DE3601669A1 - Verfahren zur biologischen abwasserreinigung - Google Patents
Verfahren zur biologischen abwasserreinigungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung
von organische sowie stickstoffhaltige
Verunreinigungen enthaltendem Abwasser, bei dem das
Abwasser in einem Reaktor in Gegenwart von auf einem
Trägermaterial fixierter Biomasse mit Luft und/oder reinem
Sauerstoff begast und anschließend in einer Nachklärung
in gereinigtes Wasser und Schlamm aufgetrennt wird und
der Schlamm zumindest teilweise in den Reaktor zurückgeführt
wird und bei dem in den Reaktor als Trägermaterial
für die Mikroorganismen Stoffteilchen in stückiger und/oder
granulierter Form und im Abwasser freibeweglicher
Menge eingebracht werden.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der
EP-B 15 298 bekannt. Bei diesem Verfahren wird das Abwasser
durch einen Reaktor geleitet, der als voll durchmischtes
Belebungsbecken mit Umwälzeinrichtung oder als Wirbelbett-
oder Schwebebettreaktor ausgebildet ist. Um hohe Reinigungswerte
von insbesondere hochbelasteten Abwässern zu erzielen,
sind in dem Reaktor Trägerteilchen aus synthetischen
organischen Polymerverbindungen bestimmter Größe angeordnet.
Außerdem wird zumindest zeitweise Belebtschlamm aus der
Nachklärung in den Reaktor zurückgeleitet und in dem Reaktor
neben der von den Trägerteilchen fixierten Biomasse auch
freier Belebtschlamm aufrechterhalten. Die Trägerteilchen
bieten eine große Oberfläche zur Ansiedlung von Mikroorganismen,
die aufgrund der Makroporen der Trägerteilchen
zu einem dezentralisierten Wachstum gezwungen werden.
Hierdurch ergibt sich eine wesentlich vergrößerte Stoffaustauschfläche
als bei herkömmlichen Belebtschlammflocken.
Die Mikroorganismen sind fest in den Poren der Stoffteilchen
angesiedelt und können daher leicht im Reaktor zurückgehalten
werden. Damit kann auch bei sehr hoher Abwasserbelastung
ein hervorragender BSB5-Abbau erzielt werden.
Die angegebene Größe der einzelnen Trägerteilchen (Durchmesser
von 5 bis 50 mm, spezifisches Gewicht von 10 bis
200 kg/m3, offene Makroporen von 0,1 bis 3 mm) führt zu
stabilen Bakterienansiedlungen und gewährleistet eine
Sauerstoffversorgung und einen Stofftransport ins Innere
eines jeden Teilchens. Damit wird mit dem bekannten Verfahren
in überzeugender Weise eine wirtschaftliche Reinigung
BSB5-belasteter Abwässer erzielt. Mit dem bekannten Verfahren
kann allerdings nur ein geringer Abbau von Stickstoffverbindungen
durchgeführt werden.
Aus der DE-OS 31 31 989 ist ein Verfahren bekannt, mit dem
sowohl ein BSB5-Abbau als auch eine Nitrifikation durchgeführt
werden kann. Hierzu wird das Abwasser nacheinander
durch mehrere Behandlungszonen geleitet und dort in
Gegenwart von belebtem Schlamm begast. In der oder den
ersten Behandlungszonen wird in bekannter Weise der Abbau
der Kohlenstoffverbindungen erreicht, und zwar soweit, daß
das abfließende Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch nur noch
schwach belastet ist. In der oder den letzten Behandlungszonen
wird sodann in Gegenwart von auf einem Trägermaterial
fixierten nitrifizierenden Bakterien die Nitrifikation
durchgeführt. In einer nachfolgenden Nachklärung wird
gereinigtes Wasser von Schlamm getrennt und abgezogen. Der
Schlamm wird teilweise zur ersten Behandlungszone (C-Abbau)
zurückgeführt und zum Teil als Überschußschlamm abgegeben.
Es besteht bei diesem bekannten Verfahren auch die Möglichkeit,
einen Teil des aus der Nitrifikationszone abfließenden
Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches vor der Nachklärung
in die erste Behandlungszone (C-Abbau) zurückzuleiten,
um eine Denitrifikation des Abwassers durchzuführen. Für
einen weiteren Abbau der Stickstoffverbindungen ist
damit ein hoher Energieaufwand für die Rückführung von
Belebtschlamm aus der Nachklärung einerseits und von
Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch aus der Nitrifikationszone
zur BSB5-Abbauzone andererseits erforderlich. Außerdem ist
auf diese Art eine vollständige Denitrifikation nicht zu
erreichen.
Aus gwf 124 (1983), Heft 9, Seiten 410 bis 427 ist überdies
ein Belebungsverfahren mit simultanem Kohlenstoff-
und Stickstoffabbau bekannt. In diesem Artikel, der eine
Bemessungsmöglichkeit einstufiger Belebungsanlagen für
Nitrifikation und Denitrifikation aufzeigt, werden die
Abhängigkeit der Nitrifikation bzw. Denitrifikation
von Schlammalter, Kohlenstoffatmung und Schlammbelastung
behandelt. Der Verfasser des Artikels kommt dabei zu
folgendem Ergebnis: Eine optimale Nitrifikation wird
bei einer BSB5-Raumbelastung von 0,5 kg/m3 · d erreicht.
Soll gleichzeitig eine Denitrifikation durchgeführt
werden, so vergrößert sich das Beckenvolumen um etwa 30%
und eine vollständige Stickstofftrennung wird bei einer
BSB5-Raumbelastung von 0,3 kg/m3 · d erzielt. Die
TKN-Raumbelastung (TKN = Kjeldahl-Stickstoff) für
simultane Nitrifikation und Denitrifikation beläuft sich
dabei auf etwa 1/4 der BSB5-Raumbelastung, also auf
etwa 0,07 kg/m3 · d (TKN-Raumbelastung für Nitrifikation
etwa 0,1 kg/m3 · d).
Dem Artikel ist weiterhin zu entnehmen, daß der wesentliche
und begrenzende Faktor für die Nitrifikation die vergleichsweise
geringe Vermehrungsrate der nitrifizierenden
Bakterien ist. Um eine gute Nitrifikationsleistung zu
erhalten, muß daher das Schlammalter entsprechend hoch
angesetzt werden. Das ganze Beckenvolumen muß überdies
ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden, wobei üblicherweise
die O2-Konzentration mit mindestens 2 mg/l
angesetzt wird.
Im Gegensatz zur Nitrifikation, die die Oxidation des
NH4-Stickstoffes darstellt, ist die Dentrifikation die
Verwendung von Nitrat-Sauerstoff für die Atmung anstelle
von gelöstem, d. h. durch die Belüftung eingetragenem
Sauerstoff. Bedingung für die Denitrifikation ist
somit, daß kein gelöster Sauerstoff vorhanden
ist. Dennoch laufen auch bei einem geringem Anteil von
gelöstem Sauerstoff, der höchsten 1/4 des für die
Nitrifikation erforderlichen O2-Gehaltes ausmacht,
Denitrifikationsvorgänge im nitrifizierenden Belebungsbecken
ab. Insbesondere laufen nach dem Verfasser des
Artikels in Oxidationsgräben Denitrifikationsvorgänge
ab, da in einem bestimmten Abstand vom Belüfter eben
kein gelöster Sauerstoff mehr vorhanden ist.
Das Grundprinzip der Simultan-Denitrifikation besteht
laut dem Verfasser darin, daß in einem ungeteilten
Belebungsbecken mit Nitrifikation sauerstoff-freie
Zonen geschaffen werden, in denen die Denitrifikation
erfolgen kann. Dies bedeutet, daß die
simultane Denitrifikation auf eine zweckentsprechende
Belüftungsregelung hinausläuft. Als Nachteil der
Simultan-Nitrifikation/Denitrifikation ist dabei anzusehen,
daß die Beckenvolumina größer werden, da in
dem Volumen, in dem denitrifiziert wird, wo also kein
gelöster Sauerstoff ist, nicht nitrifiziert werden kann und
zudem die Denitrifikationsgeschwindigkeit relativ niedrig
ist. Um somit geringe Stickstoffwerte im Ablauf einzustellen,
muß eine großzügige Bemessung des Nitrifikations-/
Denitrifikationsvolumens vorliegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auf
einfache und wirtschaftliche Weise konstant sowohl ein
hoher Kohlenstoff- als auch ein hoher Stickstoffabbau
erzielt werden kann, wobei die Nachteile der bekannten Verfahren
überwunden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in
dem Reaktor gleichzeitig bei einer BSB5-Raumbelastung von
0,4 bis 2,0 kg/m3 · d und einer TKN-Raumbelastung von
0,1 bis 0,7 kg/m3 · d ein BSB5-Abbau, eine Nitrifikation
und eine Denitrifikation durchgeführt werden, wobei eine
O2-Konzentration in der Flüssigkeit von 0,5 bis 4 mg/l
eingestellt wird und das Trägermaterial 15 bis 35% des
Reaktorvolumens einnimmt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird damit simultan
sowohl ein Abbau der Kohlenstoff- als auch der Stickstoffverbindungen
in einer einzigen Belebungsstufe durchgeführt,
wobei in dem Belebungsbecken freier und auf porösen beweglichen
Trägerteilchen fixierter Belebtschlamm vorhanden
ist. Die Stickstoffentfernung bedeutet, daß nebeneinander
Nitrifikation und Denitrifikation stattfinden, wobei immer
gelöster Sauerstoff in dem Belebungsbecken vorhanden ist.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren ist dabei die
BSB5-Raumbelastung ebenso wie auch die TKN-Raumbelastung
um einiges höher. Dennoch hat sich im Gegensatz zu der
in der Fachwelt herrschenden Meinung überraschender Weise
gezeigt, daß bei diesen hohen Raumbelastungen und O2-
Konzentrationen überragende Reinigungsleistungen erzielt
werden.
Das Abwasser ist vor der Behandlung in einem Belebungsbecken
allerdings von Grobstoffen zu reinigen, was beispielsweise
in einem Rechen oder Absatzbecken geschehen kann.
Das Abwasser wird also nach Befreiung von Grobstoffen in
dem Reaktor derart einer Belebtschlammbehandlung unterworfen,
daß sowohl die Kohlenstoff- als auch die Stickstoffverbindungen
abgebaut werden. Hierzu werden in vorteilhafter
Weise in dem Reaktor Zonen unterschiedlicher Belüftung,
insbesondere Zonen starker und schwacher Belüftung aufrechterhalten.
Die Art der Versorgung des Belebungsbeckens
mit sauerstoffhaltigem Gas in Form von Luft und/oder
technischem Sauerstoff kann in bekannter Weise erfolgen.
So kann das sauerstoffhaltige Gas am Boden des Reaktors
beispielsweise über eine herkömmliche fein-, mittel-
oder grobblasige Begasung eingetragen werden, wobei in
Zonen schwacher Belüftung die Sauerstoffzufuhr entsprechend
niedriger gehalten wird als in Zonen starker Belüftung.
Die Biomasse, die auf den Trägerteilchen fixiert ist und
freie Biomasse wird dabei zweckmäßig zwischen diesen
Zonen starker und schwacher Belüftung umgewälzt. Mit
dieser Vorgehensweise wird erreicht, daß in der freien
Biomasse ein endlicher Gehalt an gelöstem Sauerstoff
im ganzen Becken vorhanden ist, die fixierte Biomasse
jedoch zeit- und ortsweise zum Teil anoxischen Verhältnissen
unterworfen wird. Mit großem Vorteil wird die
O2-Konzentration in Zonen starker Belüftung auf einen
Wert zwischen 1 bis 4 mg/l und in Zonen schwacher
Belüftung auf einen Wert zwischen 0,5 bis 1 mg/l eingestellt.
In Zonen starker Belüftung kann somit vorzugsweise
der Kohlenstoffabbau und die Nitrifikation
durchgeführt werden, während in Zonen schwacher
Belüftung auch Denitrifikationsvorgänge
ablaufen.
Für die Bauweise des verwendeten Reaktors kommen die ansich
bekannten in Frage. Mit Vorteil kommen längs durchflossene
Behandlungsbecken zum Einsatz, die ein Verhältnis Länge/
Breite von mindestens drei aufweisen. In diesen werden
bevorzugt in der Fließrichtung abwechselnd Zonen starker
und schwacher Belüftung eingestellt.
Bei längs durchflossenen Behandlungsbecken wird überdies
zweckmäßigerweise ein Anteil des Beckeninhalts von 20
bis 100% bezogen auf den Beckendurchfluß vom Ende zum
Anfangs des Beckens zurückgeführt. Mit dieser Verfahrensführung
kann eine vollständige Denitrifikation des Abwassers
sichergestellt werden.
Als Trägerteilchen kommen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
Stoffteilchen aus Polyurethan-Weichschaum, Harnstoff/
Formaldehydharzen, Polyäthylen, Polypropylen,
Silikonpolymer o. ä. zur Anwendung. Auch Mischungen aus zwei
oder mehreren dieser Materialien oder Stoffteilchen aus
ähnlichen Stoffen mit offenen Poren, wie sie in der kunststoffverarbeitenden
Industrie anfallen, können zum Einsatz
gelangen. Das spezifische Gewicht des Trägermaterials
beträgt dabei zweckmäßig zwischen 10 und 200 kg/m3.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird dabei ein Verhältnis des mittleren
Durchmessers der Trägerteilchen zum mittleren Porendurchmesser
von 5 : 1 bis 30 : 1 eingestellt. Mit besonderem
Vorzug können in dem Belebungsbecken auch zwei verschiedene
Arten von Trägerteilchen mit unterschiedlichen
Teilchen- und Porendurchmessern verwendet werden. Als
äußerst günstig hat es sich dabei herausgestellt, wenn
nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens Trägerteilchen mit einem Verhältnis des
mittleren Teilchendurchmessers zum mittleren Porendurchmesser
von 5 : 1 bis 15 : 1 und Trägerteilchen mit einem
Verhältnis des mittleren Teilchendurchmessers zum mittleren
Porendurchmesser von 20 : 1 bis 30 : 1 verwendet werden.
Wie Untersuchungen nämlich ergeben haben, sind die Teilchen
mit einem kleineren Verhältnis von 5 : 1 bis 15 : 1,
insbesondere 10 : 1 bis 15 : 1 für die Nitrifikation
geeignet. Als Beispiel sei hier angeführt, daß würfelförmige
Trägerteilchen mit einer Kantenlänge von 5 bis 15 mm
besonders geeignet sind für die Nitrifikation. Würfel
mit einer Kantenlänge von etwa 20 bis 40 mm, d. h. einem
Verhältnis der Durchmesser von 20 : 1 bis 30 : 1 eignen
sich dagegen besonders gut für die Denitrifiaktion. Bei
den etwas größeren Trägerteilchen können im Inneren zusätzlich
anoxische Zonen erzeugt werden, so daß im
Inneren Denitrifikationsvorgänge ablaufen, während auf
der Außenseite des Trägerteilchens Nitrifikation und
BSB5-Abbau stattfinden. Hierzu sei noch bemerkt, daß
diese biologischen Vorgänge auch dann stattfinden, wenn
nur eine Sorte von Trägerteilchen eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es
ein einfaches Ein-Schlammverfahren darstellt, daß die
Beckenvolumina im Vergleich zu den bekannten Verfahren
kleiner ausgebildet werden können, wodurch sich Einsparungen
in den Investionskosten ergeben, daß
Energieeinsparungen bei den Rückführströmen möglich sind,
und daß höhere Eliminationsgrade für Stickstoff erreichbar
sind. Zum Betrieb eines Belebungsbeckens bzw. eines
Beckenteils kann Luft und/oder reiner Sauerstoff zur
Anwendung gelangen. Bereits in Betrieb befindliche Anlagen
können umgerüstet werden, wenn die erfindungsgemäßen
Parameter für die Raumbelastungen, die O2-
Konzentration und die Trägerteilchen eingehalten werden.
Im folgenden sei die Erfindung anhand eines schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Mit 1 ist ein als volldurchmischtes Belebungsbecken ausgebildeter
Reaktor bezeichnet. In dem Belebungsbecken 1
sind, wie durch die Schraffierung angedeutet ist, als
Trägermaterial für die Mikroorganismen Stoffteilchen 9
mit einem Durchmesser von etwa 25 mm, einem spezifischen
Gewicht von 50 kg/m3 und offenen Poren von 1 mm Durchmesser,
insbesondere aus Polyurethan-Weichschaum in einer Menge
frei beweglich angeordnet, die einem Volumenanteil von
25% des Volumens des Belebungsbeckens 1 entspricht.
Das zu behandelnde Abwasser wird über einen Zulauf 2 in
das Belebungsbecken 1 eingeleitet, während des behandelte
Abwasser über einen im oberen Bereich des Belebungsbeckens
1 angeordneten Ablauf 3, dem eine Trenneinrichtung
4 zum Zurückhalten der einzelnen Stoffteilchen,
die beispielsweise ein einfaches Sieb sein kann, abgezogen
wird. Der Ablauf 3 des Belebungsbeckens 1 steht mit einer
als Absatzbecken ausgebildeten Nachklärung 5 in Verbindung,
die eine Ableitung 6 für gereinigtes Abwasser, eine
Schlammrückleitung 7 mit Pumpe zur Rückleitung von
Schlamm in das Belebungsbecken 1 sowie eine Schlammableitung
8 für Überschußschlamm aufweist.
Das Belebungsbecken 1 kann im Ausführungsbeispiel in
vier verschiedene Zonen a, b, c, d unterteilt werden.
Jede dieser Zonen, die nicht durch Trennwände o. ä. voneinander
abgetrennt sind, weist eine eigene Lufteintragseinrichtung
10 a, 10 b, 10 c, 10 d auf. In den Zonen werden
die folgenden O2-Konzentrationen durch entsprechende
Luftzufuhr aufrechterhalten:
Zone a:0,5 bis 1 mg/l
Zone b:1 bis 4 mg/l
Zone c:0,5 bis 1 mg/l
Zone d:1 bis 4 mg/l.
Die aus den Lufteintragseinrichtungen aufsteigenden Gasblasen
erzeugen genügend Auftrieb, um die mit Biomasse
beladenen Stoffteilchen 9, deren spezifisches Gewicht im
allgemeinen nur geringfügig über dem von Wasser liegt,
in Schwebe zu halten und zwischen den jeweils benachbarten
Zonen in ausreichendem Maße umzuwälzen.
An die Beckenzone d ist außerdem eine Leitung 11 mit
Pumpe angeschlossen, über die Abwasser-Belebtschlamm-
Trägerteilchen-Gemisch in die Zone a zurückgeführt wird.
Bei einer Zulaufmenge des Abwassers von Q beträgt dabei
die rückgeführte Menge des Abwasser-Belebtschlamm-
Trägerteilchen-Gemisches Q R = 1× Q. Die Menge des
rückgeführten Belebtschlamms aus der Nachklärung läßt
sich durch Q RS = 1 × Q ausdrücken.
Nachstehend sind Zahlenangaben für ein Auslegungsbeispiel
einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene
Belebungsanlage A im Vergleich zu einer herkömmlichen
Belebungsanlage B nach dem Artikel aus gwf und C nach
EP-B 75 298 angegeben.
Claims (9)
1. Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung von organische
sowie stickstoffhaltige Verunreinigungen enthaltendem
Abwasser, bei dem das Abwasser in einem Reaktor
in Gegenwart von auf einem Trägermaterial fixierter
Biomasse mit Luft und/oder reinem Sauerstoff
begast und anschließend in einer Nachklärung in
gereinigtes Wasser und Schlamm aufgetrennt wird und
der Schlamm zumindest teilweise in den Reaktor zurückgeführt
wird und bei dem in den Reaktor als Trägermaterial
für die Mikroorganismen Stoffteilchen in
stückiger und/oder granulierter Form und im Abwasser
freibeweglicher Menge eingebracht werden, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Reaktor gleichzeitig bei
einer BSB5-Raumbelastung von 0,4 bis 2,0 kg/m3 · d und
einer TKN-Raumbelastung von 0,1 bis 0,7 kg/m3 · d ein
BSB5-Abbau, eine Nitrifikation und eine Denitrifikation
durchgeführt werden, wobei eine O2-Konzentration in
der Flüssigkeit von 0,5 bis 4 mg/l eingestellt wird
und das Trägermaterial 15 bis 35% des Reaktorvolumens
einnimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
in dem Reaktor Zonen starker und schwacher Belüftung
aufrechterhalten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß
freie und fixierte Biomasse zwischen den Zonen starker
und schwacher Belüftung umgewälzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die O2-Konzentration in Zonen starker Belüftung
auf einen Wert zwischen 1 und 4 mg/l und in Zonen
schwacher Belüftung auf einen Wert zwischen 0,5 und
1 mg/l eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß in einem längs durchflossenen
Behandlungsbecken in Fließrichtung abwechselnd Zonen
starker und schwacher Belüftung eingestellt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß in einem längs durchflossenen
Behandlungsbecken ein Anteil des Beckeninhaltes von
20 bis 100% bezogen auf den Beckendurchfluß vom
Ende zum Anfang des Beckens zurückgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Verhältnis des mittleren
Durchmessers der Trägerteilchen zum mittleren Porendurchmesser
von 5 : 1 bis 30 : 1 eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei verschiedene Arten von
Trägerteilchen mit unterschiedlichen Teilchen- und
Porendurchmessern verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
Trägerteilchen mit einem Verhältnis des mittleren
Teilchendurchmessers zum mittleren Porendurchmesser von
5 : 1 bis 15 : 1 und Trägerteilchen mit einem Verhältnis
des mittleren Teilchendurchmessers zum mittleren Porendurchmesser
von 20 : 1 bis 30 : 1 verwendet werden.
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