DE2550818C3 - Verfahren und Vorrichtung zur biologischen Abwasserreinigung nach dem Schlammbelebungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Vollreinigung nach dem Schlammbelebungsverfahren, bei dem das vorgeklärte Abwasser zusammen mit

65 eingetragener Druckluft in drei Stufen jeweils durch Haftkörper hindurchgeleitet wird und dabei mit Belebtschlamm (Biomasse) in Form von offenporigen Schwamm- oder Schaumstoffkörpern in der ersten Stufe, der Oxydationsstufe, und anschließend der zweiten Stufe, der Nitrifikationsstufe, unter Überdruck aerob sowie schließlich in einer dritten Stufe, der Denitrifikationsstufe, anaerob gereinigt und der gegebenenfalls entstehende Überschuß-Schlamm in einer Flotationsnachklärstufe unter Druckentlastung abgeschieden wird.

Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

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 Ausnützung in ausreichendem Ma3e 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. Schließlich ist es bekannt (DE-OS 15 84 927), die Belüftung des Gemischs dts Abwassers 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.

Sind sehr große Luftsauerstoffmengen in das Klärschlamm-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 der organischen Schmutzstoffe dazu kommen, daß die Sauerstoffzehrung (der Sauerstoffverbrauch) im Belüftungsbehälter schneller verläuft als die Sauerstoffzufuhr erfolgt. Zum Beispiel führt eine sehr hohe Konzentration an organischen Inhaltsstoffen im Abwasser oft dazu, daß die Schmutzstoffe in dicker Schicht an die Mikroorganismen adsorbiert werden, wodurch der gelöste 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 diesem 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/1 im Wasser gelöst direkt zur Verfügung steht. Maßgebend für einen schnellen und durchgreifenden biologischen Reinigungsprozeß ist daher die Geschwin-

digkeit der Sauers toff übertragung 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 Lufteintnig 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

Um einen hohen Sauerstoffeintrag mit vergleichsweise niedrigem Energieaufwand zu erreichen, ohne daß die Anlagekosten steigen und die Gefahr großer Turbulenzen und damit des Zerschlagen:, des Belebtschlamms auftreten kann, sieht ein älterer nicht vorveröffentlichter Vorschlag (DE-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 Oxydation 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 Kolloidfänger in Form von offenporigen Schaumstoffkörpern und eine Zusammendrückvorrichtung vorgesehen sind, mit der die Schaumstoffkörper durch wechselweise Volumenvergrößerung und Volumenverkleinerung mit eingeleiteter Luft oberhalb der Wasseroberfläche gefüllt und unter dieser befreibar sind. Durch die Schaumstoffkörper wird der Sauerstoffeintrag intermittierend unterstützt, doch ist die auf diese Weise erzielbare Raumausbeute begrenzt Es ist nicht auszuschließen, daß die eingetragene Luft schneller als für einen ausreichenden Übergang des Sauerstoffs nötig zum frei schwebenden Belebtschlamm hochperlt

Mit verhältnismäßig niedrigem Energieaufwand aber ebenfalls mit niedriger Raum-Zeit-Ausbeute erfolgt die Abwasserreinigung beim Tropfkörperverfahren und zwar auch dann, wenn als Tropfkörper ein starrer offenporiger Schaumstoffkörper, der den Raum des Reaktors praktisch vollständig ausfüllt und von dem Abwasser-Druckluft-Gemisch durchströmt wird, vorgesehen ist (DE-OS 20 02 926). Außerdem läßt sich nicht vermeiden, daß sich abgestorbene Biomasse in den Poren anreichert den Druckabfall erhöht und die Leistungsfähigkeit mindert. Die Anpassungsmöglichkeit an veränderliche Abwasserverhältnisse ist begrenzt Bei Hintereinanderschaltung von drei Stufen, einer Oxydations-, einer Nitrifikations- und einer Denitrifikationsstufe, besteht nur eine begrenzte Möglichkeit zur Denitrifikation, weil die Reinigungsverhältnisse der beiden ersten Stufen wenig variabel sind.

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 und gleichbleibendem Energieaufwand erfolgt, ohne daß die Anlagekosten sehr steigen, und bei welcher die Ablagerung von abgestorbener Biomasse in den Poren von Haftkörpern nicht zu befürchten und die Vollreinigung in vergleichsweise kurzer Verweilzeit abgeschlossen ist.

Diese Aufgabe ist für das eingangs genannte Verfahren durch die kennzeichnenenden 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 Vorrichtungsanspn;ch gekennzeichnet während vorteilhafte Ausgestaltungen sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung ergeben.

Durch die flexiblen Schaumstoffköi per wird der

Sauerstoff ein trag 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 Schlamm« bzw. Biomasse gebildet ist Durch die Haftung und Bewegung der Biomasse ist ein sehr intensiver Lufteintrag möglich, ohne daß Turbulzen 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 Verfugung, 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 von Druckbelüftungsbehältern mit vergleichsweise geringem Rauminhalt erforderlich ist, weil durch die stetige oder pulsierende Durchströmung der Schaumstoffkörper sichergestellt ist, daß praktisch alle Teilbe- reiche 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 den 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 be kannten drucklosen Verfahren sowie dem bekannten Druckverfahren. Außerdem ist es jederzeit möglich, das Sauerstoffangebot im Wasser ohne weiteres über 2 mg/1 zu halten. Jeder Druckbelüftungsbehälter kann ver-

gleichsweise 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.

Zweckmäßigerweise wird die Reinigung in den einzelnen Stufen jeweils in getrennten Druckbelüftungsbehältern mit eigenen diese ausfüllenden Haftkörpern in ,₀ Form von flexiblen Schwamm- oder Schaumstoffkörpern durchgeführt, da durch die Unterteilung die Gefahr eines Verstopfens weiter verringert ist und die einzelnen Stufen besser auf optimale Bedingungen geregelt werden können. Die Gefahr des Verstopfens der insgesamt durchströmten Schaumstoffkörper ist durch die Ausbildung derart, daß 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 sowie Strömungsgeschwindigkeitsänderung.

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 ausrei- chendem 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 Kompressors stoßweise in solcher Menge zudosiert, wie zur Aufrechterhalturg eines Mindestsauerstoffgehaltes im Wasser von 2 mg/1 benötigt wird. Das Abwasser kann von einem Rückhaltebecken aus über einen Pumpensumpf mittels Abwasserdruckpumpen der ersten Stufe, der Oxydationsstufe, intermittierend 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 Belüftungs-Aggregaten, da fein- oder mittelblasige Belüftungsdüsen der Luft einen zu hohen Widerstand entgegensetzen und sich allzuleicht mit Schlamm zusetzen.

Dadurch, daß 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 Luf nicht nach Eintritt in den Druckbelüftungsbehälter gleich wieder entspannen, wie das bei konventionellen Verfahren der Fall ist. Sie wird darüber hinaus durch den absteigenden Schaumstoffkörper, der sich wie ein Kolben im Druckzylinder im Mittel auf- und abwärtsbe wegt, weiter unter erhöhten Druck gesetzt, wobei di< Sauerstoff-Lösungsgeschwindigkeit um ein erhebliches Maß gesteigert wird. Erst nachdem der Schaurnsioffkör per 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 Entspan nung freigibt und dieser sich wieder ausdehnen kann, werden die durch die Poren des Schaumstoffs gepreßten Luftblasen teilweise entspannt und feinverteilt durch etwas Wasser-Schlamm-Gemisch nach oben steigen. Hierbei wird der in den Schaumstoffkörpern angesiedel te biologische Rasen durchgreifend belüftet Der Sauerstoff im Abwasser-Schlamm-Gemisch erreich dadurch wesentlich höhere Konzentrationen, als bei den bisherigen Lufteintragungsmethoden möglich ist

Zur weiterern Erläuterung der Erfindung wird auf die schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrich tung mit drei zylindrischen Druckbelüftungsbehältern 1 2, 3 Bezug 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 Schaum Stoffkörper 4, S angebracht ist. Eine Kolbenstange mi pneumatischem oder hydraulischem Arbeitszylinder zur durch eine Steuereinheit gesteuerten Auf- und Abwärts bewegung der Siebkolbenplatte 6 ist nicht dargestellt Derartige Kolbenantriebe sind bekannt Das vorgeleierte 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 DruckbelQftungsbehälter 2 (Reaktor II) und schließlich vom Kopf durch einen Auslaß 19 und eine Leitung U durch einen Einlaß 20 in einen dritten Druckbelüftungsbehälter 3 (Reaktor IH), dem am Kopf durch einen Auslaß 21 da« vollgereinigte Wasser entnommen wird. Oberschußschlamm kann aus dem zweiten Behälter 2 über einer Auslaß 22 abgezogen werden. Dem Behälter 3 kanr unter Umgehung des Reaktors I (Oxydationsstufe) unc des Reaktors II (Nitrifikationsstufe) Abwasser unmittel bar über eine in die Leitung 11 mündende Leitung 23, die mit einer Zweigleitung 24 auch in die Leitung 10 mündet zugeführt werden, damit die im Reaktor III erfolgend« Denitrifikation zur vollständigen Sauerstoffzehrunj führt Ein Schlammabzug kann durch Auslässe 16, bzw. 26 der Reaktoren 1, 2 bzw. 3 vorgenommei werden.

Beim Hochsteigen der Siebkolbenplatte 6 der erstei Stufe sammelt sich die ausperlende Luft im oberer Abschnitt des Behälters 1 und wird gemeinsam mi Wasser und Belebtschlamm fiber die Leitung 10 in dei zweiten Behälter 2 eingedrückt Der untere Schaum Stoffkörper 5 im Reaktor II wird im allgemeinen zui

gleichen Zeit zusammengepreßt, in der die Kompression des oberen Schaumstoffkörpers 4 im Reaktor I erfolgt, so daß die aufsteigende Luft der ersten Stufe nicht gänzlich von Druckzwang befreit werden kann.

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.

Der während des kontinuierlichen Betriebs sich aufbauende Überdruck verteilt sich 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.

Die Druckerhöhung im ganzen System der biologisehen 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 in der ersten Stufe aufwärtsbewegt, wird die Durchflußmenge für Luft und Abwasser und somit die Aufenthaltszeit ebenfalls über die Schaumstoffkörper 4,5 geregelt.

Die einzelnen Reinigungsstufen bzw. Druckbelüftungsbehälter 1, 2 und 3 sollten nach einer bestimmten Behandlungsdauer der Abwasser 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 Oxydationsstufen 1 und 2 aufgezehrt wird und da der durch den Schaumstoffkörper 4,5 der dritten Stufe zurückgehaltene biologische Schlamm nicht immer allzulange in einem sauerstoffreien (anaeroben) Zustand verharren soll, da dieser sonst in seiner Zusammensetzung nachteilig verändert werden könnte (Aktivitätsverluste).

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. 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.

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 Erst nahe der Endstellung der Zusammendrückvorrichtung soll er sich an die Innenwand des Behälters anlegen. Dadurch sind Verschleiß und Wandreibung reduziert.

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 I, 2 und 3 gesorgt und das in den Poren angesiedelte biologische Material transpirierfähig gelassen.

Durch die gesteigerte Aktivität der Biomasse unter erhöhtem Druck mit Hilfe der Schaumstoffkörper verläuft gleichzeitig der biochemische Abbau der organischen Inhaltsstoife mit größei er Geschwindigkeit als bei allen bekannten Anlagen.

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 dotierten Belebtschlämme entfällt somit in den meisten Fällen, was eine Energieersparnis bedeutet.

Nur hochkonzentrierte, mit komplizierter organischer Konsistenz behaftete Abwasser, 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 außergewöhnlich hohen Belebtschlamm-Konzentrationen behandelt werden, was auch eine zeitweise Rückführung der dotierten Überschußschlämme erforderlich machen kann.

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.

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

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/I auf den biologischen Reinigungsvorgang ohne Einfluß sein.

Das dürfte bei der derzeitigen Verfahrenstechnik für das Belebungsverfahren zutreffen. Es würden somit alle Bemühungen, den Sauerstoffgehalt im Abwasser-Be lebtschlamm-Gemisch konventionell auf höhere Konzentration als 2 mg/1 anzuheben, einer Energievergeudung gleichkommen. Beim Druckverfahren werden aufgrund der gesteigerten Aktivität der Biomasse andere Maßstäbe gesetzt 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.

Der für eine optimale Abbauleistung erforderliche s 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 Vorklä- m rung, von Abwässern mit hohem Feststoffgehalt die denkbar günstigsten Werte. Durch die erzielbare hohe Sauerstoffeintragssteigerung wird die für eine biologische Vollreinigung erforderliche Mindestsauerstoff konzentration von 2 mg/1 praktisch bei jeder Belastung unabhängig von der Konsistenz des Abwassers und seiner Konzentration an Schmutzstoffen oder des Schlammgehaltes und der Wassertemperatur erreicht.

Die aus der Druckerhöhung resultierende Steigerung der Sauerstoffdiffusionsgeschwindigkeit hat eine Intensivierung des Austausches von Sauerstoff gegen Kohlendioxid oder assimilierbaren Schmutzstoffen gegen Stoffwechselprodukte zwischen dem Abwasser und den lebenden Zellen zur Folge. Dies begünstigt die Produktion spezifischer Abbaufermente seitens der Bakterienzellen.

Die Druckreinigung erfolgt vorzugsweise bei etwa 0,5 bis etwa 2 atü. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann der Einlaßdruck auch höher sein.

Daß die aktiven Bakterienzellen eines Belebtschlammes durch Druckerhöhung in einem abgeschlossenen erfindungsgemäßen System zur einer gesteigerten Fermentsynthese 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-Chorid bei gesteigertem Druck unter Abschluß äquivalent lebender Zellen und abhängig vom Ausmaß der Druckerhöhung vermehrt gebildet wird.

Es kommt auch zu einer verbesserten Anpassungsfähigkeit der Belebtschlämme für Veränderungen in der Konsistenz der Abwässer.

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.

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 Oberdosen obengenannter Gifte (Dosierungen über die normalzulässigen Grenzkonzentrationen hinaus) eine merkliche Schwächung erfährt (gemessen an der zeitlichen Abbaurate).

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.

Da bei allen fermentativen biochemischen 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 10⁰C die Reaktionen um fast das Siebenfache beschleunigen kann.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren liegen die Betriebstemperaturen erheblich höher als bei üblichen Abwasser-Klärprozessen. Bei der Drucklufterzeugung im Kompressor wird ein Teil der aufgebrachten Energie in Wärme umgewandelt und dadurch die Druckluft temperiert. In den Druckbelüftungsbehältern bewirkt diese Verlustwärme eine Temperaturerhöhung, die im Sommer Betriebstemperaturen bis zu 30°C erreichen läßt und selbst in den Wintermontaten bei niedrigen Wasser- und Außentemperaturen die Reaktionsräume auf mindestens 18° C zu halten vermag. Dieser Tatbestand ist besonders wichtig für die Betriebssicherheit und die Reinigungsleistung im Winter.

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.

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 überführen.

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.

Entgegen der Ansicht, daß Sauerstoffkonzentration über 1 mg/1 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 18° 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.

Selbst bei Schlammbelastungen über 1 kg BSB/kg Trockensubstanz und Tag kann bei erhöhtem Druck von einer Temperatur von 25° C während 1 bis 2 Stunden neben einem BSB-Abbau bis zu 95% eine volle Nitrifikation erreicht werden.

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.

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 Bedingungen vollzieht sich diese Reaktion ziemlich schnelL Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind hierfür höchstens eine halbe Stunde Aufenthalt erforderlich. Zur Ableitung von bei der Reinigung gebildeten Gasen sind entsprechende Gasablaßleitungen auslaßseitig der Behälter vorgesehen.

Führt man den biologischen Abbauprozeß mit größeren Belebtschlammengen bei Temperaturen über 18° C 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 Abwasserreinigung, nämlich die Stickstoffelimination, sind hierbei erfüllt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren können ohne betriebliche Schwierigkeit und ohne höheren Kostenaufwand die beiden Prozesse der Oxidation und der Denitrifikation unmittelbar hintereinander ablaufen.
Der wichtigste Vorteil des erfindunpsgemäßen Druckreinigungsverfahrens gegenüber konventionellen Verfahren und dem aus der DE OS 15 84 927 bekannten Verfahren wird darin gesehen, daß der Sauerstoff der aufgewendeten Luft zur vollständigen Ausnutzung

ίο gelangen kann, wogegen bei allen anderen Belebtschlammverfahren der größte Teil des Sauerstoffes der eingetragenen Luft ungenutzt verlorengeht (bis zu 90%).

Da unmittelbar im Anschluß an die aerobe Behandlung der Abwässer (Oxydation, Nitrifikation) ein sauersiofffreier (anaerober) biologischer Reinigungsprozeß (Denitrifikation) erfolgen kann, somit eine biologische Voll-Reinigung erzielt wird, müssen hierfür zusätzliche bauliche Maßnahmen nicht ergriffen werden.

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur biologischen Vollrein-gung nach dem Schlammbelebungsverfahren, bei dem das vorgeklärte Abwasser zusammen mit eingetragener Druckluft in drei Stufen jeweils durch Haftkörper hindurchgeleitet wird und dabei mit Belebtschlamm (Biomasse) in Form von offenporigen Schwammoder Schaumstoffkörpern in der ersten Stufe, der Oxydationsstufe, und anschließend der zweiten Stufe, der Nitrifikationsstufe, unter Überdruck aerob sowie schließlich in einer dritten Stufe, der Denitrifikationsstufe, anaerob gereinigt und der gegebenenfalls entstehende Überschuß-Schlamm in einer Flotationsnachklärstufe unter Druckentlastung abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Stufen flexible Schaumstoffkörper intermittierend zusammengedrückt und wieder entspannt werden und die Druckluft intermittierend in der ersten und gegebenenfalls zweiten Stufe dem den Schaumstoffkörpern zuströmenden Abwasser zugegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Druckluft- und Abwasserzufuhr in der ersten Stufe während des Entspannens des Schaumstoffkörpers erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritten Stufe ein Teil nur vorgeklärtes Abwasser zur Erzielung einer vollständigen Sauerstoffzehrung zugeführt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit drei hintereinandergeschalteten jeweils mit Haftkörpem für die Biomasse in Form von offenporigen Schaumstoffkörpern enthaltenden, im wesentlichen vollständig ausgefüllten Druckbelüftungsbehältern mit jeweils einem Einlaß für vorgereinigtes Abwasser und einem Einlaß für Druckluft am Einlaßende und einem Auslaß für belüftetes Abwasser am gegenüberliegenden Auslaßende, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstoffkörper (4, 5) aus flexiblem Werkstoff bestehen und in jedem Druckbelüftungsbehälter (1, 2,3) eine Zusammendrückvorrichtung Für die Schaumstoffkörper vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammendrückvorrichtung wenigstens eine zwischen zwei Endstellungen hin- und herbewegbare Siebkolbenplatte (6) aufweist, zu deren beiden Seiten jeweils Schaumstoffkörper (4,5) angeordnet sind, die bei einer Mittelstellung der Siebkolbenplatte etwa entspannt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbelüftungsbehälter (3) für die dritte Stufe einen Einlaß (21) für nur vorgeklärtes Wasser hat.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ein- und Auslässen (15 bis 21) fernsteuerbare Ein- und Auslaßventile vorgesehen sind, die zusammen mit der Zusammendruckvorrichtung mit einer Steuereinheit intermittierend betätigbar sind.