DE3424615C2 - Verfahren und Kläranlage zur biologischen Abwasserreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Ab­ wasserreinigung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Gattung sowie eine Kläranlage nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 10.

Bei bekannten Verfahren zum Entfernen stickstoffhaltiger Substanzen durch biologische Abwasser-Reinigung werden die Nitrifikations- und die Denitrifikationsvorgänge entweder in hintereinandergeschalteten Apparaten oder in einem Zirkula­ tionssystem durchgeführt. Im ersteren Fall wird für jeden Apparat ein besonderer Aktivschlamm verwendet, während beim Zirkulationssystem ein einheitlicher Aktivschlamm eingesetzt werden kann, der heterotrophe und autotrophe Mikroorganismen enthält. Die heterotrophen Mikroorganismen wachsen und oxy­ dieren kohlenstoffhaltige Substanzen in der Nitrifikations- und in der Denitrifikationszone, wobei sie den in der Akti­ viermischung gelösten Sauerstoff in der Nitrifikationszone und Sauerstoff aus Nitraten in der Denitrifikationszone ver­ werten. Die autotrophen Mikroorganismen wachsen lediglich in der Nitrifikationszone und benutzen den in der Aktiviermi­ schung gelösten Sauerstoff sowie anorganischen Kohlenstoff zur Nitrifikation von Ammoniak.

Das Zirkulationssystem mit einheitlichem Schlamm hat den Vorteil, daß die organischen Stoffe im Abwasser als Geber von Sauerstoff für die Denitrifikationsvorgänge verwendet werden, so daß keine weiteren organischen Stoffe zugesetzt werden müssen, wie dies beim Verfahren in Reihe geschalteter selbständiger Apparate der Fall ist. Dadurch vereinfacht sich der betriebstechnische Aufwand und die Energie für die Sauerstoffzufuhr in die Denitrifikationszone wird herabge­ setzt. Es ist deshalb nötig, das Rohwasser in die Denitri­ fikationszone zuzuführen.

Ein bekanntes Beispiel eines Zirkulationssystemes mit Deni­ trifikation und einheitlichem Aktivschlamm ist der Oxyda­ tionsgraben, bei dem sowohl eine Zone mit gelöstem Sauer­ stoff in der Aktiviermischung als auch eine Zone ohne gelö­ sten Sauerstoff entsteht, wobei das Rohwasser in die Deni­ trifikationszone zugeführt und die Aktiviermischung intensiv gemischt wird.

Weitere nach dem Zirkulationsprinzip arbeitende Verfahren und Anlagen sind z. B. in der DE-A-31 44 019 und in der Fachzeitschrift "gwf-wasser/abwasser", 123 (1982), S. 240 bis 246 beschrieben.

Ferner sind Anlagen bekannt, bei denen im Zirkulationssystem zwei selbständige Behälter vorgesehen sind. In einem Behäl­ ter erfolgt die Rohwassereinleitung und die Denitrifikation ohne Sauerstoffzufuhr und im zweiten Behälter die belüftete Aktivation mit den Nitrifikationsvorgängen.

Bei Zirkulationssystemen mit Denitrifikation hat jedoch der Aktivschlamm - gegenüber Aktiviationssystemen ohne Denitri­ fikation - wesentlich ungünstigere Eigenschaften. Es bildet sich ein leichter voluminöser Schlamm, was sich durch einen hohen Schlammindex äußert.

So wurde zum Beispiel beim Reinigen von Abwässern aus Schlachthäusern mit einem Gehalt an stickstoffhaltigen Sub­ stanzen von etwa 150 mg·l^-1, in Werten von TKN ausge­ drückt, ein Schlammindex bei einem Zirkulationsverfahren mit Denitrifikation von 150 ml·g^-1 festgestellt, gegenüber einem Wert von etwa 50 ml·g^-1 beim Reinigen desselben Wassers ohne Denitrifikation. Einen ähnlich ungünstigen Einfluß auf die Schlammeigenschaften hat die Denitrifikation im Zirkulationssystem auch bei der Reinigung anderer Abwäs­ ser mit geringem Gehalt an stickstoffhaltigen Substanzen. So liegen Werte des Schlammindexes bei Oxydationsgräben für kommunale Abwässer üblich oberhalb 100 ml·g^-1, wobei auch Werte von 500 ml·g^-1 keine Ausnahme darstellen.

Der hohe Schlammindex äußert sich negativ beim Betrieb von biologischen Reinigungsanlagen in vielen Richtungen. Der hauptsächliche negative Effekt zeigt sich beim Abscheiden des Aktivschlammes und bei dessen Rückführung in die Akti­ vation. Das Erhöhen des Schlammindexes führt proportional zu einer Verminderung der Oberflächenbelastung und damit auch der Abscheideleistung.

Ein weiterer negativer Einfluß ergibt sich aus der Tendenz des leichten Aktivschlamms zur Flotation beim Abscheiden, was den Wirkungsgrad des Abscheidens wesentlich herabsetzt. Ein hoher Schlammindex begrenzt auch die erzielbare Grenze der Konzentration des Aktivschlammes in der Aktivation.

Der geringere Abscheidewirkungsgrad und die niedrigere Konzentrationsgrenze des Aktivschlammes ergeben eine unge­ nügende Schlammkonzentration bei der Aktivation. Da die In­ tensität der Nitrifikation und der Denitrifikation vom Alter und der Konzentration des Schlammes mit bestimmt wird, sind zur Erzielung eines ausreichenden Reinigungseffektes große Schlammengen und damit auch entsprechend dimensionierte An­ lagen erforderlich. Große Anlagen haben nicht nur einen hohen Preis, sondern auch eine hohe Wärmeabgabe in die Um­ gebung, was sich wegen der Abhängigkeit der Nitrifika­ tions/Denitrifikations-Vorgänge von der Temperatur insbeson­ dere im Winter ungünstig auswirkt.

Zur wirksamen Reinigung von Abwässern mit höherem Stick­ stoffgehalt und bei höheren Temperaturen der Aktivations­ mischung können daher Zirkulationssysteme mit Denitrifika­ tion praktisch nicht eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile bekannter Reini­ gungssysteme zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen sowie durch die auf eine Kläranlage gerichteten Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an­ hand der schematischen Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kläranlage mit Denitrifikation in einem Zirkulationssystem für Abwässer der Lebensmittelindustrie in vertikalem Axial­ schnitt;

Fig. 2 einen Turbulenzerzeuger in Form einer Düse und eines Zyklons für die Anlage nach Fig. 1;

Fig. 3 einen anderen Turbulenzerzeuger;

Fig. 4, 5 eine Kläranlage für kommunale Abwässer im vertikalen Querschnitt und im Grundriß; und

Fig. 6 einen Turbulenzerzeuger mit einer Be­ lüftungsanordnung für die Anlage nach Fig. 4 und 5.

Die in Fig. 1 dargestellte Kläranlage ist bevorzugt zum Rei­ nigen von kleineren Mengen von mittelmäßig verunreinigten Abwässern bestimmt, wie z. B. von Abwässern der Lebensmit­ telindustrie. Die Anlage umfaßt zwei zylindrische Behälter 1, 3 mit vertikaler Achse, von denen einer als belüfteter Aktivier- bzw. Nitrifikationsraum 2 und der zweite Behälter 3 als Denitrifikationsraum 4 dient.

Der belüftete Aktivierraum 2 und der Denitrifikationsraum 4 sind zu einem Zirkulationskreis durch eine Leitung 5 mitein­ ander verbunden, die aus dem unteren Teil des Denitrifika­ tionsraumes 4 über eine Pumpe 6 mit Förderrohr 7 in eine Düse 8 an der Einlaufseite eines Zyklons 9 führt. Der Zyklon 9 ist über dem Wasserstand im Behälter 1 angeordnet. Eine Rückleitung 10 verbindet den belüfteten Aktivierraum 2 mit dem oberen Teil des Denitrifikationsraumes 4. Das Rohwasser wird über eine Leitung in die Rückleitung 10 eingeführt. Die Rückleitung 10 verläuft horizontal in den Denitrifikations­ raum 4 unter einem kleinen Neigungswinkel zur Wand des Be­ hälters 3. Der Denitrifikationsraum 4 weist in seinem unte­ ren Teil einen konischen Boden 12 auf. Statt des Zyklons 9 mit der Düse 8 kann z. B. auch eine Vorrichtung nach Fig. 3 eingesetzt werden, die einen Mischer mit zwei Motoren 32 und 33 mit gegensinnig angetriebenen Rotoren 13 und 14 enthält, die in der Förderleitung 7 der Pumpe 6 vorgesehen sind. Im Aktivierraum 2 sind Belüftungselemente 15, Verteilerleitun­ gen 16 und ein nicht dargestellter Lüfter angeordnet.

Im oberen Teil des Aktivierraumes 2 ist ein Abscheider 17 für den Aktivschlamm angeordnet, dessen konische Wand 18 unten in einen Verbindungsschacht 19 mündet, der in den un­ teren Teil des Aktivierraumes 2 führt. Der Abscheider 17 weist Umlaufkanäle 20 auf, die im oberen Teil mit dem Akti­ vierraum 2 über Öffnungen 21 verbunden sind und deren untere Mündungen 22 sich im unteren Teil des Abscheiders 17 befin­ den. Im oberen Teil des Abscheiders 17 ist eine Abdeckung 23 angeordnet, welche die ganze Oberfläche 24 des im Abscheider 17 befindlichen Fluidfilters gegen das Niveau 25 des gerei­ nigten Wassers überdeckt. Dieses Klarwasser-Niveau wird durch einen Sammeltrog 26 mit einem Ablauf 27 bestimmt. Unter der Abdeckung 23 ist unterhalb des Klarwasser-Niveaus 25 ein Abzug 28 für den ausflotierten Schlamm vorgesehen. Ferner ist unterhalb der Oberfläche 24 des Fluidfilters ein Abzug 29 für den Aktivschlamm aus dem Fluidfilter angeord­ net. Beide Abzüge 28, 29 führen in einen Expansionsbehälter 30 mit einem Schlammabzug 31.

Die in Fig. 1 bis 3 dargestellte Anlage arbeitet folgender­ maßen. Rohwasser wird über den Zulauf 11 in die Rückleitung 10 geführt, in welcher es sich mit der Aktiviermischung ver­ mischt, und fließt in den Denitrifikationsraum 4. Dadurch wird im Denitrifikationsraum 4 ein ausreichender Überschuß an kohlenstoffhaltigen Substanzen für die Denitrifikation aufrechterhalten. Das durch Oxydation der organischen Stoffe sowohl im Denitrifikationsraum 4 als auch im belüfteten Aktivierraum 2 entstehende Kohlendioxyd bildet die Haupt­ quelle an organischem Kohlenstoff für die Nitrifikation von Ammoniak im Aktivierraum 2. Ein Teil der Mischung aus dem belüfteten Aktivierraum 2 fließt über die Umlaufkanäle 20 in den unteren Teil des Abscheiders 17.

In diesem Abscheider 17 wird im Fluidfilter der Aktivier­ schlamm aus dem gereinigten Wasser abgeschieden, das über den Sammeltrog 26 und den Ablauf 27 abgeführt wird. Der ab­ geschiedene Aktivschlamm kehrt über den Verbindungsschacht 19 in den Aktivierraum 2 zurück.

Der belüftete Aktivierraum 2 und der damit verbundene Deni­ trifikationsraum 4 bilden ein Zirkulationssystem, das mit einheitlichem Aktivschlamm arbeitet, der eine Mischung aus heterotrophen und autotrophen Mikroorganismen enthält. Die heterotrophen Mikroorganismen oxydieren die organischen Kohlenstoff-Verbindungen sowohl im Aktivierraum 2 als auch im Denitrifikationsraum 4, wobei sie den für ihre Lebens­ prozesse erforderlichen Sauerstoff der Aktiviermischung im belüfteten Aktivierraum 2 und den Nitraten im Denitrifika­ tionsraum 4 entnehmen.

Die autotrophen Mikroorganismen gedeihen lediglich in der Nitrifikationszone und nutzen gelösten Sauerstoff der Akti­ viermischung und anorganischen Kohlenstoff zur Nitrifi­ kation von Ammoniak. Dadurch werden stickstoffhaltige Sub­ stanzen des Abwassers im Aktivierraum 2 zu Nitraten oxy­ diert, die im Denitrifikationsraum 4 zu gasförmigem Stick­ stoff reduziert werden.

Insbesondere an der Oberfläche von Schlammteilchen aber auch teilweise in ihrer Struktur bilden sich Gasbläschen aus vor­ zugsweise Stickstoff, die durch Turbulenz in der Strömung der Aktiviermischung im Denitrifikationsraum 4 und im Akti­ vierraum 2 freigesetzt werden und so in die freie Atmosphäre gelangen. Zum möglichst vollständigen Ablösen der Stick­ stoffbläschen von den Schlammteilchen genügt die Intensität dieser Turbulenz nicht, wodurch sich diese Bläschen ohne An­ wendung weiterer Mittel im Aktivschlamm konzentrieren und dessen Eigenschaften verschlechtern.

Zum Entfernen der relativ fest gebundenen Stickstoffanteile wird wenigstens eine lokale Zone intensiver Turbulenz gebil­ det, in der auf die Schlammteilchen Scherkräfte einwirken, welche diese Teilchen aufteilen bzw. desintegrieren und so den gasförmigen Stickstoff lösen. Zum Erreichen dieses Zie­ les ist eine Turbulenz von über 300 W/l und bis zu 1000 W/l und mehr erforderlich.

Wesentlich ist, daß die Wirkung der Scherkräfte an einer bestimmten Stelle in der strömenden Flüssigkeit mit dem Aktivschlamm ausgeübt wird. Diese Stelle kann an einem be­ liebigen Ort des Zirkulationskreises zwischen dem belüfteten Aktivierraum 2 und dem Denitrifikationsraum 4 vorgesehen sein und so angeordnet werden, daß über diese Stelle ent­ weder der ganze Zirkulationsstrom oder nur ein bestimmter Anteil führt. Die lokale Zone intensiver Turbulenz kann auch im Ablaufbereich des Aktivschlammes aus dem Abscheider angeordnet werden, zum Beispiel im Schlammablauf aus dem Abscheider 17 oder in einem besonderen Zirkulationszweig zwischen dem oberen Teil des Fluidfilters und dem belüfteten Aktivierraum 2 oder dem Denitrifikationsraum 4, gegebenen­ falls direkt im Nitrifikations- oder dem Denitrifikations­ raum.

Da das Eindringen von Stickstoff-Mikroblasen in den Aktiv­ schlamm einen länger dauernden Vorgang darstellt, kann die Wirkung der Scherkräfte mit Unterbrechungen während einer Zeit ausgeführt werden, die für ein Überführen des gesamten Aktivschlammes über die Stelle der intensiven Turbulenz genügt.

Bei höheren Konzentrationen des Aktivschlammes ist es vor­ teilhaft, die lokale Zone intensiver Turbulenz in die Ver­ bindungsleitung des belüfteten Aktivierraumes 2 und des Denitrifikationsraumes 4 einzureihen.

Wenn in bestimmten Anlagen höhere Konzentrationen des Aktiv­ schlammes nicht erzielt werden können, was besonders in äl­ teren Anlagen der Fall ist, können die Scherkräfte auf den aus dem Abscheideraum abgeführten Aktivschlamm einwirken.

Bei gut ausgelegten Zirkulationssystemen mit Denitrifikation unter Anwendung von Scherkräften auf den Aktivschlamm ist nur ein um ca. 15 bis 30% höherer Energieaufwand erforder­ lich. Diese Energie genügt für ein praktisch vollständiges Austreiben von gasförmigem Stickstoff aus dem Aktivschlamm, wobei der Schlammindex praktisch gleich dem beim Aktivier­ reinigen von Abwässern ohne Denitrifikation ist. So ergab sich z. B. beim Reinigen von Abwässern in einem Schlachthaus mit Denitrifikation ein ansteigender Schlammindex von etwa 50 ml·g^-1 auf 150 bis 180 ml·g^-1, der nach Anwendung von Scherkräften einer Turbulenzintensität etwa 1000 W/l auf etwa 50 ml·g^-1 verringert wurde.

Für ein Erzielen des erforderten Effektes ist die Intensität der wirkenden Turbulenz entscheidend. Die technische Be­ stimmung der Stelle, wo die Turbulenz wirken soll, kann auf verschiedene Weise geschehen. Eine Möglichkeit ist in Fig. 1 und 2 gezeigt, wo die Energie für die Turbulenz durch eine Zentrifugalpumpe 6 mit genügender Druckhöhe geliefert wird, und die Turbulenz wird durch eine in einen Zyklon 9 münden­ de Düse 8 erzeugt, also in Kombination mit diesem Zyklon 9. Zu einem Erhöhen des Effektes trägt ein Einführen der Düse 8 in den Bereich des freien Niveaus der Flüssigkeit bei, wo es zu einem Abscheiden von Stickstoffblasen durch Wirkung von Scherkräften bei atmosphärischem Druck und durch Wirkung eines Unterdruckes beim Ansaugen der Pumpe und in der Düse kommt, wodurch eine Expansion der Stickstoffblasen eintritt, welche zu deren Freigabe mithilft. Eine andere Möglichkeit eines Erzielens der benötigten Turbulenzintensität ist ein mechanisches Mischen mittels von zwei oder mehr in entgegen­ gesetzter Richtung laufenden Rotoren 13, 14 oder mittels einer Kombination von Statoren und Rotoren in einer geeigne­ ten Kammer. Ein Beispiel dieser Lösung zeigt Fig. 3.

Zweckmäßig sollte die benötigte Turbulenzintensität mit dem geringsten Energieaufwand erzielt werden. Zu diesem Zweck kann die Energie in einem möglichst kleinen Raum dissipiert werden, was praktisch durch Anwendung mehrerer kleinerer Düsen statt einer großen Düse erreicht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die betreffenden Anlagen sind nicht auf die in Fig. 1 bis 3 dargestellten Anlagen be­ schränkt. Der Zirkulationskreis kann z. B. so ausgebildet sein, daß die Turbulenz durch eine an die Förderleitung 7 einer Pumpe 6 angeschlossene Düse 8 erzeugt wird, die tan­ gential im unteren Teil des Denitrifikationsraumes 4 mündet, wobei der Eintritt 5 der Pumpe 6 aus dem belüfteten Aktivierraum 2 führt. Die Rückleitung 10 verbindet dann die oberen Teile der Räume 2 und 4. Die Rohwasserzufuhr 11 mün­ det in diesem Fall vor der Düse 8.

Bei der Kläranlage kann ferner die lokale Zone intensiver Turbulenz im Ablauf des im Abscheider 17 abgeschiedenen Aktivschlammes, d. h. im Verbindungsschacht 19, vorgesehen sein. Die intensive Turbulenz kann gleichfalls in einem be­ sonderen Zweig der Zirkulation erzeugt werden, der einen Abzug 29 des Aktivschlammes im oberen Teil des Abscheiders 17 unter der Oberfläche 24 des Fluidfilters besitzt und der entweder im Denitrifikationsraum 4 oder im belüfteten Aktivierraum 2 mündet. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, diesen Zirkulationszweig mit Unterbrechungen zu be­ treiben und diesen Betrieb während einer niedrigeren oder unterbrochenen Rohwasserzufuhr in die Anlage auszuführen, damit bei Betrieb dieses Zweiges die hydraulische Belastung des Abscheiders nicht übermäßig erhöht wird.

Die Erfindung kann nicht nur bei dem Abscheider nach Fig. 1, sondern in jedem Abscheider angewendet werden, bei dem die intensive Turbulenz im Abzug des aus dem Abscheider zurück­ kehrenden Schlammes erzeugt wird oder an Abscheider mit Fluidfiltration angereiht werden, wenn die intensive Turbu­ lenz in einem besonderen Zirkulationszweig erzeugt wird.

Die in Fig. 4 bis 6 gezeigte Kläranlage ist insbesondere zum biologischen Reinigen von großen Mengen an gering verunrei­ nigtem Abwasser, wie z. B. von städtischen Abwässern, konzi­ piert.

In einem einzigen Behälter mit einem Mantel 1 ist der Inhalt durch eingebaute Scheidewände 34 und 35 zu länglich angeord­ neten Arbeitsräumen aufgeteilt, und zwar zu einem belüfteten Aktivierraum 2, einem Denitrifikationsraum 4 und im oberen Teil einem Abscheider 17. An beiden Enden sind beide anlie­ genden Räume, nämlich ein belüfteter Aktivierraum 2 und ein Denitrifikationsraum 4, gegenseitig mittels Durchgängen 36 und 37 verbunden. Die Abscheider 17 sind mit dem belüfteten Aktivierraum 2 über einen Umlaufkanal 20 in Verbindung.

Im belüfteten Aktivierraum 2 befindet sich eine kombinierte Anlage zum Erzeugen einer lokalen intensiven Turbulenz unter gleichzeitigem Belüften der Aktiviermischung mit Zufuhr von Sauerstoff in den belüfteten Aktivierraum 2. Diese Anordnung ist im Detail in Fig. 5 dargestellt und besteht aus einer Düse 8, die an eine Pumpe 6 über deren Förderleitung 7 ange­ schlossen ist. Der Eintritt 5 dieser Pumpe 6 mündet in den Denitrifikationsraum 4. Eine Gasverteilerleitung 16 aus dem Lüfter 38 mündet in die Düse 8. Die Luftzufuhr kann auch drucklos ausgeführt werden, falls die Düse 8 als ein bekann­ ter Ejektor mit Ansaugen atmosphärischer Luft ausgeführt ist. Die Düse 8 ist im Ejektor 41 angeordnet.

Die Rohwasserzufuhr 11 führt in einen Verteiler 39, von wo das Rohwasser mittels Teilzufuhrleitungen 40 vor den De­ nitrifikationsraum 4 zugeführt wird. Der Abscheider 17 mit dem Fluidfilter mit der Oberfläche 24 des Fluidfilters und dem Niveau 25 des gereinigten Wassers mit Sammeltrögen 26 ist mit einer Verdeckung 23 mit einem Abzug 28 des ausflo­ tierten Schlammes, mit einem Expansionsbehälter 30 und einem Schlammabzug 31 versehen, der entweder in den belüfteten Ak­ tivierraum 2 zurückgeführt oder außerhalb des Apparates ge­ leitet wird. Der untere Teil des Abscheiders 17 ist über einen Umlaufkanal 20 mit dem belüfteten Aktivierraum 2 ver­ bunden.

Die in Fig. 4 bis 6 dargestellte Anordnung arbeitet folgen­ dermaßen. Die Pumpe 6 pumpt über den Eintritt 5 die Akti­ viermischung aus dem Denitrifikationsraum 4 und verdrängt sie über die Düse 8 in den Ejektor 41. Gleichzeitig wird dieser Mischung Luft beigefügt, die über die Verteilerlei­ tung 16 zugeführt wird.

Der Strom der Aktiviermischung mit Luft fließt vom Ejektor 41 in den belüfteten Aktivierraum 2. Dadurch wird in den be­ lüfteten Aktivierraum 2 Sauerstoff zugeführt, und gleich­ zeitig wird die ganze Aktiviermischung in Zirkulationsbewe­ gung versetzt zwischen länglichen Arbeitsräumen, die durch eingebaute Trennwände 34 und 35 bestimmt sind. Im Aktivier­ raum 2 wird der zugeführte Sauerstoff durch Mikroorganismen für ein Oxydieren gegenwärtiger organischer Stoffe und Ammoniak verbraucht. Dadurch wird dessen Konzentration wäh­ ren des Durchflusses der Aktiviermischung durch den belüf­ teten Aktivierraum 2 herabgesetzt. In der Zone, wo die Sauerstoffkonzentration genügend niedrig ist, wird in den Strom der Aktiviermischung durch Teilverteiler 40 Rohwasser zugeführt, das mit dem ganzen Strom der Aktiviermischung vermischt wird.

Bei entstandenem Überschuß organischer Stoffe verbrauchen die Mikroorganismen schnell den Rest des Sauerstoffes, wo­ durch im weiteren Strom der Aktiviermischung ein Raum ohne Gegenwart von gelöstem Sauerstoff entsteht, der dann als De­ nitrifikationsraum 4 arbeitet.

Nitrate, die in der Aktiviermischung durch Oxydieren von Ammoniak und von organischen Stoffen, die Stickstoff ent­ halten, im belüfteten Aktivierraum 2 entstanden sind, werden unter Abwesenheit von Sauerstoff und unter Überschuß organi­ scher Stoffe aus dem Rohwasser im Denitrifikationsraum 4 durch heterotrophe Mikroorganismen zu gasförmigem Stick­ stoff reduziert.

Die restlichen organischen Stoffe aus dem Roh­ wasser, die dabei unverbraucht blieben, werden dann durch den Strom der Aktiviermischung aus dem De­ nitrifikationsraum 4 in den belüfteten Raum übertragen, wo sie oxidiert werden.

Ein Teil der Aktiviermischung aus dem belüf­ teten Aktivierraum 2 kommt über den Umlaufkanal 20 in den Abscheider 17, wo der Aktivschlamm vom gereinigten Wasser abgeschieden wird.

Das gereinigte Wasser wird aus dem Abscheider 17 über Sammeltröge 26 abgeführt, während der abgeschie­ dene Aktivschlamm in den Umlaufkanal 20 zurück­ fällt und über den unteren Teil dieses Kanals in den belüfteten Aktivierraum 2 zurückkehrt.

Ein Teil des bei der Denitrifikation entstandenen gasförmigen Stickstoffes wird an der Oberfläche der Teilchen des Aktivschlammes in Form von Blasen abgeschieden, ähnlich wie schon an der Anordnung nach Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Diese Blasen werden durch die turbulente Bewegung der Aktiviermischung im belüfteten Aktivierraum 2 losgelöst.

Ein weiterer Teil des entstandenen gasförmigen Stickstoffes hat sich jedoch in Form von Mikroblasen innerhalb der Teilchen des Aktivschlammes abgeschieden, welche Blasen in die Struktur dieser Teilchen eingedrungen sind, wie schon bei der Anlage gemäß Fig. 1 erwähnt wurde. Das Anhäufen dieser Mikroblasen würde den Wert des Schlammindexes er­ höhen, und es ist deshalb nötig, sie zu entfernen.

Die erwähnten Mikroblasen können aus dem Aktiv­ schlamm genügend nur durch intensive Turbu­ lenz entfernt werden, die, wie schon erwähnt, die Teilchen des Aktivschlammes der Wirkung von Scherkräften aussetzt und diese Mikroblasen loslöst. Dazu dient als Quelle der lokalen intensiven Turbulenz ein Wasserstrom, der aus der Düse 8 austritt. Dieser Strom fließt so schnell, daß er am Umfang einen Doppelkegelraum mit sehr intensiver Turbulenz er­ zeugt, die sich dann in den sich kegelförmig aus­ breitenden Flüssigkeitsstrom ausbreitet. Die Inten­ sität der Turbulenz an der Mündung der Düse 8 über­ trifft dabei wesentlich den Wert von 1000 W/l, was für den erwähnten Effekt schon genügend ist.

Da der Vorgang des Eindringens der Mikroblasen von Stickstoff in die Teilchen des Aktivschlammes über eine längere Zeit verläuft, ist es beim Reinigen von Abwässern nicht nötig, die intensive Turbulenz am Aktivschlamm bei jedem Durchgang des Aktivschlammes im Zirku­ lationskreis auszuführen, und es genügt, falls nur ein Teil des Stromes über die Stelle der Anwendung der intensiven Turbulenz führt. Dadurch werden we­ sentliche Ersparnisse an Energie bei genügender Kontrolle der Eigenschaften des Aktivschlammes erzielt.

Der energetische Wirkungsgrad des beschriebenen Verfahrens hängt wesentlich von der Konzentration des Aktivschlammes in der Aktiviermischung ab. Deshalb ist die Anwendung des beschriebenen Verfahrens bei Anwendung der intensiven Turbulenz insbesondere bei einer hohen Konzentration des Aktivschlammes wirtschaftlich vorteilhaft. Das wird an integrier­ ten Anordnungen unter Anwendung eines sehr wirksamen Abscheidens und mit Rückkehr des Aktivschlammes zurück in die Aktivation erzielt. Diesem Zweck dient der Abscheider 17, der durch eingebaute Trennwände 34 und 35 im oberen Teil des Behälters praktisch an der ganzen Grundfläche der Anordnung ausgeführt ist. Das angewendete hoch wirksame Abscheiden durch fluides Filtrieren zusammen mit der großen Abscheidefläche ermöglicht eine Wirkungsweise der Anordnung mit hoher Konzentration des Aktivschlammes, was eine Herabsetzung des Energieaufwandes zum Entfernen von Stickstoff durch Anwendung einer intensiven Turbulenz auf einen wirtschaftlich tragbaren Grad mit einem um 15 bis 30% höheren Energieaufwand, als für das eigene Belüften erforderlich ist, er­ möglicht. Der Denitrifikationseffekt unter gleich­ zeitiger Kontrolle des Schlammindexes bringt ein der­ artiges Verbessern der Güte des gereinigten Wassers, und zwar nicht nur, was den Gehalt von stickstoff­ haltigen Stoffen betrifft, sondern auch den von kohlenstoffartigen Stoffen, welche das Erhöhen des Energieaufwandes um den angeführten Wert voll rechtfertigen.

Die anhand von Fig. 4 bis 6 beschriebene Anord­ nung ermöglicht so die Anwendung der Denitrifikation auch für große Volumen weniger verunreinigter Abwässer auf wirtschaftliche Weise. Das hat dort eine Bedeutung, wo eine höhere Güte des gereinigten Was­ sers gefordert wird, zum Beispiel für den Schutz von Stillwässern gegen Eutrophysation. Die hohe Güte des gereinigten Wassers bietet gleichfalls die Möglichkeiten einer Lösung von Technologien mit geschlossenem Kreislauf des Wassers ohne Abfall.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die beschriebenen Anlagen beschränkt. An älteren Typen von Anlagen, wo es nicht möglich ist, die benötigte Konzentration des Aktivschlammes zu erzielen, zum Beispiel beim Aktivationsgraben, ist es möglich, das Einwirken von Scherkräften auf den verdickten Schlamm auszuführen, der aus dem Abscheider in die Aktivation zurückkehrt. Die anhand von Fig. 4 bis 6 beschriebene Anlage kann auch eine selbständige Belüftungsanlage haben.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die betref­ fende Anlage haben eine Reihe von Vorteilen. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens zum Aktivations­ reinigen mit Denitrifikation in einem Zirkulations­ system ist dessen allgemeine Anwendbarkeit. Das er­ findungsgemäße Verfahren kann zum Reinigen wenig verunreinigter Wässer, zum Beispiel von Spülwässern, mittelmäßig verunreinigter Wässer, zum Beispiel von Abwässern der Lebensmittelindustrie, und stark verunreinigter Wasser, wie zum Beispiel flüssiger Exkremente von Haustieren, angewendet werden.

Für alle diese Wasserarten bietet das erfindungs­ gemäße Verfahren einen wirtschaftlichen Weg der Intensifikation des Reinigens, was nicht nur in der Herabsetzung des Stickstoffgehaltes und organischer Stoffe äußert, sondern auch an anderen Parametern der Verunreinigung, wie ungelöster und organischer Stoffe, in Werten BSK₅ und CHSK ausgedrückt.

Die erzielte Güte des gereinigten Wassers zeigt einen Weg für abfallose Technologien mit wiederholtem Anwenden des gereinigten Wassers in geschlossenen Zirkulationskreisen, was ein Erzielen von Ersparnis­ sen und einen Schutz der Umwelt ermöglicht.

Außer dieser qualitativen Vorteile bringt das Ausnützen des erfindungsgemäßen Verfahrens Voraus­ setzungen für beträchtliche Ersparnisse an Investi­ tionskosten. Der erwähnte qualitative und quantitative Effekt ist das Ergebnis eines wesentlichen Erniedri­ gens des Schlammindexes des Aktivschlammes im Zirkulationskreis mit Denitrifikation. Zum Bei­ spiel kann bei manchen Abwässern der Lebens­ mittelindustrie, wie Abwässern der Fleisch­ industrie, eine Herabsetzung des Wertes des Schlamm­ indexes auf 1/2 bis 1/3 des Wertes erzielt werden, der sonst ohne das erfindungsgemäße Verfahren er­ reicht würde.

Durch die erwähnten besseren Eigenschaften des Schlammes werden allgemein bessere Parameter des Reini­ gungsvorganges erzielt. Ein niedriger Schlammindex verbessert das Abscheidevermögen des Aktivschlammes, was sich in einem Erhöhen der Ober­ flächenbelastung des Abscheiders äußert und so in einer Möglichkeit einer höheren Konzentration des Aktivschlammes beim Aktivieren, was ein wesentlicher Intensifikationsfaktor des ganzen Vor­ ganges des Aktivationsreinigens ist, da vor allem die Nitrifikation und Denitrifikation vom Alter des Schlammes direkt abhängig sind.

Ein resultierender Effekt ist die Möglichkeit eines großen Verringerns des Volumens der Akti­ vationsanordnung gegenüber Anordnungen mit Denitri­ fikation ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens.

Das Herabsetzen der Abmessungen der Anordnung zeigt sich vorteilhaft nicht nur in den Kosten der Anlage, sondern auch in einer Verringerung der Abhängigkeit der Anlage von atmosphärischen Ein­ flüssen durch Verringerung der Wärmeabgabe. Bei hoher Abhängigkeit der Nitrifikations- und Denitri­ fikationsvorgänge von der Temperatur - ein Erhöhen der Temperatur um 10°C stellt ein Beschleunigen dieser Vorgänge um 100% dar - bringt ein Verringern der Abmessungen der Anordnung wesentliche Ersparnisse insbesondere während des Winters und ein Erhöhen des Wirkungsgrades beim Reinigen.

Durch Herabsetzen des Wertes des Schlammindexes verringert sich auch die Tendenz des Schlammes zur Flotation, was sich bei hohem Schlammindex ausdrück­ lich in einem unerwünschten Entweichen von unge­ lösten Stoffen in das gereinigte Wasser zeigt. Ein Ergebnis ist ein wesentliches Verbessern des Wir­ kungsgrades des Reinigens, was ein Herabsetzen der Abmessungen des Abscheidesystems und ein Erhöhen der Güte des gereinigten Wassers ermöglicht.

Claims (17)

1. Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung, bei welchem das Abwasser in einem Zirkulationssystem einer Nitrifi­ kation und einer Denitrifikation unterworfen und an­ schließend der Aktivschlamm von dem Klarwasser getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest einer lokal begrenzten Zone des Zirku­ lationssystems eine intensive Turbulenz erzeugt wird, durch welche die Aktivschlammteilchen desintegriert werden und der an ihnen anhaftende oder eingelagerte gasförmige Stickstoff abgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenz in der zwischen der Denitrifikationsstufe und der Nitrifikationsstufe fließenden Aktiviermischung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Turbulenz in Intervallen oder mit verän­ derlicher Intensität erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß in die aus der Denitrifikationsstufe zur Ni­ trifikationsstufe turbulent fließenden Aktiviermischung Luft eingeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenz in dem vom Klarwasser getrennten Aktiv­ schlamm erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenz in der Aktiviermischung erzeugt wird, die aus einem Abscheidesystem mit Fluidfiltration unterhalb der Oberfläche des Fluidfilters entnommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rohwasserzufuhr während der Er­ zeugung der Turbulenz herabgesetzt oder unterbrochen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Rohwasser in die aus der Nitrifi­ kationsstufe zur Denitrifikationsstufe fließende Akti­ viermischung eingespeist wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenz mittels eines transportierenden Turbu­ lenzerzeugers erzeugt wird, wodurch die Aktiviermischung aus der Nitrifikationsstufe in die Denitrifikationsstufe fließt, in welcher sie in einer kreisenden Bewegung mit ggf. ansteigender Geschwindigkeit absinkt.

10. Kläranlage zur biologischen Abwasserreinigung, be­ stehend
aus mindestens je einem Aktivier- und Nitrifikations­ raum sowie einem Denitrifikationsraum, die zu einem Zirkulationssystem miteinander verbunden sind, und
aus einem dem jeweiligen Aktivierraum nachgeschalteten Abscheider zum Trennen des Aktivschlammes von dem in einem Überlauf abfließenden Klarwasser,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Zirkulationssystem ein Turbulenzerzeuger (6, 8, 9; 13, 14) angeordnet ist, der eine Teilmenge der Ak­ tiviermischung in eine lokal begrenzte intensive Tur­ bulenzströmung versetzt.

11. Kläranlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der transportierende Turbulenzerzeuger in einer der Ver­ bindungsleitungen (5, 6) zwischen dem Denitrifika­ tionsraum (4) und dem Aktivierraum (2) angeordnet ist.

12. Kläranlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulenzerzeuger eine aus dem unteren Teil des Denitrifikationsraums (4) ansaugende Pumpe (6), eine Förderleitung (7), eine endseitig daran angeord­ nete Düse (8) und einen Zyklon (9) aufweist, dessen Aus­ laßstutzen in den oberen Teil des Aktivierraums (2) ausmündet.

13. Kläranlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulenzerzeuger zumindest ein angetriebenes Rührorgan (13, 14) enthält.

14. Kläranlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulenzerzeuger im Aktivierraum (2) angeord­ net und als Ejektor ausgebildet ist, dessen Düse (8) an die Druckluftversorgung (16, 38) und an die För­ derleitung (7) einer aus dem Denitrifikationsraum (4) ansaugenden Pumpe (6) angeschlossen ist.

15. Kläranlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulenzerzeuger in einem Sinkschacht (19) angeordnet ist, welcher den Schlammauslauf des Ab­ scheiders (17) mit dem unteren Teil des Aktivierraums (2) verbindet.

16. Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß an die vom Aktivierraum (2) zum Denitrifikationsraum (4) führende Rücklaufleitung (10) die Rohwasserzufuhr (11) angeschlossen ist.

17. Kläranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in einem gemeinsamen Behälter meh­ rere durch Scheidewände (34) voneinander getrennte und über endseitige Durchgänge (36, 37) miteinander ver­ bundene Denitrifikationsräume (4) und Aktivierräume (2) mit zugehörigen Abscheidern (17) vorgesehen sind und daß in den Aktivierräumen (2) die als Ejektoren (41) ausgebildeten Turbulenzerzeuger angeordnet sind, von denen jeder an eine gemeinsame Druckluftversorgung (38) und an die Förderleitung einer aus dem Denitrifi­ kationsbehälter ansaugenden Pumpe (6) angeschlossen ist.