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"Abwasserbehandlungsverfahren" *** PRIORITÄT: KANADA Nr. 190 908
vom 22. Januar 1974 sowie USA (CIP-Patentanmeldung) *** Die Erfindung bezieht sich
auf die Behandlung von Abwasser.
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Abwässer, wie z., Haushaltabwässer und Stadtabwässer, ent-@@lten die
verschiedensten Verunreinigungen, wie z.B. biologisch abbaure, suspendierte, kolloidale
und gelöste kohlenstoffahltinge Materialien, verschiedene stIckstoffhaltige Verbindungen,
Deispielsweise organische StickstofOverbindungen, Ammoniak und Nitrate, sowie Phosphatmaterialien.
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1:5 ist verhältnismäßig einfach, kohlenstoffhältige Materialien und
Phosphatmaterialien aus Abwässern zu entfernen,
aber es ist ziemlich
schwierig, die stlskstoffha tigen -terialien herauszubringen. Es ist bekannt, daß
es möglich ist, stickstoffhaltige Materialien biologisch oder durch physikalisch-chemische
Prozesse zu entfernen.
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Ein bekanntes Verfahren, das für die biologische Entfernung von stickstoffhaltigen
Materialien verwendet werden kann, ist das dreistufige biologische System, welches
eine Ammoni fizierung und Nitrifizierung der stickstoffhaltigen k.Taterialien unter
aeroben Bedingungen und eine anschließende Denitrifizierung unter anaeroben Bedingungen
umfat. Bei den' Denitrifizierungsverfahren wird Energie in chemischer Form, typischerweise
als Methanol, zugegeben. Dieses bekannte Verfahren ist von Barth et al in JWPCF,
Band 40, No.12, Seite 2040 (1968) beschrieben worden. Bei diesem Verfahren erfolgt
die Behandlung in drei gesonderten biologischen Schlammsystemen. Jedes System besitzt
seine eigene Rückwahrung und unterscheidet sich von den anderen. Das Abwasser fließt
durch diese Systeme nacheinander hindurch, wobei zwischen den Systemen ein Absetzen
erfolgt. Hierbei sind also die biologischen Aktivitäten der Kohlenstoffoxldatlon
zur Entfernung von kohlenstoffhaltigen Materialien, der Ammcnifizierung und der
Nitrifizierurg und Denitrifizierung zur Entfernung von stickstoffhaltigen Idaterialien
voneinander getrennt und laufen in drei gesonderten Stufen ab.
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Dieses Verfahren ist bei der Entfernung der Verunreinigungen erfolgreich,
leidet aber unter verschiedenen Nachteilen. Das Verfahren ist zeitraubend, bildet
viel Schlamm, hat drei gesonderte Stufen der Belüftung und Klärung und ist hinsichtlich
der überwachung und des Betriebs aufwendig.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Abwasser, welches biologisch
abbaubare kohlenstoffhaltige Naterialien in fester, kolloidaler oder gelöster Form
und stickstoffhaltige Materials
lien in organischer Stickstoff-,
hmmoniaht itrit- und Nitratform als Verunreinigungen enthält, einem biologischen
Oxidations/Adsorptions-rrozeß zur weitgehenden mntfernung dieser Verunreinigungen
aus dem Abwasser unterworfen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 ein schematisches Fließbild, welches eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens eriäutert; Fig. 2 ein schematisches Fließbild,
welches eine zweite Ausführungsform des- erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert;
Fig. 3 einen Teilschnitt durch einen Reaktor für die Verwendung bei der Ausführungsform
des in Fig. 2 erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens; und Fig. 4 einen Teilschnitt
durch einen Klärer für die Verwendung bei der Ausführungsform des in Fig. 2 erläuterten
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gemäß der Ausführungsform von Fig. 1 wird Abwasser, bei weichem es
sich um Haushalt-, Stadt- oder Industrieabwasser handeln kann, nach der Entfernung
der gröberen Feststoffteilchen durch Filtration oder in einem ersten Klärer über
eine Leitung 12 zu einem Reaktor 10 geführt. Ein rückgeführtes Gemisch aus pulverisierter
Aktivkohle und Mikroorganismen, welches in der Folge als aktivierter Schlauinitf
bezeichnet wird, und in einer Leitung 14 fließt, wird ebenfalls zur Oberseite des
Reaktors 10 zugeführt, und zwar
zusaininen mit dem Abwasser in der
Leitung 12. Das zurückgeführte Gemisch in der Leitung 14 wird in der Weise gebildet,
wie es weiter unten beschrieben ist, und enthält bestittimte Mengen absorbierten
Sauerstoff.
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Der Reaktor 10, der im allgemeinen eine zylindrische Form aufweist,
enthält eine erste Kammer 16, in welcher das Gemisch aus Abwasser und aktiviertem
Schlamm nach unten in Richtung zu einer zweiten Kammer 18 fließt, die in einem unteren
Endteil 20 des Reaktors 10 angeordnet ist. Das Erdteil 20 besitzt im allgemeinen
eine konische Form.
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Ein umgekehrt trichterförmiges Teil 22 ist im Reaktor 10 angeordnet,
wobei es eine dritte Kammer 24 definiert, die außer durch die zweite Kammer 18 ohne
Fließverbindung mit der ersten Kammer 16 ist.
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In der ersten Kammer 16 werden die suspendierten, kolloldalen und
gelösten organischen Materialien, die im Abwasser enthalten sind, an die Aktivkohle
adsorbiert und/oder in die mikroben Zellen absorbiert, wobei alle restlichen organischen
Materialien bei einer späteren Stufe entfernt werden. Das adsorbierte organische
Material wird biologisch durch die Mikroorganismen oxidiert, während der organische
Stickstoff in ammoniakalischen Stickstoff überführt wird und der ammoniakalische
Stickstoff biologisch durch die Mikroorganismen in Nitrite und Nitrate oxidiert
wird.
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Die biologischen Oxidationen, die in der ersten Kammer 16 vonstatten
gehen, erschöpfen den absorbierten Sauerstoff bis zu einem Wert, bei dem die heterotropen
Mikroorganlsuien im aktivierten Schlamm eine anaerobe Umwandlung des Nitrit und
Nitrats zu stickstoffhaltigen Gasen, hauptwqächlich Stickstoff und Stickstoffdioxid,
verursachen, da die MikroorganiC
men den Sauerstoff des Nitrits
und Nitrats aufbrauchen.
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Die biologischen Reaktionen verlaufen gleichzeitig in der ersten Kammer
16.
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Das resultierende Gemisch aus aktiviertem Schlamm, behangelbem Abwasser
und gaseörmigen Stoffen fließt von der ersten Kammer 16 zur zweiten Kammer 18.
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Ein Teil des Schlamms trerint sich vom behandelten Abwasser in der
zweiten Kammer 18 ab. Das behandelte Abwasser, etwas Schlamm und gasförmige Stoffe,
die hauptsächlich aus Stickstoff, Stickstoffdioxid und Kohlendioxid bestehen, fließen
von der zweiten Kammer 18 nach oben zur dritten Kammer 24, die sich innerhalb des
umgekehrt trichterförmigen Teils 22 befindet.
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Der Flüssigkeitsabsirom aus dem Reaktor 10 läuft über eine leitung
26, die vom Halsteil des umgekehrten trichtenförmigen Teils 22 wegführt. Die in
der zweiten Kammer 18 abgetrennten Gase werden durch den Halsteil des umgekehrt
trichterförmigen Teils 22 zur Atmosphäre abgelassen. Der Abfluß in der Leitung 26
enthält einen beträchtlich verringerten Gehalt an organischen Stoffen und stickstoffhaltigen
Materialien, im Vergleich zu dem durch die Leitung 12 eingeführten Abwasser. Der
Reaktor 10 entfernt deshalb in einem einzigen Behälter aus dem Abwasser beträchtliche
Mengen der kohlenstoffhaltigen Materialien und überführt beträchtliche Mengen des
stickstoffhaltigen Materials in stickstoffhaltige Gase.
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So werden im Reaktor 10 also eine Anzahl von Funktionen an den Verunreinigungen
des Abwassers durchgeführt. Beispiele für solche Funktionen sind die Unterteilung
von suspendierten Feststoffen durch Hydrolyse, die Abtrennung von gelösten
organischen
Stoffen durch Adsorption an Aktivkohle und mikroben Zellen, die biologische Oxidation
von adsorbierten organischen Stoffen, die biologische Umwandlung von organischem
Stickstoff in ammoniakalischen Stickstoff, die Umwandlung von ammoniakalischem Stickstoff
in Nitrite und Nitrate und die Umwandlung von Nitriten und Nitraten in stickstoffhaltige
Gase.
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Der Abfluß in der Leitung 26 wird zu einem Klärer 28 geführt> der
eine erste Kammer 30, eine zweite Kammer 32 und eine dritte Kammer 34 aufweist,
wobei die letztere mit Ausnahme eines Wegs durch die zweite Kammer 32 mittels eines
umgekehrt trichterförmigen Teils 36 außer Fließverbindung mit der ersten Kammer
30 gehalten wird.
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Der Abfluß in der Leitung 26, der zur ersten Kammer 30 des Klärers
28 geführt wird, wird mit rückgeführtem aktiviertem Schlamm zusammengebracht, der
durch eine Leitung 38 zugo führt wird. Dieses zurückgeführte Gemisch wird in der
Weise gebildet, wie es weiter unten näher erläutert wird.
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Die Koagulation und Sedimentation von suspendierten Feststoffen aus
dem Reaktorabfluß wird durch Zusatz des reaktivierten Schlamms zur ersten Kammer
30 des Klärers 28 über die Leitung 38 verbessert. Ein beträchtlicher Anteil der
verbleibenden Mengen der kohlenstoffhaltigen Materialien und der stickstoffhaltigen
Materialien, die im Abfluß vorhanden sind, werden biologisch aufgebraucht, wodurch
das behandelte Abwasser weiter gereinigt wird. Da die Konzentrationen der kohlenstoffhaltigen
und stickstoffhaltigen Materialien im Reaktorabfluß in der Leitung 26 sehr niedrig
sind, wird der Sauerstoff, der in dem in der Leitung 38 zurückgeführten Schlamm
gelöst ist, nicht erschöpft, weshalb aerobe Bedingungen im gesamten Klärer 28 vorliegen,
was im Gegensatz zu sowohl aeroben als auch anaeroben Bedingungen im Reaktor 10
steht.
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In der zweiten Kammer 32 des Klärers 28 wird die flüssige Phase, die
in der dritten Kammer 34 des Klärers 28 vorliegt, vom Schlamm abgetrennt und durch
eine leitung 40 vom Hals des umgekehrt trichterförmigen Teils 36 abgezogen. Der
Abfluß ist weitgehend frei von suspendierten Feststoffen, kohlenstoffhaltigen Materialien
und stickstoffhaltigen Materialien.
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Der Klärer 28 erfüllt somit eine Anzahl Funktionen an den Verunreinigungen
des Abwassers, die im Abstrom aus dem Reaktor 10 in der Leitung 26 verbleiben. Diese
Funktionen sind beispielsweise Vervollständigung der biologischen Reaktionen an
den kohlenstoffilaltigen und stickstoffhaltigen Materialien und eine biologische
Ausflockung, Schlammkoagulation und Sedimentierung der suspendierten Feststoffe.
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Das Wasser in der Leitung 40 kann noch einer weiteren Behandlung unterworfen
werden, wie z.B. einer Tiefbettmultimedienfiltration mit Sand, Anthrazit und Aktivkohle,
um weiter den Gehalt an suspendierten Feststoffen zu verringern, und/oder einer
chemischen Behandlung, um den Phosphatgehalt herabzusetzen. Der Abfluß in der'leitung
40 kann durch verschiedene Verfahren behandelt werden, um Wasser von Trinkqualität
herzustellen, wie z.B. durch Koagulation, Filtration und anschließende Desinfektion,
umgekehrte Osmose und anschließende Desinfektion, Evaporierung und anschließende
Desinfektion oder Ionenaustausch und anschliessende Desinfektion.
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Der Schlamm, der in der zweiten Kammer 18 des Reaktors 10 abgetrennt
wird, wird über eine Leitung 42 abgeführt und zu einem Belüftungsturm 44 geleitet.
Der Schlamm, der in der zweiten Kammer 32 des Klärers 28 abgetrennt wird, wird durch
eine
Leitung 46 zum Belüftungsturm 44 geführt, wobei er mit dem Schlamm in der Leitung
42 einen gemischten Schlamm bildet, der durch die Leitung 48 fließt.
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Der Belüftungsturm 44 kann von irgendeiner zweckmäßigen Bauart sein,
so daß ein inniger Kontakt zwischen Gas und Schlamm ermöglicht wird. Ein typischer
solcher Turm besteht aus einer mehrstufigen Gegenstromkolonne oder einem Querflußreaktor.
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Luft oder molekularer Sauerstoff oder ein an molekularem Sauerstoff
reiches Gas wird durch eine Leitung 50 in den Belüftungsturm 44 eingeführt, wo eine
Kontaktierung mit dem durch die Leitung 48 eingeführten Schlamm erfolgt. Dies hat
eine Abstreifung von flüchtigen Stoffen aus dem Schlamm, eine Sättigung des Schlamms
mit Sauerstoff, eine Reaktivierung der Kohle durch Oxidation der darauf absorbierten
kohlenstoffhaltigen und stickstoffhaltigen Materialien und eine Oxidation eines
Teils der Mikrobenzellen zur Folge, wodurch eine Balance von Mikroorganismen im
System aufrechterhalten wird. Die verbrauchten Gase werden vom Belüftungsturm 44
durch eine Leitung 52 abgelassen.
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Der reaktivierte Schlamm wird aus dem Belüftungsturm 44 durch eine
Leitung 54 abgezogen und in zwei Ströme aufgeteilt, wobei einer durch die Leitung
14 zum Reaktor 10 und der andere durch die Leitung 38 zum Klärer 28 geführt wird.
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Bei einer Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 1 kann die Zufuhr
von aktiviertem Schlamm durch die Leitung 58 weggelassen werden. Bei dieser Abwandlung
kann luft dem Abfluß in der Leitung 26 zur Beendigung der biologischen Reaktionen
im Klärer 28 zugeführt werden. Alternativ kann auch die Zufuhr von Luft zum Abstrom
in der Leitung 26 weggelassen werden.
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Bei einer weiteren Abwandlung dieser Ausführungsform wird das Abwasser
zur Leitung 48 und nicht direkt über die Leitung 12 zum Reaktor 10 geführt.
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Gemäß der Ausführungsform der Fig. 2 bis 4 besteht ein Abwasserbehandlungssystem
aus einem Reaktor 110, der in FIg.2 schematisch gezeigt ist und in Fig. 3 näher
im Detail dtrgestellt ist, und aus einem Klärer 112, der schematisch in Fig. 2 gezeigt
und näher im Detail in Fig. 4 dargestellt ist. Filtriertes oder primär geklärtes
Abwasser wird durch eine Leitung 114 zum Reaktor 110 geführt. Ein solches Abwasser
enthält typischerweise suspendierte Feststoffe-> gelöste organische Materialien,
organischen Stickstoff, Nitrat, Nitrit und Ammoniak. Der Reaktor 110 besteht aus
einem aufrechtstehenden zylindrischen äußeren Behälter i16 und einer inneren zylindrischen
Hülse 118, die koaxial im Behälter 116 angeordnet und vom Boden 120 desselben einen
Abstand aufweist, so daß eine erste Kammer t21 zwischen dem äußeren Behälter 116
und der inneren' Hülse 118 gebildet wird. Die innere Hülse 118 erstreckt sich nach
oben bis zu einem Punkt über dem vorgesehenen Flüssigkeitspegel im Reaktor 110.
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Ein Steig- und Belüftungsrohr 124 ist im Reaktor 110 angeordnet und
erstreckt sich vom Boden 120 nach oben durch die zweite Kammer 122 bis über den
oberen Rand der Hülse 118.
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Es endet außerhalb des Reaktors 110.
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Das Rohr 124 ist am unteren Ende erweitert und weist vom Boden 120
einen Abstand auf, so daß Fluid in das Rohr 124 gelangen kann. Ein Gaszuführrohr
126 erstreckt sich von der Oberseite des Rohres 124 nach unten bis zu einer Stelle
etwas über dem unteren Ende des Rohres 124, so daß Luft, Sauerstoff oder ein an
molekularem Sauerstoff reiches Gas zum unteren Ende des Rohres 124 geführt werden
kann.
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Das Steigrohr 124 steht am oberen Ende aber innerhalb des Reaktors
110 mit einem Querarm 128 in Verbindung, der sich radial vom Behälter 116 erstreckt
und mit einem rohrförmigen Austrittsteil 130 an jedem radialen Ende ausgerüstet
ist.
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Die rohrförmigen- Austrittsteile 130 umfassen einen sich nach unten
erstreckenden Teil und einen sich horizontal erstrectenden Teil, der über und in
der Nachbarschaft des vorgesehenen Flüssigkeitsspiegels im Behälter 116 angeordnet
ist und sich bis zur Gegend der inneren Wand des Behälters 116 erstreckt, so daß
Fluid daraus im wesentlichen tangential abgegeben wird.
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Zwar ist nur ein solches Steigrohr 124 mit zugehörigen Austrittsteilen
128 und 130 in Fig. 3 gezeigt, aber es kann jede gewünschte Anzahl verwendet werden,
je nach den Erfordernissen des Systems.
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Ein Flüssigkeitsabgaberohr 152 steht mit der zweiten Kammer 122 in
Verbindung, nicht aber mit der ersten Kammer 121, so daß behandelte Flüssigkeit
aus dem Reaktor 110 durch die zweite Kammer 122 abgeführt wird.
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Ein Gasabgaberohr 134 ist am oberen Ende des Reaktors 110 über dem
vorgesehenen Flüssigkeitspegel im Reaktor 110 vorgesehen, um die bei den Reaktionen
im Reaktor 110 gebildeten Gase abzuführen.
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Eine Eintrittsöffnung 160 ist im Reaktor 110 über dem vorgesehenen
Flüssigkeitspegel im Behälter 116 vorhanden, durch welche zurüekgeführter aktivierter
Schlamm aus dem Klärer 112 eingespeist werden kann, wie dies weiter unten näher
erläutert wird.
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Das dem Reaktor 110 durch die Leitung 114 zugeführte Abwasser mischt
sich mit der Mischung aus behandeltem Abwasser
und aktiviertem
Schlamm, die aus den Austrittsteilen 130' austritt,und mit aktiviertem Schlamm,
der vom Klärer 112 zurückgeführt wird, wobei es in der ersten Reaktionskammer 121
rotiert. Durch Zentrifugalwirkung erhalten die aktivierten Schlammteilchen zusammen
mit den suspendierten Feststoffen die Neigung, sich teilweise abzuscheiden und sich
entlang der Innenwand des Behälters 116 anzusammeln, wobei sie sich unter dem Einfluß
der Schwerkraft und der nach unten sinkenden flüssigen Phase nach unten bewegen
und in einer dritten Kammer 136 in der Nachbarschaft des Bodens 120 ansammeln.
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In der Nachbarschaft des Bodens 120 des Behälters 116 wird Flüssigkeit
in das Steigrohr 124 gezogen, und zwar unter dem Einfluß der Luft, die im Rohr 124
nach oben steigt.
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Die Luft wird durch das Rohr 126 eingeführt und tritt an den Austrittsteilen
130 aus, wobei sie mit weiterem hereinkommenden Abwasser gemischt wird. Die im Rohr
124 aufsteigende Flüssigkeit ist ein Schlamm aus einem Teil des angesammelten aktivierten
Schlamms und behandeltem Abwasser.
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Behandelte Flüssigkeit fließt zusammen mit etwas aktiviertem Schlamm
aus der ersten Kammer 121 in die zweite Kammer 122 steigt darin auf und fließt durch
das Rohr 132 aus dem Reaktor 110.
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Die teilweise Trennung und Ansammlung der Feststoffe entlang der Innenwand
des Behälters 116 unter der Zentrifugalwirkung der rotierenden Flüssigkeit verringert
die Neigung derselben in die zweite Kammer 122 einzutreten, wodurch ihre Neigung
herabgesetzt wird, aus dem Reaktor 110 zusammen mit dem Abfluß in dem Rohr 132 auszutreten.
Dabei wird die Menge von Feststoffen herabgesetzt, die durch die spätere
Klärung
abgetrennt werden muß. Außerdem wird die Schlanimenge verringert, die vom Klärer
112 zum Reaktor 110 zurückgeführt werden muß. Die teilweise Trennung und Ansaininlung
von Feststoffen erhöht auch die Verweilzeit der suspendierten Feststoffe im Reaktor
110.
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Das Ergebnis der Rotation. der suspendierten Feststoffe ist ein solches
Strömungsschema der Reaktorflüssigkeit, daß die Reaktorflüssigkeit entlang der vertikalen
Achse des Realrtors 110 durch die erste Kammer 121 nach unten fließt.Während die
Flüssigkeit und die Feststoffe in der ersten Kammer 121 nach unten fließen, werden
im wesentlichen alle suspendierten, kolloidalen und gelösten organischen Materialien,
die im Abwasser enthalten sind, durch den aktivierten Schlamm adsorbiert. Das adsorbierte
organische Material wird durch die Mikroorganismen biologisch oxidiert, während
organischer Stickstoff in ammoniakalischen Stickstoff überführt wird und ammoniakalischer
Stickstoff biologisch durch die Mikroorganismen zu Nitriten und Nitraten oxidiert
wird.
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Die biologische Oxidation erschöpft den absorbierten Sauerstoff bis
zu einem Punkt, bei dem die heterotropen Mikroorganismen im aktivierten Schlamm
eine endogene Respiration und eine anaerobe Umwandlung von Nitrit und Nitrat in
stickstoffhaltige Gase verursachen, wobei der adsorbierte gaische Kohlenstoff die
Denitrifizierungsgeschwindigkeit erhöhe.
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Der Konzentrationsgradient des gelösten Sauerstoffs wird durch die
biologischen Reaktionen und die nach abwärts gerichtete Strömung der Flüssigkeit
durch die erste Kammer 121 beeinflußt, wobei letztere durch das Luftvolumen reguliert
wird, das durch das Gaszuführrohr 124 zum Steigrohr 124 geleitet wird.
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Die biologischen Reaktionen und die Adsorption in der Kammer 121 verringern
auch den Phosphatgehalt des Abwassers beträchtlich.
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Da der Schlamm, der in das Steigrohr 124 eintritt, einen niedrigen
Gehalt an gelöstem Sauerstoff aufweist, besteht an diesem Punkt eine beträchtliche
Treibkraft für Sauerstoffübertragung, was eine rasche und wirksame Absorption von
Sauerstoff durch die Biomasse und eine Sättigung der Mischung aus Flüssigkeit und
Schlamm mit Sauerstoff vor: der Abgabe aus den Elementen 130 zur Folge hat. Das
Steigrohr 124 kann deshalb als "Blitzbelüfter" bezeichnet werden.
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Die Geschwindigkeit des durch Luft gehobenen Schlamms Im Steigrohr
124 ergibt zahlreiche Kollisionen von Festteilchen, was deren Abrieb und eine höhere
Hydrolysegeschwindigkeit von zurückgeführten suspendierten Feststöffen zur Folge
hat. Dieser Effekt kann durch die Zugabe von granularen schleifenden Feststoffen,
wie z.B. granularer Aktivkohle, zur Reaktorflüssigkeit verbessert werden.
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Bei dieser Ausführungsform ersetzt deshalb der Reaktor 1tO den Reaktor
10 und den Belüftungsturm 44, die bei der Ausführungsform von Fig. 1 verwendet werden,
wodurch beträchtlich die Ausrüstung und der hydraulische Bedarf des Systems vereinfacht
wird. Der Reaktor 110 leistet also die folgenden Funktionen in einer einzigen kompakten
Einheit: Unterteilung von suspendierten Fest stoffen durch Abrieb im Blitzbelüftungssteigrohr
124, Hydrolyse von suspendierten Feststoffen, Abtrennung von gelösten organischen
Stoffen aus dem Abwasser durch Adsorption an Aktivkohle und Mikrobenzellen, biologische
Oxidation von adsorbierten organischen Stoffen, biologische Umwandlung von organischem
Stickstoff in ammoniakalischen Stickstoff (Ammonifizierung),
biologische
Oxidation von ammoniakalischem Stickstoff zu Nitriund/oder Nitratstickstoff (Nitrifizierung),
biologische Reduktion von Nitrit- und Nitratstickstoff zu stickstoffhaltigen Gasen
(Denitrifizierung), biologische Reaktivierung von Aktivkohle, Sauerstoffanreicherung
in abgesessenen Mikrobenzellen und Aktivkohle, und Abstreifen von flüchtigen Stoffen.
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Die Konstruktion des Reaktors 110, wie sie in Fig. 3 zu sehen ist,
ermöglicht eine Anzahl von nützlichen Effekten, wie z.B. eine wirksame Ausnutzung
des Sauerstoffs der Luft, eine wirksame Mischung von aktiviertem Schlamm, eine hohe
Konzentration an Schlamm für Bioreaktionen, einen optimalen Konzentrationsgradienten
des gelösten Sauerstoffs, um die Biooxidation von organischen Stoffen zu gewährleisten,
Amnonifizierung, Nitrifizierung und Denitrifizierung in einem Reaktor, mechanisches
Mahlen von suspendierten Feststoffen durch eine hohe Geschwindigkeit des Schlamms
im Blitzbelüfter, eine Ausnutzung von Oberflächenmedien zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit
und Beseitigung von Luftverunreinigung.
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Der Abfluß aus dem Reaktor 110, der etwas mitgeführten aklivierten
Schlamm und suspendierte Feststoffe aufweist und durch das Rohr 132 austritt, wird
durch eine Leitung 133 zum Klärer 112 geführt. Die Flüssigkeit in der Leitung 133
wird in den Klärer 112 im wesentlichen tangential zur Innenwand eines Behälters
137 eingeführt, und zwar durch ein Rohr 139, das am vorgesehenen Flüssigkeitspegel
im Behälter 137 liegt.
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Ein umgekehrt trichterförmiges Teil 138 ist innerhalb des Behälters
137 angeordnet und definiert zusammen mit letzterem eine erste Kammer 140, eine
Schlammansammlungskammer 142
und eine Absitzkammer 144, wobei letztere
innerhalb des trichterförmigen Teils 133 angeordnet ist.
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Das trichterförmige Teil 138 besitzt einen Schürzenteil 146, der konzentrisch
und im Abstand von der Innenwand des Behälters 137 angeordnet ist,einenkegelstumpfförmigen
Teil 148 und einen Halsteil 150, die ebenfalls innerhalb des Behälters 137 konzentrisch
angeordnet sind. Der Halstell erstreckt sich nach oben über den vorgesehenen Flüssigkeitspegel
im Behälter 137.
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Die Schlammansammlungskammer 142 wird auch durch einen konischen Einsatz
152 definiert, der an der Innenseite und am Boden des Behälters 137 anliegt, wodurch
die Schlammansammlungskammer nach unten zum Boden des Behälters 137 einen abnehmenden
Durchmesser aufweist. Ein Steigrohr 154 ist zentral innerhalb des Behälters 137
angeordnet und erstreckt sich durch die Kammer 144 und in die Schlammansammlungskammer
142 bis zu einem Ort etwas über dem Boden des Behälters 137. Das Steigrohr 154 ist
am unteren Ende erweitert.
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Ein Gaszuführrohr 156 ist innerhalb des Steigrohres 154 angeordnet,
wodurch Luft, Sauerstoff oder-ein anderes an molekularem Sauerstoff reiches Gas
eingeführt werden kann und am unteren Ende des Rohres 154 austritt und dabei Schlamm
aus der Schlammansammlungskammer 142 hochhebt und, während des Hochhebens belüftet,
bevor er aus dem Klärer 112 austritt, um durch eine Leitung 158 zum Reaktor 110
zurückgeführt zu werden.
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Die Zufuhr der Flüssigkeit durch die Leitung 133 und das Rohr 139
in der Weise, daß ein rotierender Flüssigkeitskörper in der Kammer 140 erhalten
wird, ergibt eine Trennung
der suspendierten Feststoffe aus den
mitgeführten Gasblasen aufgrund von Zentrifugalkräften. Die Gase können aus dem
Klärer 112 durch ein Rohr 166 abgelassen werden.
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Die suspendierten Feststoffe besitzen die Neigung, sich radial nach
außen zu bewegen und. sich an der Innenwand des Behälters 137 anzusammeln, während
die Gasblasen nach innen und nach oben gehen, so daß eine dünne Schaunischicht an
der Oberfläche der rotierenden Flüssigkeit gebildet wird.
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Der Schaum wird fortlaufend durch den hereinkommenden Strom aufgebrochen,
so daß er niemals überfließt, wodurch möglichen Schäumungsproblemen vorgebeugt wird.
Die Feststoffe bewegen sich unter dem Einfluß der Schwerkraft und der Flüssigkeitsströmung
in der Kammer 140 durch die Kammer 140 nach unten zur Schlammansammlungskammer 142.
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Die Abtrennung der Gasblasen in der ersten Kammer 140 in Form von
Schaum auf der Oberseite der Flüssigkeit verhindert weitgehend die Anwesenheit derartiger
Blasen in den Kammern 142 und 144, wo sie die Sedimentation des Schlamms stören
könnten.
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Dadurch, daß ausreichend Zeit für eine wirksame Gastrennung in der
ersten Kammer 140 vorgesehen ist, ergeben sich auch Bedingungen, welche die Beendigung
der Biooxidationsreaktionen und der Denitrifizierung durch die gemischten Mikrobenbevölkerung
begünstigen. Granulare oder pulverisierte suspendierte Feststoffe, wie z.B. Aktivkohle,
können dazu verwendet werden, die Reaktionsgeschwindigkeiten zu steigern und die
Dichte des Schlamms zu erhöhen, so daß die Geschwindigkeit und Wirksamkeit der Abtrennung
der suspendierten Feststoffe erhöht wird.
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Der Schlamm wird aus dem behandelten Abwasser durch Sedimentation
in der Kammer 144 abgetrennt, wobei ein weiteres Absitzen
und
eine weitere Verdichtung des Schlamms in der Kammer 142 stattfindet.
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Der geklärte Abfluß verläßt den Klärer 112 durch ein Rohr 162, das
mit der dritten, Kammer 144 in Verbindung steht, aber keine Verbindung zur ersten
Kammer 140 aufweist.
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Der Abfluß fließt schließlich durch eine Leitung 163 ab.
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Der geklärte Abfluß in der Leitung 163 kann einer weiteren Behandlung
unterworfen werden, wie es bei der Leitung 40 in der Ausführungsform von Fig. 1
beschrieben ist.
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Ein Rohr 164 kann mit der Schlammansammlungskammer 142 in Verbindung
stehen, um überschüssigen Schlamm nach Bedarf zu entfernen.
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Der Klärer 112 vollführt somit verschiedene Funktionen bei der Reinigung
von Abwasser, wie z.B. Beendigung der biologischen Reaktionen, biologische Ausflockung,
Schlammkoagulation, Abtrennung von suspendierten Feststoffen durch Absitzen und
Schaffung von Schlamm in vorgelüfteter Borm-für die Zuführung zum Reaktor 110.
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Die Konstruktion des in Fig. 4 erläuterten Klärers ergibt eine Anzahl
nützlicher Effekte bei der Behandlung von Abwasser, wie z.B. eine wirksame Abtrennung
von Gischt und Schaum, Bereitstellung eines großen Reaktorvolumens für die Beendigung
der Biooxidationsreaktionen und der Denitrifizierung, mäßiges Mischen der Mischung
aus Flüssigkeit und suspendierten Feststoffen zur Erzielung einer biologischen Ausflockung
und Koagulation, Verdichtung des abgesessenen Schlamms und Wiederbelüftung von zurückgeführtem
abgesessenem Schlamm. Außerdem fällt die Notwendigkeit für eine Schlammzirkulationspumpe
weg.
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Die Vorgänge im Reaktor 110 und im Klärer 112 bringen die Menge des
im System vorhandenen Schlamms ins Gleichgewicht, wobei der Schlamm im Reaktor 110
und im Klärer 112 enthaiten ist. Der geklärte Abfluß in der Leitung 162 ist weitgehend
frei von Schlamm.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet mehrere Merkmale, welche
die drei verschiedenen Operationen in einem Reaktor ermöglichen. Diese drei Operationen
sind biologische Oxidation von organischen Stoffen und stickstoffhaltigen Materialien,
Nitrifizierung und Denitrifizierung. Es besteht eine wirksame und rasche Abtrennung
von aufgelösten organischen Materialien aus dem Abwasser durch Adsorption an Aktivkohle
und Mikrobenzellen, so daß ideale Bedingungen für die Nitrifizierung und Denitrifizierung
geschaffen werden. Die Gesamtverweilzeit ist beträchtlich kleiner als bei bekannten
Systemen.
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Aktivkohle schafft die Adsorpitonskapazität des Systems zur Entfernung
von organischen Stoffen in den ersten Stufen des Betriebs, sorgt für eine gleichmäßige
Neuverteilung von kohlenstoffhaltigen Materialien in Perioden mit hoher und niedriger
BOD-Belastung aufgrund von Adsorption und Desorption von organischen Materialien
im Verhältnis zur BOD-Konzentration, wirkt als Katalysatorträger für Oxidationsreaktionen
und schafft eine poröse Struktur für Mikrobenwachstum. Der resultierende Schlamm
besitzt vorzügliche Absetzeigenschaften, wodurch eine wirksame Abtrennung von suspendierten
Feststoffen und ein schneller Aufbau von gemischter Mikrobenbevölkerung, die für
die biologischen Reaktionen zuständig ist, gewährleistet sind.
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Der für die Biooxidationsreaktionen und für die Reaktivierung von
Aktivkohle erforderliche Sauerstoff wird durch Belüftung abgesessenen Schlamms geschaffen.
Da die Schlammkonzentration
im allgemeinen über 8 000 mg/l liegt,
ist die Ubertragung von Sauerstoff aus der Luft zu den Mikrobenzellen und zur Aktivkohle
weitgehend direkt und verläuft nicht über eine molekulare Diffusion durch Wasser,
wie es bei anderen biologischen Prozessen der Fall ist. Infolgedessen sind die auf
die Mikrobenzellen übertragenen Sauerbstoffmassen größer, ist das erforderliche
Belüftungsvolumen kleiner und ist die Sauerstoffausnutzung besser als in herkömmlichen
Systemen.
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Die Erfindung wird nun durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
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B e i 5 p i e l 1 Haushaltsabwasser wurde in einer Pilot-Anlage der
in Fig. 1 erläuterten Art mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 45 400 1/Tag kontinuierlich
60 Tage lang behandelt. Diese Vorrichtung blieb während dieses Zeitraums ohne Wartung,
außer daß Analysenproben entnommen wurden. Der Reaktor 10 und der Klärer 28 besaßen
die gleichen Abmessungen und hatten ein Volumen von 3340 1. Der Belüftungsturm 4-4
besaß ein Volumen von 2122 1 und ein wirksames Belüftungsvolumen von 1500 1.
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Haushaltsabwasser, das zur Entfernung von groben Feststoffe vorfiltriert
worden war, wurde mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 22,7 und 27,2 1/min
dem Reaktor 10 zugeführt, der 56,7 kg Aktivkohle enthielt. Die Oberflächenkontaktzeit,
berechnet aus dem. Verhältnis des Volumens des Reaktors zur Strömungsgeschwindigkeit
des Abwassers, variierte zwischen 2,4 und 2,9 Std. Während der Testperiode veränderte
sich die Zusammensetzung des behandelten Abwassers stark.
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Der Flüssigkeitsabstroiii aus dem Reaktor 1C, der mit einer Geschwindigkeit
von 22,7 bis 27,2 1/min anfiel, wurde von Zeit zu Zeit auf verschiedene Verunreinigungen
getestet. Er wurde durch die Leitung 26 zum Klärer 28 geführt, der 56,7 kg Aktivkohle
enthielt, was eine Oberflächenkontaktzeit für die darin befindliche Flüssigkeit
zwischen 2,4 und 2,9 Std. ergab. Der Flüssigkeitsabstrom aus dem Klärer 28 in der
Leitung 40 wurde von Zeit zu Zeit auf die Konzentration der darin befindlichen Verunreinigungen
getestet. Er wurde zu einem Tiefbettaktivkohlefilter geführt. Auch der Abstrom daraus
wurde auf Verunreinigungen getestet.
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Die gelöste Menge des Sauerstoffs, der dem Reaktor 10 zugeführtwurde,war
ungefähr 8 mg/l, während im Abstrom weniger als 1 mg/l vorhanden waren. Beim Klärer
28 war die Menge des gelösten Sauerstoffs ungefähr 3 bis 8 ing/l, während die Menge
im Abstrom ungefähr 1 bis 4 mg/l betrug.
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Der Schlamm aus dem Reaktor 10 und dem Klärer 28 wurde durch die Leitungen
42, 46 und 48 zum Belüftungsturm 44 geleitet, wo er einem Gegenstromkontakt mit
Luft ausgesetzt wurde. Der Luftverbrauch war ungefähr 849 bis 1132 1/min (30 bis
40 SCFM), wobei die Schlammkonzentration mehr als 8000 mg/l betrug und die Oberflächenkontaktzeit
des Schlamms im Belüftungsturm 4-4 1,1 bis 1,33 Std. war. Während des 60 Tage dauernden
Laufs wurde kein Schlamm abgezogen und wurde keine Aktivkolffe zugegeben.
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Die während der letzten 15 Tage der ersten 30 Betriebstage erhaltenen
Resultate der Pilot-Anlage sind in der folgenden Tabelle I angegeben. Die Resultate
aus dem 60 Tage dauernden Betrieb sind in Tabelle II angegeben.
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TABELLE I Konzentration von Verunreinigungen während der Behandlung
(Schemamalter : 16 bis 32 Tage)
Verunreinn- Filtriertes Ab- Reaktorabstrom Kläreabstrom Filtrierter
Abstrom |
gung wasser |
Bereich Durch- Bereich Durch- durch- Bereich Durch- durch-
Bereich Durch- durch- |
schnitt schnit schnitt- schnit- schnitt- schnitt- schnitt-
lich lich lich lich |
lich lich lich |
entfernt entfernt entfernt |
mg/1 mg/1 % mg/lg % mg/lg % |
TOC (38-111) -79,1 (7-14,8) -9,8 86,9 (6-10,7) -8,0 89,3 (2,7-6,8)
-4,7 93,7 |
DOC (13-41) -30,3 (7-14,8) -7,1 75,9 (5,5-7,4) -6,5 78,5 (1,6-4,4)
-2,2 92,7 |
BOD (170-297) -208 - - - - (1,5-2,9) -2,3 98,9 |
gesamtes N* (8,9-56,2)-24,6 (4,6-15,3)-<6,45 73,7 (2,9-11,6)-<7,5
69,5 (3,3-9,7)-<5,8 76,4 |
Ammoniak-N (8-54,5) -22,8 (0,5-8,2) -<3,52 84,5 (0,3-1,9)
-<0,8 96,4 (0,4-0,9)-<0,5 97,8 |
Nitrat-N (0,9-2,6) -1,84 (2-8,6) -<2,93 - (2,5-11,3)-<6,7
- (3-9,4) -<5,3 - |
S.S (67-195) -122 (3,8-17) -9,13 92,5 (2,6-7) -5,0 95,9 (0,2-3,0)
-<1,2 99+ |
V.S.S (46-167) -104 (3-12) -7,0 93,2 (2,2-6) -4,2 95,9 (0,2-1,6)
-<0,6 99,4 |
Trübheit (45,125) -76,7 (2,3-4,7) -2,9 96,2 (1,8-4,2) -2,5
96,7 (0,5-1,2) -<0,7 99+ |
gesamte |
Coliforme (2x107-2x108)-5x107 - - - - #15,000 99,97 |
N/100ml |
*gesamtes N = Ammoniak - N plus Nitrat - N
TABELLE II Konzentration
von Verunreinigungen während der Behandlung (Schlammalter: 16 bis 60 Tage)
Verunreinigungs Filtriertes Ab- Klärerabstrom Filtrierter Abstrom |
wasser |
Bereich Durch- Bereich Durch- durch- Bereich Durch- durch- |
schnitt schnitt schnitt- schnitt schnitt- |
lich lich |
entfernt entfernt |
mg/l mg/l % mg/l % |
TOC 35-111 68,9 6-20 10,9 84,1 1,4-5,4 3,6 95 |
DOC 15-46,5 29,0 5,4-8,8 6,7 76,8 0,7-4,4 1,7 94 |
BOD 55-297 117,5 - - - <1,0-5,3 2,6 98,5 |
Ammoniak-N 8,9-54,5 24,9 <0,4-1,9 <0,4 98 <0,4-0,7
<0,4 >98,5 |
NO3-N 0,9-2,8 1,84 1,2-11,2 5,2 - 2,3-9,4 5,2 - |
organisches N 6,3-9,1 7,6 0,7-1,5 1,1 85,5 0-0,1 <0,1 99 |
TN* 16,8-63,9 35,1 1,6-11,6 6,4 82,0 2,7-9,8 5,3 85 |
S.S. 46-195 115 3,0-12,2 6,4 94,4 0-3,4 1,3 99 |
V.S.S. 46-167 94 2,6-7,6 5,1 94,5 0-3,3 0,9 99 |
Trübheit 45-125 74 1,6-4,2 2,68 96,3 0,5-1,2 0,7 99 |
gesamte gelöste |
Feststoffe 428-573 504 422-506 472 6,3 366-495 454 10 |
*TN = gesamter Stickstoff = Ammoniak-N + Nitrat-N + organisches N
Bezogen
auf die vorangehenden experimentellen Resultate wurde ein Vergleich des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit dem vorangehend diskutierten dreistufigen biologischen System, das
von Barth et al, JWPCF Band 40, No.12, Seite 2040 (1968) beschrieben ist, unter
Berücksichtigung der wichtigsten Parameter durchgeführt. Dieser Vergleich ist in
der folgenden Tabelle III zu ersehen:
TABELLE III
Arbeitsdaten Erfindungsgemäß dreistuffiges biologi- |
sches System |
Gesamte Verweilzeit (Std.) |
(Reaktor, Klärer, Belüfter) 5,9 - 7,13 15 |
Belastung mit organischen |
Stoffen |
(1b BOD-Tag 1000 cu.ft. an |
den Reaktoren) # 104 # 20 |
Schlammbildung |
(1b VSS/1b BOD entfernt) 0 > 0,5 |
Abstromqualität (fitriert) % entfernt %entfernt |
TOC mg/l 3,6 95,0 17,2* 88,1 |
COD mg/l 7,9 95,0 38 88,1 |
gesamtes N** < 5,3 85,0 < 1,7 86,0 |
NH3-N mg/l < 0,4 98,5 0,4 96,4 |
suspendierte Feststoffe < 1,2 99+ 1,7 98,9 |
* berechnet aus COD/TOC = 2,2 ** gesamtes N = Ammoniak-N + Nitrat-N + organisches
N
Außerdem ist beim erfindungsgemäßen Verfahren kein Metnylalkohol
und keine andere chemische Energiequelle für die Denitrifizierungsreaktion erforderlich.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind aus der Tabelle III leicht ersichtlich.
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Beispiele 2 Unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß den Fig. 2 bis
4 wurde rohes primär behandeltes Haushaltsabwasser mit einer Geschwindigkeit von
18 160 1/Tag kontinuierlich während eines Zeitraums von 38 Tagen behandelt. Die
Vorrichtung blieb ohne Aufsicht, außer daß aus der Beitllng 163 zwecks Analyse von
Zeit zu Zeit Proben entnommen wurden.
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Die Zusammensetzung des Abwassers variierte stark während der Versuchszeit,
was auch ftir die Betriebsbedingungen gilt. Die Änderung dieser Parameter ist zusammen
mit der durchschnittlichen Entfernungswirkung für die verschiedenen Verunreinigungen
in den folgenden Tabellen IV, V und VI angegeben.
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TABELLE IV Konzentrationen der Verunreinigungen im Abwasser Verunreinigung
Rohes Abwasser Bereich Durchschnitt Suspendierte Feststoffe mg/l 63 63 - 199 122
B0D5 mg/l 77 - 217 124 Gesamter organischer Kohlenstoff (TOC) mg/l 61 - 124 93 Löslicher
organischer Kohlenstoff (SOG) mg/l 27 - 53 37 PO4 mg/l 14 - 29 20 Ammoniakalischer
Stickstoff (NH3-N) mg/l 12 - 35 20 Gesamter Stickstoff mg/l (TKN) 18 - 35 28 Nitrit-
und Nitratstickstoff (N03-N) mg/l 0,2 - 4,3 2,5 Gesamte gelöste Feststoffe (TDS)
mg/l 470 --590 503 Trübung (JTU) 54 - 125 75 Coliform N/100 ml ,~ 4 x 107 107
TABELLE
V BETRIEBSBEDINGUNGEN Bereich Durchschnitt Zuführgeschwindigkeit (1/min) 1,3 - 3,4
2,2 MLSS (g/l) einschließlich aktivierter Kohlenstoff 3,2 - 5,4 4,8 MLVSS (einschließlich
aktivierter Kohlenstoff 2,9 - 4,5 3,9 SVI 181 - 239 209 Rückgeführt er Schlamm/Beschickungs-Verhältnis
3,7 - 4,9 4,2 Verweilzeit im Reaktor (Std.) 4,3 - 11,0 6,7 Klärerüberfluß (gal/sq.ft.min.)
0,17 - 0,34 0,23 Luft SCF/lb T.BOD Tag - 1200 Kohlenstoff BOD5 entfernt (mg/l) 70
- 133 100 NH3-BOD entfernt (mg/l) 61 - 104 85 Gesamter BOD entfernt (mg/l) - 185
Phosphor entfernt PO4 (mg/l) 4 lb.T BOD/lb ML,SS Tag entfernt - 0,14 lb.T BOD/1000
cu.ft. Tag entfernt - 40,6
TABELLE VI Verunreinigung Primär geklärter
Abstrom Klärerabstrom (Leitung 163) (Leitung 114) Bereich Durch- Bereich Durch-
durchschnitt schnitt schnittl.
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Wirksamkeit % S.S. mg/l 16 - 132 61 2 - 18 9,2 85 BOD5 30 - 202 109
5 - 18 9,6 91 TOC 43 - 142 71 6 - 18 8 88,7 SOC 18 - 55 33 5 - 18 6,4 80,6 PO4 14
- 28 19 10 - 18 15 21 NH3-N 16 - 28 22 < 0,4 <0,4 >98 TKN 96 - 32 27 0,4
- 5,7 2,0 92,5 NO3-N 0,2 - 4,4 3,3 3,0 - 8,7 6,3 -TDS 450 - 600 495 450 - 600 516
+2 Trübung JTU 35 - 74 49 0,6 - 6,5 1,9 96 Coliform N/100 ml # 107 107 # 105 105
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Es ist also ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren dazu
ill er Lage ist, weitgehend vollständig biologisch ab baubare kohlenstoffhaltige,
stickstoffhaltige und suspendierte Reststoffe aus Abwässern zu entfernen, wobei
die v dung von beträchtlichen Mengen eines biologischen Schlamm überschusses vermieden
wird, keine äußere Reaktivierung von Kohle erforderlich ist und zum Klären keine
Chemikalien zugesetzt werden müssen. Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren
in einer Vorrichtung durchgeführt werden, die wenig Raum und praktisch keine Wartung
erfordert.'Die Kapitalkosten und die Betriebskosten sind deshalb beträchtlich niedriger
als bei jeder anderen bekannten Abwasserbehandlung.
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PATENTANSPRÜCHE =