebungsbeckens gehalten, dann nach einer für die Diffusion des Substrats in die freischwebenden Einzelorganismen hinreichenden Zeit von 5 bis 30 Sekunden in das Belebungsbecken ausgestoßen und dabei der Belebtschlamm wieder bei verlangsamter Strömung ausgeflockt wird.

   (3) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von Abwasser und geflocktem Belebtschlamm aus der ersten Belebungsstufe in einer oder mehreren weiteren der in Kaskade geschalteten Belebungsstufen wiederholt einer gleichen Behandlung zum Aufreißen der Flocken in überwiegend freischwebende Einzelorganismen unterworfen und zusätzlich in der letzten Behandlungsstufe vor dem Nachklärbecken eine intermittierende Belüftung der rückgebildeten Flocken mit Belüftungspausen von 30 bis 90 Minuten zwecks Denitrifikation unter Minderung der biologisch schwer abbaubaren Wasserinhaltsstoffe angewendet wird.

   (4) Verfahren nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, daß die aus dem Nachklärbecken rückgeführten, denitrifizierten und blasenfreien Schlammstoffe in einer Vorrichtung zur externen Reaktivierung in Intervallen von 30 bis 90 Minuten kräftig und kurzzeitig mit Mammutpumpen durchmischt und grobflockig und in konzentrierter Form auf die Saugseite der dortigen Pumpe in die Belebungsstufe nach Anspruch 2 zurückgeführt werden.

   (5) Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der aktivierte Überschußschlamm nach seiner externen Reaktivierung im Multifunktionsbecken mit dem frisch ankommenden Abwasser gemischt, belüftet und nach Aufnahme von Schmutz-, Farb- und Giftstoffen grobflockig in einer nachgeschalteten Flotationsanlage zusammen mit anderen Feststoffen, Ölen und Fetten abgeschieden wird.