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"Klärbecken zur aeroben oder fakultativen Reinigung orga-
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nischer Abwässer" Die Erfindung betrifft ein Klärbecken zur aeroben
oder fakultativen Reinigung organischer Abwässer aus Haushalt, Gewerbe oder Industrie,
die gegebenenfalls sogenannte Sekundärverschmutzer enthalten, mit wenigstens einem
Behälter, in dem der Klärvorgang abläuft, einem Zulauf für das zu reinigende Abwasser,
einem Ablauf für das gereinigte Abwasser, einem Tauchkörper als Aufwuchsfläche für
sessile Mikroorganismen und einer Begasungsanlage unter dem Tauchkörper zum Einbringen
von Gas - Sauerstoff bzw. Luft - in den Behälter.
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Die wirtschaftliche und technische Leistungsfähigkeit einer Kläranlage
hängt im wesentlichen von drei Kriterien ab, und zwar von der erreichbaren Biomassekonzentration
im Belebungsteil, dem erreichbaren Sauerstoff-Nutzungsgrad der Belüftung und der
Optimierung der Temperatur und weiterer
Milieufaktoren, die Reaktionskinetik
und Abbau günstig beeinflussen.
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Die Konzentration der Biomasse stößt in Belebtschlamm-Anlagen bei
Werten von ca. 6 bis 8 kg Trockensubstanz pro Kubikmeter Belebungsbecken (kgTS/m3)
an ihre Grenze, da sich die Biomasse unter natürlichen Bedingungen nicht weiter
konzentrieren läßt. Versucht man trotzdem, die Schlammsubstanz zu vermehren, so
füllt sie das gesamte Belebungsbeckenvolumen aus, so daß schließlich der Abwasser-Durchsatz
nicht mehr gewährleistet ist.
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Befindet sich zu viel Schlammsubstanz im Belebungsbecken, so gelangen
unerwünscht große Mengen Schlamm in das Nachklärbecken. Dadurch geht der Wirkungsgrad
der Belebtschlamm-Anlagen um 50 % und mehr zurück.
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Es hat sich herausgestellt, daß eine Erhöhung der Belebtschlammkonzentration
im Belebungsbecken mit Hilfe von in die Becken eingebauten Tauchkörperelementen
möglich ist.
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Beim sogenannten Bio-Zwei-Schlamm-Verfahren werden in das Belebungsbecken
über die Belüftungselemente Tropfkörperblöcke eingebaut. Auf deren Flächen wächst
sessiler Schlamm, der sich mit dem in suspendierter Form gewachsenen Belebtschlamm
mischt und zu einer Verbesserung des Schlammindexes führt. Der sessile Schlamm auf
den Tropfkörperblöcken führt auch zu der erwünschten Erhöhung der Belebtschlammkonzentrat
ion unabhängig von der Schlammrückführung aus dem Nachklärbecken. Die Trockenmasse
des Belebtschlammes konnte auf 3,5 kg pro Kubikmeter gesteigert werden. Das Tropfkörpervolumen
ist aus konstruktiven Gründen auf ca. 10 bis 20 % des Belüftungsbecken-Volumens
begrenzt.
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Ein ähnliches System ist als Biocomp-Verfahren bekannt geworden und
wurde in der japanischen Stadt Osaka erprobt. Als Trägermaterial wurden spezielle
Netzscheiben benutzt, die die Sauerstoffversorgung des Biofilms begünstigen. Die
Aufenthaltszeit des Abwassers konnte von 6 bis 8 Stunden auf 3 bis 4,5 Stunden verkürzt
werden. Die entsprechende Raumbelastung wurde von 0,22 kg BSB5 /(m3 x d) auf 0,40
kg BSB5 /(m3 x d) erhöht, ohne daß eine Verschlechterung der Ablaufwerte beobachtet
wurde.
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Ein weiteres Verfahren wurde an der Universität Stuttgart entwickelt
und erstmals auf der Kläranlage Obere Düte" der Georgsmarien-Hütte eingesetzt. Zielrichtung
war eine Intensivierung der Nitrifikation durch den Einsatz von Biofilmreaktoren
in der letzten Kaskade. Auch bei dieser Anlage wird das Gemisch aus Belebtschlamm
und Abwasser mit Hilfe des durch die Belüftung gebildeten Auftriebs durch den aus
Tonkugeln gebildeten Tropfkörper transportiert. Das Nitrifikationsvermögen des Belebungsbeckens
konnte durch den Einsatz dieses Tropfkörpers auf das drei- bis zehnfache gesteigert
werden.
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Bekannt ist auch das Linpor-Verfahren, bei dem in bis zu 40 % des
Beckenvolumens Kunststoffschaumwürfel als Aufwuchsmaterial für die sessilen Organismen
eingebracht werden.
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Die Belebtschlammkonzentration konnte dadurch auf 6 bis 7 kg TS/m3
angehoben werden.
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Eine Abwandlung wurde von der britischen Firma Simon & Hartley
entwickelt. Mit Hilfe von schwimmenden Schaumstoffwürfeln - Kantenlänge 1 cm - wird
die Belebtschlammkonzentration im Becken nach eigenen Angaben auf 9 bis 15 kg TS/m3
erhöht und somit ein hohes Schlammalter erzeugt. Die Schaumstoffwürfel werden mit
Hilfe eines Transportbandes fortlaufend zu zwei Walzen geführt, die den
Schlamm
auspressen und ihn als Uberschußschlamm aus dem System entfernen. Betriebsergebnisse
sind allerdings bisher nicht bekannt geworden.
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Bei der aeroben Abwasserreinigung werden Bakterien eingesetzt, die
mit Hilfe von Sauerstoff die im Abwasser enthaltenen Kohlenstoff- und/oder Stickstoffverbindungen
abbauen. Der Sauerstoff-Nutzungsgrad in den derzeit betriebenen Belebungsanlagen
liegt je nach Gasblasengröße zwischen 5 und 11 %. Bei Tauchkörper-Anlagen mit natürlicher
Belüftung liegt der Nutzungsgrad bei ca. 5 %, bei künstlicher Luftzufuhr noch niedriger.
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Verantwortlich für diese schlechten Nutzungsgrade sind die kurze
Verweilzeit der Luftblasen im Abwasser, wodurch die Sauerstoff-Austauschphase zwischen
Luft und Biomasse sehr kurz ist, sowie die relativ geringe Biomasse-Konzentrat ion.
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Zur Verbesserung des Sauerstoff-Nutzungsgrades sind ebenfalls eine
Reihe von Anlagen und Verfahren bekannt geworden. Als Beispiel sei hier genannt
das Deep-shaft-Verfahren der Firma ICI. Bei diesem Verfahren ist der Belebungsraum
als Schacht mit konzentrisch verlegtem Innenrohr mit 50 bis 200 m Tiefe ausgeführt.
Im Betrieb ist das Abwasser in ständigem Kreislauf, wobei es durch das Innenrohr
nach unten gedrückt und gleichzeitig mit Luft angereichert wird. Bis es aus der
Tiefe von 50 bis 200 m wieder an die Oberfläche gelangt, ist die eingetragene Luft
völlig verbraucht. Nachteilig sind jedoch der extrem tiefe Schacht sowie das Verdichten
der Prozeßluft gegen den hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule.
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Eine weitere wichtige Einflußgröße ist die Temperatur im Belebungsraum.
Durch einen Temperaturanstieg von beispielsweise
20 auf 35 0C
kann ein Beschleunigungsfaktor von 3 erreicht werden.
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Als erste Versuchsanlage, die diese Wirkung einer Temperaturerhöhung
bestätigt hat, muß der von H. Brauer entwickelte Hubstrahlreaktor angesehen werden.
Bei diesem besteht der Belebungsraum aus einem schlanken senkrechten Zylinder mit
einer Hubstange, an der in bestimmten Abständen gelochte Scheiben zur Verbesserung
des Stoffaustausches angeordnet sind. Die Versuchstemperatur wurde allerdings durch
äußere Beheizung eingestellt. Die biochemische Umsetzung soll 35 bis 70 mal höher
sein als in konventionellen Klärsystemen.
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Bei kommerziell betriebenen Kläranlagen wird weniger auf eine extrem
hohe Abbauleistung als vielmehr auf eine hohe Wirtschaftlichkeit der Anlage geachtet,
wobei Wirtschaftlichkeit in etwa definiert werden kann als das Verhältnis von Abbauleistung
zu der Summe aus Baukosten und Betriebskosten. Außerdem muß ein störungsfreier Betrieb
unter allen vorkommenden Umgebungsbedingungen gewährleistet sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Klärbecken
der eingangs genannten Art anzugeben, welches unter Kombination des Belebtschlamm-Verfahrens
mit dem Tauchkörper-Verfahren eine maximale Vergrößerung und Nutzung der gesamten
Biomasse durch permanenten Kontakt mit Nährstoffen und Sauerstoff sowie eine optimale
Sauerstoff-Nutzung durch große Verweilzeit der eingetragenen Luft ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs 1.
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Damit ergeben sich die Vorteile, daß der in den Behälter eingesetzte
Tauchkörper nicht nur als Aufwuchsfläche
für den Biorasen, sondern
gleichzeitig als Speicher für Sauerstoff und Nährstoffe, als Bremse zur Verringerung
der Steiggeschwindigkeit der Luftblasen sowie als Wärmestaukörper wirkt. Außerdem
verringert der Tauchkörper die Neigung der Gasblasen, sich zu größeren Blasen zu
vereinigen.
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Die besonders wirksame Verlängerung der Verweilzeit der Gasblasen
im Abwasser wird jedoch dadurch erreicht, daß das Abwasser den Gasblasen entgegenströmt.
Bei korrekter Abstimmung der Strömungsgeschwindigkeiten läßt sich auch bei relativ
flachen Behältern die Verweilzeit so sehr vergrößern, daß der gesamte Sauerstoffgehalt
an das Abwasser bzw. an die biologisch aktiven Bakterien übergeht. Nährstoffe und
Sauerstoff werden an alle Flächen des Biorasens kontinuierlich herangetragen, so
daß der Stoffwechsel der Bakterien gleichmäßig und unter optimalen Bedingungen verlaufen
kann.
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Versetzt man das Abwasser im Behälter in Rotation, vorzugsweise durch
seitlich gerichtete Gasaustrittsöffnungen der Begasungsanlage, so steigen die Gasblasen
spiralförmig nach oben. Ihre Verweilzeit im Abwasser wird weiter erhöht.
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Eine Verstopfung des Tauchkörpers wird durch ein kontinuierliches
Abspülen der nachwachsenden Anteile des Biorasens erreicht. Durch die Strömung werden
gleichzeitig Belebtschlamm und Abwasser gemischt und homogenisiert und ein Absetzen
von Schlamm am Boden des Behälters verhindert.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Anordnung des Tauchkörpers
unterhalb des Abwasserspiegels und das Hochpumpen des Behälterinhaltes vom Boden
nur bis zum Abwasserspiegel geodätische Höhe nicht überwunden werden muß; die Pumpe
muß vielmehr lediglich die Strömungswiderstände in Tauchkörper und Umwälzleitung
überwinden.
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Einen wesentlichen vorteilhaften Einfluß auf das Betriebsergebnis
hat
jedoch die Dimensionierung des Behälters auf geringen Wärmeverlust. Diese kann darin
bestehen, daß der Behälter mit einem Deckel abdeckbar ist, daß die Wände wärmegedämmt
werden oder besonders vorteilhaft, da ohne zusätzlichen Aufwand machbar, daß das
Verhältnis von wärmeabgebender Behälteroberfläche zu Behältervolumen minimiert wird.
Die Konzentration der durch den biologischen Abbau entstehenden Wärme im Behälter
wird auch durch den eingesetzten Tauchkörper verbessert, dessen Masse als Wärmespeicher
und -isolator wirkt.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich schließlich daraus, daß das gereinigte
Abwasser unterhalb des Tauchkörpers abgezogen wird. Dadurch wird gewährleistet,
daß das Abwasser wenigstens einmal durch den Tauchkörper geleitet und dabei weitgehend
abgebaut wird. Bei einem Abzug des gereinigten Abwassers in Höhe des Abwasserspiegels
im Behälter könnten insbesondere bei Spitzenbelastungen Kurzschluß strömungen vom
Zulauf direkt zum Ablauf entstehen, wodurch völlig ungereinigtes Abwasser direkt
in den Ablauf bzw. in das Nachklärbecken gelangt.
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Eine besonders intensive Vermischung von zu reinigendem Abwasser
und umgewälztem Schlamm ergibt sich bei einer Anordnung gemäß Anspruch 2.
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Optimale Ergebnisse bei der Trennung von gereinigtem Abwasser und
Schlamm ergeben sich bei einer Ausbildung des Behälterbodens gemäß Anspruch 6. Wählt
man den Winkel flacher, besteht die Gefahr, daß sich zuviel Schlamm absetzt und
in eine anaerobe Gärung übergeht; wählt man den Winkel zu steil, wird die Bautiefe
unnötig groß.
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Uberwachung und Wartung der Kläranlage werden besonders vereinfacht
und erleichtert durch eine Ausgestaltung der
Erfindung gemäß Anspruch
7. Dies gilt insbesondere dann, wenn auch die Merkmale der Ansprüche 8 bis 11 erfüllt
sind.
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Ist der Tauchkörper gemäß den Merkmalen der Ansprüche 12 bzw. 13
ausgebildet, so besteht die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit des Abwassers,
die Verweilzeit des Sauerstoffs und die Wärmedämmung durch geeignete Auswahl von
Größe und Form der Einzelkörper zu regulieren.
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Falls der Tauchkörper nach einer allgemein mehrjährigen Betriebszeit
zuwachsen sollte, kann er aufgrund der Tatsache, daß er aus insbesondere schwimmfähigen
Einzelkörpern besteht, gemäß Anspruch 14 mittels Druckluft und/oder Druckwasser
freigespült werden.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Klärbecken
und Fig. 2 eine Draufsicht auf das Klärbecken der Fig. 1.
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Die Figuren zeigen den Belebungsteil einer Kläranlage, gebildet aus
einem kreiszylindrischen Behälter 1 mit einem trichterförmigen Boden 9. Der Behälter
1 ist so ausgebildet, daß möglichst wenig der durch den biologischen Abbau gebildeten
Wärme abgestrahlt wird. Hierzu sind im wesentlichen die Abmessungen,d. h. der Durchmesser
D und die Höhe H so ausgebildet, daß die wärmeabgebende Oberfläche klein ist im
Verhältnis zum Behältervolumen. Der Behälter 1 kann auch als Zylinder mit einer
vieleckigen Grundfläche ausgebildet sein. Der Behälter 1 steht auf einem Betonfundament
7.
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Im Inneren des Behälters 1 erkennt man einen Tauchkörper 2, der aus
einer Vielzahl von Einzelkörpern, insbesondere
von Kunststoffrohrprofilabschnitten,
als Schüttgut besteht. Durch geeignete Gitter oder Lochbleche 19 wird dafür gesorgt,
daß die Oberfläche des Tauchkörpers 2 in ausreichendem Abstand unterhalb des Abwasserspiegels
8 bleibt, so daß sich in dem so gebildeten Stauraum oberhalb des Tauchkörpers 2
Abwasser und rückgespülter Schlamm ausreichend vermischen können, bevor sie den
Tauchkörper 2 durchströmen.
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Der Tauchkörper 2 nimmt bis zu 90 % des zylindrischen Behältervolumens
ein.
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Im Zentrum des Behälters 1 erkennt man eine Umwälzleitung 4, in die
eine Pumpe 5 als Fördervorrichtung eingesetzt ist. Die Pumpe 5 erzeugt ein Druckgefälle,
um die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit des Abwassers im Behälter 1 zu erreichen.
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Die Strömungsgeschwindigkeit des Abwassers muß so hoch sein, daß
im Tauchkörper 2 der erforderliche Spüleffekt erreicht wird, der das Zusetzen durch
Abwasserbestandteile und Biorasen insbesondere in den unteren Tauchkörperschichten
verhindert. Durch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit werden aber auch permanent
neue Nährstoffe an alle Flächen des Biorasens herangetragen, so daß dieser ein optimales
Nährstoffangebot erhält.
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Da die Auslaßöffnung der Umwälzleitung 4 im Bereich insbesondere
unterhalb des Abwasserspiegels 8 liegt, das Abwassers also nicht gehoben werden
muß, ist die Leistung der Pumpe 5 gering. Deshalb kann das Abwasser mehrfach, vorzugsweise
zwanzigmal durch den Tauchkörper 2 geleitet werden, bevor es nach einer Aufenthaltszeit
von 1,0, maximal 1,5 Stunden den Behälter 1 gereinigt verläßt.
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Der für den aeroben Abbau erforderliche Sauerstoff
wird
mit Hilfe einer Druckbelüftungsanlage 3 dem Tauchkörper 2 von unten zugeführt. Als
Belüftungsanlage kommen die bekannten Vorrichtungen in Frage, die eine möglichst
feine Gasblasenbildung ermöglichen. Die Gasblasen sind infolge ihres Auftriebs bestrebt,
durch den Tauchkörper 2 hindurch zur Wasseroberfläche zu steigen. Die Steiggeschwindigkeit
wird jedoch gebremst durch die entgegengerichtete Strömung des Abwassers und durch
den Strömungswiderstand im Tauchkörper 2. Eine zusätzliche Erhöhung der Verweilzeit
der Gasblasen entsteht durch Adsorption an der Oberfläche des Biorasens und durch
Hohlräume in bzw.
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zwischen den regellos aufgeschütteten Einzelkörpern.
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Um die Wärmeabgabe bei Bedarf weiter verringern zu können, können
die bekannten Maßnahmen ergriffen werden.
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Beispielsweise kann der Behälter 1 mit einem Deckel abgedeckt werden,
die Behälterwandungen können wärmedämmend ausgerüstet werden, falls die Wärmedämmung
durch die Dimensionierung und insbesondere durch den Tauchkörper 2 nicht ausreichen
sollte. Anzustreben ist eine Wärmedämmung, die es ermöglicht, den Behälterinhalt
auf 35 bis 40 0C zu erwärmen.
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Das über eine Zulaufleitung 10 zugeführte, zu reinigende Abwasser
sowie der über die Pumpe 5 umgewälzte Schlamm gelangen in einen Mischbehälter 13,
wo sie innig vermischt werden, bevor sie über dem Tauchkörper 2 verteilt werden.
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Der Abzug des gereinigten Wassers erfolgt nicht wie üblich mit Hilfe
einer Uberfallkante im Bereich des Abwasserspiegels 8, sondern durch eine gesonderte
Ablaufleitung 11, deren Eintrittsöffnung unterhalb des Tauchkörpers 2 im Bereich
des trichterförmigen Bodens 9 liegt. Auf diese Weise wird erreicht, daß das über
die Leitung 10
zugeführte Abwasser den Tauchkörper 2 mindestens
einmal durchströmt haben muß, bevor es über die Ablaufleitung 11 abgezogen wird.
Auf diese Weise wird verhindert, daß beispielsweise bei Spitzenbelastungen ein Teil
des ungereinigten Abwassers sozusagen im Kurzschluß über die Überfallkante zum Ablauf
gelangen kann.
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Am oberen Ende der Ablaufleitung 11 erkennt man eine Reinigungs-
und Inspektionsöffnung 12.
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Eine Besonderheit, die Wartung und Betrieb der Kläranlage erheblich
vereinfacht und erleichtert, besteht in der Anordnung eines zentralen Inspektionsschachtes
14. Dieser reicht bis unter die Begasungsanlage 3, so daß die Filterkerzen bzw.
-düsen der Begasungsanlage ausgetauscht werden können, ohne daß der Tauchkörper
2 ausgebaut werden müßte, wie es bei den herkömmlichen Anlagen der Fall ist.
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Im Inspektionsschacht 14 liegen auch die Umwälzleitung 4, die Pumpe
5 und eine Entwässerungspumpe 6, so daß auch diese Aggregate ständig gewartet werden
können.
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Vom Inspektionsschacht 14 aus können auch mehrere Meßsonden 18 im
Behälter verteilt angeordnet werden, um den Zustand des Tauchkörpers und den Ablauf
der biologischen Prozesse in den verschiedenen Schichten des Tauchkörpers messen
und gegebenenfalls steuern zu können.
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Ferner ist es möglich, im Inspektionsschacht 14 einen Aufzug 17,
eine Be- und Entlüftungsanlage 16 usw. anzuordnen. Zugänglich ist der Inspektionsschacht
14 über eine Brücke 15.
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Schließlich ist es möglich, den Tauchkörper 2 mit Hilfe von Druckluft
und/oder Druckwasser, die mit Hilfe
einer gegebenenfalls beweglichen
Lanze eingebracht werden, durch Rückspülung zu reinigen. Eine Zerstörung der Einzelkörper
des Tauchkörpers ist nicht zu befürchten, da diese der Lanze ausweichen, insbesondere,
wenn sie schwimmfähig sind bzw. durch aufgefangene Luftblasen genügend Auftrieb
haben.
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Die mit einer Versuchsanlage durchgeführten Untersuchungen haben
gezeigt, daß die Abbauleistung größer als 90 % ist, wobei sich Aufenthaltszeiten
des Abwassers unter 1,5 Stunden, vorzugsweise unter 1,0 Stunden ergeben. Die Füllkörper
bestanden aus Kunststoffelementen mit einer spezifischen Oberfläche von größer 300
m2/m3. Die Förderleistung der Pumpe wurde so eingestellt, daß sich bei den angegebenen
Aufenthaltszeiten ein Durchsatz von größer als 2 tw (tw = Trockenwetterabfluß) bis
maximal ca. 20 tw erreicht wurde.
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Dabei konnte eine Temperaturerhöhung von bis zu 25 0C über die Zulauftemperatur
des Abwassers erreicht werden. Die sich unter diesen Bedingungen im Behälter bildende
Biozönose konnte auch toxische Stoffe, Maschinenöl, Schwermetalle, Stickstoffverbindungen
usw. abbauen, ohne Schaden zu nehmen.
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Durch geeignete Verfahrensführung lassen sich Zonen einstellen, die
auch räumlich voneinander abgesetzt sein können und in denen vorzugsweise ein BSB-Abbau,
ein CSB-Abbau, eine Denitrifikation oder auch der Abbau sonstiger Abwasserinhaltsstoffe
unter jeweils optimalen Bedingungen stattfindet.