DE10123152B4

DE10123152B4 - Biologische Kläranlage für kommunale, gewerbliche und landwirtschaftliche Abwässer und Verfahren zum Betreiben der Anlage

Info

Publication number: DE10123152B4
Application number: DE10123152A
Authority: DE
Inventors: Dr. Triller Wolfgang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2021-05-04
Also published as: DE10123152A1

Abstract

Biologische Kläranlage für kommunale, gewerbliche und landwirtschaftliche Abwässer zur chargenweisen Abwasserreinigung im Aufstaubetrieb mit einem Schlammspeicher, einem ablaufseitigen Bioreaktor (3) mit einem verwirbelbaren, mit Mikroorganismen besiedelbaren Trägermaterial (10) und einer Belüftungseinrichtung (5) sowie einer Vorrichtung (8) zum Abziehen von Schlamm aus dem Bioreaktor (3), wobei – zwischen einem zulaufseitigen Vorklärbecken (1) und dem Bioreaktor (3) ein Vorspeicherbecken (2) für vorgeklärtes Abwasser mit einer Fördereinrichtung (7) bekannter Art für die Zuführung des zu reinigenden Abwassers in den Bioreaktor (3) angeordnet ist; – der Schlammspeicher in das Vorklärbecken (1) integriert ist; – der Bioreaktor (3) zu ungefähr 50% seines Nutzvolumens Trägermaterial (10) enthält; – das Trägermaterial (10) eine Dichte von 0,8 g/cm3 bis 0,98 g/cm3 und sowohl eine physikalische als auch spezifische Oberfläche zwischen 200 m2/m3 bis 500 m2/m3 Schüttvolumen aufweist; – im Bioreaktor (3) eine Fangvorrichtung (9) in Gestalt eines Schlitzrohres angeordnet ist, deren Öffnungen so auf die Geometrie der Trägermaterialteilchen (10) abgestimmt sind, dass beim Klarwasserabzug das Trägermaterial (10) zurückgehalten wird; – die Fangvorrichtung (9) bis zur Hälfte der maximal nutzbaren Arbeitstiefe in den Bioreaktor (3) eintaucht und so angeordnet ist und so in der Belüftungsphase angeströmt wird, dass ein Zuwachsen von deren Öffnungen ausgeschlossen ist; – innerhalb der Fangvorrichtung (9) eine Fördereinrichtung bekannter Art angeordnet ist, die mit einer außerhalb des Bioreaktors (3) befindlichen Ablaufvorrichtung (11) verbunden ist; – die Belüftungseinrichtung (5) eine feinblasig, intermittierend arbeitende Belüftungseinrichtung bekannter Art ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kläranlage für kommunale, gewerbliche und landwirtschaftliche Abwässer mit einem verwirbelbaren, mit Mikroorganismen besiedelbaren Trägermaterial und ein Verfahren zum Betreiben der Anlage.
Kläranlagen zur Abwasserreinigung mit Biofilm unter Verwendung von verwirbelbarem Trägermaterial, die auch chargenweise im Aufstaubetrieb eingesetzt werden können, gehören zum bekannten Stand der Abwassertechnik.
In der WO 97/22561 und dem DE 295 19 886 U1 sind eine Einbecken-Kläranlage und ein Verfahren zum Betreiben dieser Kläranlage beschrieben, mit denen eine Kopplung von Belebtschlammbiologie mit einer Biofilmtechnologie angestrebt wird. Die genannte Einbecken-Kläranlage wird teilweise mit verwirbelbaren und von Mikroorganismen besiedelbaren Aufwuchsträgern mit einem spezifischen Gewicht von mehr als 1,0 g/cm³ gefüllt. Am Boden der Anlage sind Belüftungseinrichtungen angeordnet, der Zulauf ist mit einem Abwasserspeicher verbunden. Über den im Ruhezustand der Einbecken-Kläranlage sedimentierten Aufwuchsträgern ist mindestens eine Pumpe angeordnet, die den im Überschuss produzierten Schlamm in einen Schlammspeicher befördert. Der diskontinuierliche biologische Reinigungsprozess wird zu Zeiten geringen Abwasseraufkommens durch Abschalten der Abwasserzulaufpumpe und der Belüftung beendet. Zugleich setzt eine sogenannte Sedimentationsphase ein, innerhalb derer die Aufwuchskörper zuerst sedimentieren und sich zwischen und auf diesem Schlamm anreichern und eine Schicht bilden, die nach der Sedimentationsphase in einen Schlammspeicher befördert wird.
Das während der Sedimentationsphase zufließende Abwasser wird zeitweilig zurückgehalten und das gereinigte Abwasser nach der Schlammentnahme abgepumpt, so dass der Zyklus erneut beginnen kann. Obwohl die verfahrenstechnische Verbindung von Biofilm- und Belebtschlammtechnologie zu einem höheren Leistungspotential von Kläranlagen führt, sind eine Reihe von Nachteilen dieser Anlage nicht zu übersehen. So ist bei Unterlastbetrieb eine verringerte Reinigungsleistung festzustellen. Zum Teil gelangt Belebtschlamm in das abgezogene gereinigte Abwasser. Bei kleinen Kläranlagen, insbesondere bei Kleinstkläranlagen, sind die Kosten für die Kontrolle des Überschussschlammes als einem sehr wichtigen Prozessparameter unverhältnismäßig hoch.
Aus der DE 199 29 568 A1 und dem DE 299 23 252 U1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Filtrierung von Wasser und Abwasser unter Verwendung eines Schwebebettfilters bekannt.
Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine Einbeckenanlage, bei der das schwebende Filterbett aus einem Filtermaterial mit einer Dichte zwischen 0,8 g/cm³ und 1,0 g/cm³ besteht. Die Anlage erfordert keine obere Fangkonstruktion zur Rückhaltung des Filtermaterials, wenn der Zulauf des Rohwassers sich oberhalb des Filterbettes befindet und das Wasser oder Abwasser die Anlage abwärts durchströmt. Der Ablauf des Klarwassers und der Abzug des Schlammwassers erfolgt unterhalb des Filterbettes. Oberhalb des Anlagenbodens sind zur Filterwaschung zudem Lufteintragssysteme angeordnet. Soll das zu filtrierende Wasser und Abwasser die Anlage aufwärts durchströmen, befindet sich der Zulauf des Rohwassers und der Abzug des Schlammwassers unterhalb des Filterbettes. Der Ablauf des Klarwassers ist mit einer Fangkonstruktion für das Filtermaterial oberhalb oder im oberen Bereich des Filterbettes angeordnet.
Die Vorrichtung gemäß DE 199 29 568 A1 und DE 299 23 252 U1 vermeidet zwar eine Filterbodenkonstruktion, ist jedoch auf eine aufwendige Filterbettreinigung durch chargenweises Filterwaschen und gegebenenfalls ein Klarspülen mit gereinigtem Wasser angewiesen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte biologische Kläranlage und ein Verfahren zum Betreiben der Anlage für kommunale, gewerbliche und landwirtschaftliche Abwässer unter Verwendung von verwirbelbarem Trägermaterial bereitzustellen, die eine wirtschaftliche Reinigung des Abwassers ohne Reinigung des Trägermaterials ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Kläranlage mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kläranlage ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5. Erfindungsgemäß wird die des weiteren gestellte Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 11.
Die erfindungsgemäße biologische Kläranlage und das Verfahren zum Betreiben der Anlage zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass die Vorzüge der Wirbel-Schwebebett-Biofilmtechnologie mit intermittierender Belüftung bei der chargenweisen Abwasserreinigung im Aufstaubetrieb ohne Belebtschlamm zur Wirkung gebracht werden. Sie zeichnen sich darüber hinaus durch eine hohe Flexibilität bei Lastwechseln des Abwassers aus und sind mit verhältnismäßig geringen Investitionskosten realisierbar.
Weitere Vorzüge ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Kläranlage und des mit dieser Anlage betriebenen Verfahrens.
Es zeigen:
1 die Draufsicht auf eine als Rundbehälter ausgebildete erfindungsgemäße Kläranlage
2 die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kläranlage mit quadratischem Behälter
3 die Draufsicht auf eine als Rundbehälter ausgebildete erfindungsgemäße Kläranlage mit Paraboloidsegment im Bioreaktor
4 die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kläranlage mit quadratischem Behälter und mit einem Paraboloidsegment im Bioreaktor
5 eine erfindungsgemäße Kläranlage im Schnitt.
Wie aus 1 bis 4 ersichtlich, besteht die erfindungsgemäße Kläranlage aus einem zulaufseitigen Vorklärbecken 1 mit einem integrierten Schlammspeicher, einem Vorspeicher 2 sowie dem intermittierend betriebenen Bioreaktor 3. Der Bioreaktor 3 ist zu ca. 50% seines nutzbaren Volumens mit Trägermaterialkörpern 10 befüllt, deren Dichte im Bereich zwischen 0,8 g/cm³ und 0,98 g/cm³ liegt und die eine spezifische Oberfläche für die Ansiedlung der Mikroorganismen im Bereich von 200 m²/m³ bis 500 m²/m³ aufweisen, beispielsweise Trägermaterialkörper der norwegischen Firma KALDNES MILJOTEKNOLOGI A/S auf Polyethylenbasis mit einer Schüttdichte von maximal 180 kg/m³. Für die Zuführung des zu reinigenden Abwassers in den Bioreaktor 3 werden pneumatische, elektromechanische oder hydrostatische Fördereinrichtungen eingesetzt. Hier ist der Bioreaktor 3 durch den Druckluftheber 7 mit dem Vorspeicher 2 verbunden.
Im Bioreaktor 3 ist eine Fangvorrichtung 9, im vorliegenden Beispiel ein Schlitzrohr, zur Zurückhaltung des Trägermaterials 10 angeordnet, innerhalb derer sich eine Hebereinrichtung befindet, die zum Zwecke des Abzuges des gereinigten Wassers mit einer außerhalb des Bioreaktors 3 befindlichen Ablaufvorrichtung 11 verbunden ist, aus der das gereinigte Abwasser in den Ablauf gelangt.
Für die Rückführung der sich im Bioreaktor 3 bildenden geringen Schlammmenge in die Vorklärung 1 ist an dessen Boden an tiefster Stelle ein Schlammheber 8, hier eine Pumpe, angeordnet. Um das Ansammeln des in geringer Menge anfallenden Schlammes zu unterstützen, kann der Boden des Bioreaktors 3 trichterförmig ausgebildet oder in diesem ein Paraboloidsegment 4 mit wahlweiser Neigung eingebracht sein. Der Schlamm aus der Vorklärung 1 wird ca. 1 mal pro Jahr entsorgt.
Das zu reinigende Abwasser läuft der Vorklärung 1 mit dem integrierten Schlammspeicher zu. Über einen vorzugsweise als Tauchwand ausgebildeten Überlauf 6 gelangt das vorgeklärte Abwasser in den Vorspeicher 2. Die Hebereinrichtung 7 fördert das vorgeklärte Abwasser aus dem Vorspeicher 2 in den Bioreaktor 3, der bereits zu ca. 50% seines Nutzvolumens mit dem Trägermaterial 10 und teilweise gereinigten Abwasser befüllt ist. Das in den Bioreaktor 3 in einer Zeit bis zu 2 h zu fördernde Volumen an vorgeklärtem Abwasser macht max. 50% des nutzbaren Volumens des Bioreaktors 3 aus.
Während des Befüllvorganges und insgesamt für einen Zeitraum von 3 h bis 5 h befindet sich der Bioreaktor 3 in der intermittierenden Belüftungsphase. Zu diesem Zweck sind am Boden des Bioreaktors 3 feinblasig arbeitende Belüfter 5 bekannter Art angeordnet. Ein besonderer Vorzug der erfindungsgemäßen Kläranlage besteht darin, dass im Bioreaktor 3 Schlamm nur als Überschussschlamm infolge mechanischer und hydrodynamischer Scherkräfte während der Belüftungsphase durch die Verwirbelung der schwebenden Trägermaterialkörper 10 entsteht. Die Kläranlage wird quasi mit einer Wirbel-Schwebebett-Technologie ohne Belebtschlamm betrieben. Damit ist es auch nicht erforderlich, ein sonst aufwendiges Regime zur Reinigung des Trägermaterials zu betreiben oder Trübungsmesssonden im Zulauf zum Schlammspeicher für die Steuerung des Prozesses einzusetzen. Aufgrund der mit mäßiger Geschwindigkeit strömungstechnisch definierten Bewegung der Trägermaterialkörper 10 werden Verstopfungen vermieden und ist der Feststoffaustrag über den Klarwasserabzug unerheblich.
Nach der 3-stündigen bis 5-stündigen Füll- und Belüftungsphase folgt die Sedimentationsphase über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 60 Minuten. Während dieser Phase und der Belüftungspausen bilden die Trägermaterialkörper 10 aufgrund ihrer geringen Dichte unterhalb der Oberfläche des zu reinigenden Abwassers ein schwebendes, anoxisch wirkendes Filterbett mit denitrifizierender Wirkung.
Die sich im Bioreaktor 3 ansammelnde verhältnismäßig geringe Menge an Schlamm wird mit Hilfe des Schlammhebers 8 während der Sedimentationsphase oder der Belüftungspausen in die Vorklärung 1 gefördert, wofür nur 1 Minute bis 2 Minuten pro Tag erforderlich sind. Über die in die Fangvorrichtung 9 integrierte Hebereinrichtung wird das gereinigte Abwasser schließlich in die Ablaufvorrichtung 11 gefördert, um anschließend einen neuen Zyklus starten zu können. Der Abzug des Klarwassers aus dem Bioreaktor 4 erfolgt nach vorgegebenem Volumenstrom bzw. Zeittakt, wofür eine freiprogrammierbare Steuerung eingesetzt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Kläranlage sieht vor, diese mit bis zu 4 parallel und/oder hintereinander geschalteten Bioreaktorkammern zu betreiben.
Die in ihrer Eintauchtiefe variabel einstellbare Hebereinrichtung 9 wird im Normalbetrieb mit ihrer Einlassöffnung in einer solchen Tiefe im Bioreaktor 3 angeordnet, dass nur ca. 50% des Volumens des geklärten Abwassers in die Ablaufvorrichtung 11 gefördert wird.
Durch die variabel wählbare Eintauchtiefe der Hebereinrichtung 9 kann wirksam auf Veränderungen im Abwasseraufkommen und dessen Last reagiert werden. Durch den flexiblen Einsatz von Trägermaterialien 10 unterschiedlicher Materialarten und -qualitäten und wählbarer spezifischer Oberflächen können durch an die jeweiligen Anforderungen angepasste Bemessungsvarianten größere Leistungspotentiale erschlossen werden, und zwar bei im wesentlichen gleichen Beckenvolumina und ohne erhebliche Mehrkosten. Von besonderem Vorteil ist, dass eingesetztes Trägermaterial problemlos gegen anderes Trägermaterial ausgetauscht werden kann. Die erfindungsgemäße Kläranlage ist insofern sehr variabel einsetzbar, und auf extreme Bedingungen kann flexibel und mit geringem Aufwand reagiert werden. Hinzu kommt, dass für die Bemessung der Kläranlagen sowohl das Schlammalter als auch die Schlammkonzentration ohne Bedeutung sind.
Zeitdauer und zeitlicher Abstand der intermittierenden Phasen, die Intensität des Lufteintrages sowie die Eintauchtiefen der Hebereinrichtungen können in Abhängigkeit vom Abwasseraufkommen, dessen Last und den Reinigungszielen festgelegt und zum Zwecke der Steuerung der Kläranlage programmiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorklärbecken
2: Vorspeicherbecken
3: Bioreaktor
4: Paraboloidsegment
5: Belüfter
6: Tauchwand
7: Fördereinrichtung
8: Schlammheber
9: Fangvorrichtung mit Hebereinrichtung
10: Trägermaterialkörper
11: Ablaufvorrichtung

Claims

Biologische Kläranlage für kommunale, gewerbliche und landwirtschaftliche Abwässer zur chargenweisen Abwasserreinigung im Aufstaubetrieb mit einem Schlammspeicher, einem ablaufseitigen Bioreaktor (3) mit einem verwirbelbaren, mit Mikroorganismen besiedelbaren Trägermaterial (10) und einer Belüftungseinrichtung (5) sowie einer Vorrichtung (8) zum Abziehen von Schlamm aus dem Bioreaktor (3), wobei – zwischen einem zulaufseitigen Vorklärbecken (1) und dem Bioreaktor (3) ein Vorspeicherbecken (2) für vorgeklärtes Abwasser mit einer Fördereinrichtung (7) bekannter Art für die Zuführung des zu reinigenden Abwassers in den Bioreaktor (3) angeordnet ist; – der Schlammspeicher in das Vorklärbecken (1) integriert ist; – der Bioreaktor (3) zu ungefähr 50% seines Nutzvolumens Trägermaterial (10) enthält; – das Trägermaterial (10) eine Dichte von 0,8 g/cm³ bis 0,98 g/cm³ und sowohl eine physikalische als auch spezifische Oberfläche zwischen 200 m²/m³ bis 500 m²/m³ Schüttvolumen aufweist; – im Bioreaktor (3) eine Fangvorrichtung (9) in Gestalt eines Schlitzrohres angeordnet ist, deren Öffnungen so auf die Geometrie der Trägermaterialteilchen (10) abgestimmt sind, dass beim Klarwasserabzug das Trägermaterial (10) zurückgehalten wird; – die Fangvorrichtung (9) bis zur Hälfte der maximal nutzbaren Arbeitstiefe in den Bioreaktor (3) eintaucht und so angeordnet ist und so in der Belüftungsphase angeströmt wird, dass ein Zuwachsen von deren Öffnungen ausgeschlossen ist; – innerhalb der Fangvorrichtung (9) eine Fördereinrichtung bekannter Art angeordnet ist, die mit einer außerhalb des Bioreaktors (3) befindlichen Ablaufvorrichtung (11) verbunden ist; – die Belüftungseinrichtung (5) eine feinblasig, intermittierend arbeitende Belüftungseinrichtung bekannter Art ist.
Kläranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Vorspeicherbecken (2) angeordnete Fördereinrichtung (7) funktionell so mit der Belüftungseinrichtung (5) verbunden ist, dass während des Befüllvorganges des Bioreaktors (3) eine Belüftung erfolgt.
Kläranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintauchtiefe der Fördereinrichtung (7) im Vorspeicherbecken (2) und der Fördereinrichtung (9) im Bioreaktor (3) variabel einstellbar ist.
Kläranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung der Fördereinrichtung (7) in einer solchen Tiefe im Vorspeicherbecken (2) angeordnet ist, dass das aus dem Vorspeicherbecken (2) geförderte Volumen vorgeklärten Abwassers dem Volumen des Klarwasserabzuges im Bioreaktor (3) entspricht.
Kläranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor (3) aus bis zu 4 parallel und/oder hintereinander geschalteten Kammern besteht.
Verfahren zur Reinigung kommunaler, gewerblicher und landwirtschaftlicher Abwässer, dadurch gekennzeichnet, dass das zu reinigende Abwasser durch eine Kläranlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 fließt, wobei ein zulaufseitig angeordnetes Vorklärbecken (1) mit dem zu reinigenden Abwasser beschickt wird, in dem Vorklärbecken (1) sich der im Abwasser enthaltene Schlamm absetzt und dann abgezogen wird, das vorgeklärte Abwasser anschließend in ein Vorspeicherbecken (2) fließt, aus dem chargenweise der Bioreaktor (3) mit dem vorgeklärten Abwasser beschickt wird, wobei in einer ersten Phase, der Befüllvorgang eingeschlossen, der Bioreaktor (3) feinblasig belüftet und das darin für die Ansiedlung von Mikroorganismen befindliche Trägermaterial (10), das ein spezifisches Gewicht < 1,0 g/cm³ aufweist, verwirbelt wird, für den Übergang zu einer zweiten Phase, der Sedimentationsphase, die Belüftung unterbrochen wird, damit das Trägermaterial (10) in der zweiten Phase unterhalb der Oberfläche des Wassers eine anoxisch wirkende Filterschicht bilden kann und sich die im Bioreaktor (3) entstehende geringe Menge Schlamm an dessen Boden absetzen kann, bevor in einer nachfolgenden Phase das Klarwasser aus dem Bioreaktor (3) in eine Ablaufvorrichtung (11) abgezogen wird und der gesamte Zyklus erneut beginnen kann.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abziehen des Schlammes aus dem Bioreaktor (3) während der Belüftungs-, Sedimentations- und/oder Abzugsphase erfolgt und dieser vorzugsweise in das Vorklärbecken (1) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Belüftungsphase in Abhängigkeit von der Lastfracht so eingestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentration des Abwassers im Bioreaktor (3) während der Zeitdauer der Pausen eine weitgehende Denitrifizierung sichert und die Belüftungsphase erst dann wieder einsetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration gegen den Wert Null geht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abzug des Klarwassers aus dem Bioreaktor (3) und das Beschicken des Bioreaktors (3) mit vorgeklärtem Abwasser mittels Fördereinrichtungen bekannter Art erfolgt, wobei das Volumen des abzuziehenden Klarwassers dem Volumen des in den Bioreaktor (3) zu fördernden vorgeklärten Abwassers entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Klarwasser bis zu maximal 50% des genutzten Volumens des Bioreaktors (3) abgezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Bioreaktor (3) bestehend aus mehreren Kammern betrieben wird, wobei die Kammern chargenweise parallel oder nacheinander mit vorgeklärtem Abwasser beschickt werden können.