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Verfahren und Einrichtung zur Belüftung des
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Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches beim Belebungsnrfdhren in Kläranlagen
Das Belebungsverfahren wird zur biologischen Reinigung stark verschmutzter industrieller
und häuslicher Abwässer eingesetzt. Träger der biochemischen Abbauprozesse sind
als Aerobier bezeichnete Mikroorganismen, im wesentlichen Bakterien und Protozoen,
die in großer Zahl im Abwasser vorhanden sind und in Flocken siedeln, die aus einer
schleimigen Grundsubstanz bestehen und den belebten Schlamm, die sogenannte Biomasse
bilden. Die Mikroorganismen nehmen die gelösten sowie kolloidal gelösten organischen
Schmutzstoffe aus dem Wasser auf und wandeln sie über den Stoffwechsel in biologisch
wirksame Masse um. Die Mikroorganismen bekommen durch künstliche Luftzufuhr den
zur Erhaltung guter Lebensbedingungen notwendigen Sauerstoff. Durch die Luftzufuhr
wird ferner erreicht, daß die Flocken im Abwasser frei schweben und sich nicht am
Beckenboden absetzen können, so daß durch Ablagerungen auf dem Beckenboden ausgelöste
anaerobe Prozesse vermieden werden. Durch den Sauerstoffeintrag und die änderung
der Organismenzahl durch die Rückführung des mit Baktr ien und Protozoen belebten
Schlammes vom Nachklärbecken in das Abwasser des Belebungsbeckens können die Umwandlungsprozesse
im Belebungsbecken und damit der Grad der Reinigungsleistung gesteuert werden.
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Bei dem Bel#bungsverfahren können beträchtliche Betriebs-und Stromkosten
der für die Luftzufuhr erforder ichen maschinellen Einrichtungen entstehen. Die
Wirtschaftlichkeit des
Belebungsverfahrens ist gewahrt, wenn das
Becken nicht mehr als die für das mikrobielle Leben crorderlic Sauerstoffmenge erhält.
Beckengröße und -querschnitt sind abhängig vom Belüftungssystem.
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Beim Belebungsverfahren wird die Oberflächen- und die Druckbelüftung
angewandt.
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Die Oberflächenbelüftung arbeitet mit durch Elektromotoren angetriebene
Walzen, die beispielsweise als Stab- oder Plattenwalzen ausgebildet sind, und Kreiseln,
die bei der Rotation den Wasserspiegel aufreißen. Durch das Aufreißen des Wasserspiegels
wird eine Vergrößerung der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser bewirkt und die
Aufnahme des Sauerstoffs durch das Wasser verstärkt. Die Wartung der Oberflächenbelüftung
ist relativ einfach. Störungen im Betrieb derartiger Anlagen können in sehr kalten
Gegenden auftreten, wenn eine Vereisung der Drehkörper eintritt. Die Sauerstoffzufuhr
bei den Walzen wird durch eine änderung der Eintauchtiefe mittels eines am Ablauf
des Beckens angebrachten beweglichen Wehres, mit dem der Wasserspiegel auf die gewünschte
Höhe eingestellt wird, sowie der Drehzahl geregelt.Kreisel arbeiten ohne oder mit
zusätzlicher Zufuhr von Druckluft, rotieren um eine vertikale Achse und ziehen durch
die Rotation das Wasser nach oben und verteilen es über den Wasserspiegel, so daß
eine Vergrößerung der Grenzfläche Luft/Wasser und dadurch eine Intensivierung des
Sauerstoffeintrags erreicht wird. Die Sauerstoffzufuhr wird bei Kreiseln ebenso
wie bei Walzen durch eine Änderung der Eintauchtiefe mit Hilfe eines Wehres oder
durch eine Anderung der Drehzahl geregelt. Außerdem kann die Sauerstoffzufuhr durch
eine Verstellung der Höhe des Rotors geregelt werden.
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Bei einer Belüftung mit Druckluft erfolgt die Luftzufuhr in Nähe
der Beckensohle oder im oberen Bereich des Beckens. Die Belüftungsaggregate sind
bei einem Furchenbecken in durch Rippen abgegrenzten Längsfurchen und bei einem
Becken mit einer
Flächenbelüftung iibc der ebenen Beckensohle angeordnet.
In einem Umwälzbecken wird die Luft an einer längsseite im Sohlebereich eingeblasen.
Belüftungsaggregate, die ein- oder beidseitig im Belebungsbecken in Fließrichtung
verlegt sind, bilden ein Längsband. Bei der Breitbandanordnung sind die Belüfter
als kurze Rohrstutzen ausgebildet, die im Abstand quer zur Fließrichtung im Becken
eingebaut sind. Die beim Belebungsverfahren mit Druckbelüftung benötigte Druckluftmenge
kann durch Zu- und Abschalten einzelner die Belüfter betreibender Gebläse oder Kolbenverdichter
oder durch eine Drehzahl regelung der genannten Antriebe der Belüfter den schwankenden
Belastungen angepaßt werden.
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Für die Druckbelüftung werden gelochter Stahlrohre mit einer Kunststoffbeschichtung,
Verteiler aus Kunststoff und keramisches Filtermaterial in Form von Rohren oder
Platten verwendet.
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Bei dem Belebungsverfahren mit Druckbelüftung unterscheidet man die
fein-, mittel- und grobblasige Belüftung.
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Im Hinblick auf den Energieaufwand ist der Sauerstoffeintrag günstiger,
wenn bei geringer Einblastiefe mittelblasige und bei größerer Einblastiefe feinblasige
Belüftung gewählt wird.
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Kleinere Steiggeschwindigkeiten der Luftblasen ergeben aufgrund der
längeren Kontaktzeit eine bessere Sauerstoffzufuhr.
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Die feinblasige Belüftung zeichnet sich durch einen guten Wirkungsgrad
aus, da durch die zahlreichen kleine Luftblasen eine große Berührungsfläche zwischen
Luft und Wasser geschaffen wird. Nachteilig ist, daß die feinen Uffnungen der Verteiler
zur Verstopfung neigen. Dieser Nachteil kann durch eine gute Vorreinigung des Abwassers
gemildert werden.
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Die mittelblasige Belüftung ist gegen ein# Verstopfung der Belüftungsaggregate
unempfindlicher. Bei de grobblasigen Belüftung, die sich für eine Teil reinigung
eignet, besteht nur
eine geringe Verstopfungsgefahr für die Belüftungsaggregate,
jedoch ist bei dieser Belüftungsart der spezifische Sauerstoffeintrag nicht groß.
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Der Wirkungsgrad der bekannten Druckbelüftungssysteme für das Belebungsverfahren
ist im Hinblick auf den großen Energieaufwand für den benötigten Sauerstoffeintrag
sehr schlecht. Ferner ist die Regelung des Sauerstoffeintrags bei den auf dem Markt
befindlichen Belüftungssystemen ungenau,und die Regeleinrichtungen wie drehzahlgesteuerte
Elektromotoren für die Gebläse und Kolbenverdichter der Belüftungsaggregate sind
sehr teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Einrichtung zur Belüftung des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches beim Belebungsverfahren
in Kläranlagen zu entwickeln, die gegenüber den bekannten Verfahren und Einrichtungen
dieser Art eine optimale Regelung des Sauerstoffeintrags in Abhängigkeit von der
Abwasserbelastung und einen wirtschaftlichen Betrieb der Belüftungsaggregate durch
wesentlich verringerte Energiekosten ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Belüftungsverfahren
und durch nach diesem Verfahren betriebene Belebungsbecken gelöst, welches dadurch
gekennzeichnet ist, daß zu der in dem Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch durch eine
Belüftungseinrichtung bewirkten, aufwärts gerichteten Wasser-Luftströmung durch
Zwangsumwälzung eine entgegengerichtete Abwasserströmung zur Verlängerung der Kontaktzeit
zwischen Luft und Abwasser erzeugt wird.
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Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens kann wesentlich
dadurch gesteigert werden, daß die Eintauchtiefe der Belüftungseinrichtungen in
Abhängigkeit von dem tatsächlichen Sauerstoffbedarf gesteuert wird.
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Das erfindungsgemäße Belüftungsverfahren zeichnet sich durch eine
optimale Regelung des erforderlichen Sauerstoffeintrags in Abhängigkeit von der
Abwasserbelastung sowie einen wesentlich verringerten Energiebedarf aus, der dadurch
erreicht wird, daß die Kontaktzeit zwischen Luft und Wasser gegenüber den bekannten
Belüftungsverfahren erheblich verlängert wird.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer
Darstellung Fig. 1 den Grundriß eines rechteckigen Belebungsbeckens, das-an ein
Nachklärbecken angeschlossen ist, Fig. 2 einen Querschnitt des Belebungsbeckens
nach Linie II-II der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung, Fig. 3 den Grundriß eines
als Rundbecken ausgebildeten Belebungsbeckens, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV
der Fig. 3 in vergrößerter Darstellung und Fig. 5 den Grundriß eines ringförmigen
Belebungsbeckens, das ein Rundbecken für die Nachklärung umschließt In den einzelnen
Ausführungsbeispielen sind gleiche oder ähnliche Bauteile durch gleiche Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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Das Abwasser gelangt von dem Vorklärbecken 1 über den Zulauf 3 sowie
an den Beckenlängsseiten angeordneten Oberlaufrinnen 4, 5 in das rechteckige Belebungsbecken
2 nach den Fign. 1 und 2. Der ~#um Belebungsbecken 2 übt ~ den Ablauf 6 abfließende
Schlamm wird über den Düker 7 in das Nachklär-
becken 8 geleitet,
in dem eine Klärung des Abwassers stattfindet, d.h. eine Trennung des gereinigten
Abwassers vom belebten Schlamm. Das gereinigte Abwasser fließt durch den Ablauf
9 aus dem Nachklärbecken 8 in den nicht dargestellten Vorfluter. Der belebte Schlamm
wird aus dem Nachklärbecken 8 durch Pumpen einer Pumpstation 10 über die Rückführleitung
11 als Rücklaufschlamm in das Belebungsbecken 2 zurückgefördert. Der Rücklaufschlamm
wird an der gleichen Beckenseite wie das Abwasser in das Belebungsbecken 2 eingeleitet.
Durch eine gezielte Rückführung des belebten Schlammes aus dem Nachklärbecken in
das Belebungsbecken kann man das Verhältnis von Nahrungsangebot und biologischer
Masse regeln und im Gleichgewicht halten.
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Der belebte Schlamm vermehrt sich laufend und es entsteht eine Oberschußmenge
an belebtem Schlamm. Der im Nachklärbecken 8 angefallene Oberschußschlamm wird durch
die Pumpstation 10 über die Rückführleitung 11 abgezogen, durch die Zuleitung 12
in das Vorklärbecken 1 gepumpt und dann zusammen mit dem Vorklärbeckenschlamm in
einem nicht dargestellten Faulbehälter behandelt oder aerob stabilisert.
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Das Belebungsbecken 2 wird durch eine Mittelwand 13 in zwei Becken
14, 14 unterteilt, die jeweils durch eine Tauchwand 15 in zwei weitere Teilbecken
16, 17 aufgeteilt werden.
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Auf der Mittelwand 13 des Belebungsbeckens 2 ist ein'Zuführungskanal
18 für den Rücklaufschlamm angeordnet.
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In die Teilbecken 17, 17 sind Rohrbelüfter 19 eingehängt, die durch
nicht dargestellte Drehkolbengebläse mit Druckluft versorgt werden. Andere Verdichtungsarten
sind ebenfalls verwendbar.
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Die Teilbecken 16, 17 stehen durch einen Oberlauf 20 an der Oberseite
der Tauchwand 15 und durch eine oder mehrere im unteren Bereich der Tauchwand 15
über die ganze Wandlänge angeordnete Uffnungen 21 in Verbindung.
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Im Bereich der W a n d öffnungen 21 sind über der Beckensohle 22
Propeller 23 zum Umwälzen des Abwassers in einer Kreislaufströmung in Pfeilrichtung
a zwischen den beiden Teilbecken 16, 17 angeordnet, die der durch die Rohrbelüfter
19 erzeugten Abwasser-Luftströmung in Pfeilrichtung b entgegengesetzt gerichtet
ist.
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Durch die entgegengerichteten Strömungen in den Teilbekcne 16, 17
wird eine Turbulenz im Abwasser und dadurch eine Vergrößerung der Grenzfläche zwischen
Luft und Wasser und ferner eine Verlängerung der Kontaktzeit zwischen Luft und Wasser
gegenüber den bisherigen Druckbelüftungsverfahren und damit eine wesentliche Steigerung
des Sauerstoffeintrags erreicht. Der erhöhte Sauerstoffeintrag ermöglicht eine Verminderung
der Druckluftzufuhr, die zu einer wesentlichen Herabsetzung der Energiekosten für
die Druckluftgebläse führt.
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Bei dem vorbeschriebenen Belüftungssystem wird der Sauerstoffeintrag
am zweckmäßigsten durch das Zu- und Abschalten der Drucklufterzeuger geregelt.
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Vorhandene Belebungsbecken können ohne Schwierigkeiten mit dem vorbeschriebenen
Belüftungssystem ausgerüstet werden.
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Es besteht ferner die Möglichkeit, die Rohrbelüfter 19 der vorbeschriebenen
Belüftungseinrichtung mittels eines nicht dargestellten Hebe- und Absenkantriebs
höhenverstellbar auszubilden. Der Hebe- und Absenkantrieb wird durch e ie in das
Belebungsbecken eintauchende Sonde elektronisch ir Abhängigkeit von dem tatsächlichen
Sauerstoffbedarf zur Einstellung der Eintauchtiefe der Belüftungsaggregate gesteuert.
Es ist vollkommen ausreichend, wenn die Gebläse für die Druckluftaggregate zwei
Leistungsstufen mit einer Leistung von 100 % und 50 % aufweisen, da der Sauerstoffeintrag
hauptsächlich durch die stufenlos verstel:are Einstelltiefe der Belüftungsaggregate
geregelt wird. Die primäre Regelung des Sauerstoffeintrags über die Eintauchtiefe
der
Belüftungsaggregate erbringt eine wesentliche Energieeinsparung gegenüber der üblichen
Regelung des Sauerstoffeintrags durch eine mehrfache Abstufung der Gebläseleistung
durch eine Veränderung der Gebläsedrehzahl.
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Das ringförmige Belebungsbecken 24 nach den Fign. 3 und 4 ist mit
einer abgeänderten Ausführungsform des vorbeschriebenen Belüftungssystems ausgestattet.
Eine motorisch angetriebene Drehbrücke 25, an der zu beiden Längsseiten zwei radial
angeordnete Belüftungsgitter 26, 26 aus Rohrbelüftern 19 mit einer fest eingestellten
Eintauchtiefe angebracht sind, rotiert in Pfeilrichtung c um das Mittelbauwerk 27.
Vor und hinter den Belüftungsgittern 26, 26 ist je eine sich über den radialen Beckenquerschnitt
erstreckende Leitwand 28, 29 an der Drehbrücke 25 befestigt. Die in Drehrichtung
c der Brücke 25 gesehen hintere Leitwand 28 ist als Tauchwand mit einem Oberlauf
30 ausgebildet und erstreckt sich bis zur Beckensohle 31. Die vordere Leitwand 29
ragt aus dem Wasserspiegel hervor und endet oberhalb der Beckensohle 31 zur Bildung
einer Durchlaßöffnung 32.
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Bei Betrieb des Belebungsbeckens 24 wird das Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch
zwischen den beiden Leitwänden 28, 29 der umlaufenden Drehbrücke 25 im Gegenstrom
d zu der durch die Belüftungsgitter 26, 26 erzeugten, aufwärts in Pfeilrichtung
e gerichteten Abwasser-Luftströmung hindurchgeleitet.
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Durch die beiden entgegengerichteten Abwasserströmungen wird infolge
der zwangsweisen Verlängerung der Kontaktzeit zwischen Luft und Wasser und der auftretenden
Turbulenzen wie bei der vorbeschriebenen Belüftungseinrichtung des rechteckigen
Belebungsbeckens 2 nach den Fign. 1 und 2 eine wesentliche Steigerung des Sauerstoffeintrags
gegenüber den bekannten Druckbelüftungsverfahren erzielt.
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Das als Ringbecken ausgebildete Belebungsbecken 24 nach Fig. 5, das
ein Rundbecken 33 für die Nachklärung umschließt, ist mit der gleichen Belüftungseinrichtung
aus zwei an der
Drehbrücke 25 angeordneten Belüftungsgittern 26,
26 ausgestattet. Der Antrieb der Drehbrücke 25, an der das Bodenräumschild 34 und
das Schwimmschlammschild 35 für das Nachklärbecken 33 aufgehängt sind, erfolgt durch
einen an dem der -Belüftungseinrichtung abgewandten Ende der Drehbrücke 25 angeordneten,
anhebbaren und absenkbaren Propeller 36, der gleichzeitig das Abwasser in dem ringförmigen
Belebungsbecken 24 entgegen der Drehrichtung c der Brücke 25 umwälzt und gegenüber
dem Belebungsbecken nach den Fign. 3 und 4 eine verstärkte Abwasserströmung in Pfeilrichtung
d zwischen den beiden Leitwänden 28, 29 der Belüftungsgitter 26, 26 erzeugt.
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Es besteht die Möglichkeit, die Belebungsbecken 24 der in den Fign.
3 und 5 dargestellten Ausführungsformen mit einer stufenlos höhenverstellbaren Belüftungseinrichtung
auszurüsten, die durch einen in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Sauerstoffbedarf
gesteuerten Hebe- und Absenkantrieb betätigt wird.