DE3818646A1 - Verfahren zur biologischen abwasserreinigung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Abwas­ serreinigung mit getrennter Belüftung und Umwälzung des Ab­ wassers in einem Belebungsbecken beliebiger Grundfläche.

Zur biologischen Abwasserreinigung gelangen unterschiedliche Belüftungs- und Umwälzverfahren sowie darauf abgestimmte Belebungsbecken mit zum Teil erheblich voneinander abweichen­ den Merkmalen zur Anwendung.

Bekannt sind runde Belebungsbecken mit dicht über der Becken­ sohle installierten Druckluftbelüftungsrohren, die an einer umlaufenden Brücke befestigt und mit dieser durch das Abwas­ ser geführt werden. Dadurch wird gleichzeitig eine Umwälzung des Abwassers erzielt. Nachteilig ist, daß umlaufende Brücken für kleine Belebungsbecken im Verhältnis zum Beckenvolumen sehr teuer sind. Eine umlaufende Brücke ist nicht für quadra­ tische oder rechteckige Becken geeignet. Sie kann auch nicht für belüftete Abwasserteiche eingesetzt werden.

Bekannt sind ferner runde Belebungsbecken, bei denen Druck­ luftbelüftungsrohre dicht über der Beckensohle stationär in­ stalliert sind. Der Beckeninhalt wird mit Hilfe einer oder mehrerer Tauchmotor-Rührwerke umgewälzt. Da die gesamte Ab­ wassermenge umgewälzt werden muß, um in jedem Beckenteil zur Verhinderung von Schlammablagerungen eine Strömungsgeschwin­ digkeit über der Beckensohle von mindestens 0,3 m/s aufrecht­ zuerhalten, sind die Betriebskosten durch die notwendige Um­ wälzenergie sehr hoch. Die Konstruktion ist außerdem nicht für quadratische oder rechteckige Becken sowie für den Ein­ satz in belüfteten Abwasserteichen geeignet.

Es ist auch möglich, an einer umlaufenden Brücke Tauchmotor- Rührwerke zu installieren, um den Beckeninhalt umzuwälzen. Die Druckluftbelüftungsrohre sind dabei dicht über der Becken­ sohle stationär installiert. Bei dieser Ausführung werden die Nachteile der beiden vorgenannten Konstruktionen miteinander kombiniert. Es ergeben sich hohe Investitionskosten für die umlaufende Brücke und hohe Energiekosten durch die Umwälzung des gesamten Beckeninhalts mit Hilfe der Tauchmotor-Rührwerke. Der Einsatz der Konstruktion ist nicht für quadratische oder rechteckige Becken und auch nicht für belüftete Abwasserteiche geeignet.

Bekannt ist auch die Belüftung und gleichzeitige Umwälzung des Abwassers mit Kreiseln als sogenannte Oberflächenbelüfter. Ihr Einsatz ist zwar für Belebungsbecken mit runder oder quadra­ tischer Grundfläche geeignet, ein wesentlicher Nachteil ist jedoch, daß eine verfahrenstechnische Trennung von Belüftung und Umwälzung nicht möglich ist. Auf diese Trennung kann bei neuzeitlichen Reinigungsverfahren nicht mehr verzichtet wer­ den, denn ein intermittierender Betrieb für oxische- und an­ oxische Verfahrensabschnitte ist nicht möglich. Außerdem ist der Einsatz der Kreisel mit hohen Energiekosten für die Be­ lüftung und Umwälzung verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren nach dem eingangs genannten Gattungsbegriff zu schaffen, das eine Trennung von Belüftung und Abwasserumwälzung ermöglicht und die Investitions- und Betriebskosten, vor allem im Hinblick auf kleinere Beckengrößen, senkt. Außerdem soll dessen Anwen­ dung nicht auf bestimmte Beckenformen beschränkt sein, sondern von quadratischer, rechteckiger oder runder Grundfläche unab­ hängige gute Werte erzielen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, innerhalb der Abwassermenge wenigstens ein räumlich begrenztes, im wesentlichen radial gerichtetes Strö­ mungsfeld zu erzeugen, das um die vertikale Mittelachse des Beckens wandert.

Die Belüftung und die Umwälzung können verfahrenstechnisch hierdurch einfach getrennt werden, da es möglich ist, die Belüftung zur Erzielung anoxischer oder anaerober Prozeßphasen einfach abzuschalten, ohne daß die Umwälzung zur Vermeidung von Schlammablagerungen reduziert wird. Kreiselbelüfter bieten diese Möglichkeit nicht.

Das Belebungsbecken wird durch das Strömungsfeld nur partiell umgewälzt, wobei dieses den gesamten Beckengrundriß, einem Uhrzeiger vergleichbar, durchwandert. Dadurch kann ein Tauch­ motor-Rührwerk gewählt werden, daß nur den Bruchteil der Größe und des Energiebedarfs der Tauchmotor-Rührwerke besitzt, die nach den bekannten Verfahren ständig den gesamten Beckeninhalt in die notwendige Strömung versetzen. Damit verbunden ist eine bedeutende Investitions- und Energiekosteneinsparung bezüglich der Umwälzung.

Im Kern des Strömungsfeldes ist die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers sehr hoch. Bei möglichst dicht um das Rührwerk herum angeordneten Belüftungsrohren vermag daher die erzeugte Horizontalströmung diese mit hoher Geschwindigkeit zu über­ streichen, die aus den Belüftungsrohren aufsteigenden Blasen zu erfassen, zunächst horizontal mitzureißen und zu verwirbeln und dadurch bis in die Ecken eines beispielsweise rechtecki­ gen Beckens zu tragen. Die Luftblasen werden somit weiträumig im gesamten Becken verteilt. Die Verwirbelung der Luftblasen im Abwasser und ihre weiträumige Verteilung im Becken ermög­ licht einen gesteigerten Grenzflächenaustausch zwischen der Luft und dem Wasser und erhöht damit ganz wesentlich den Sauerstoffeintrag in das Abwasser. Das trägt auch bezüglich der Belüftung zur Energiekosteneinsparung bei.

Von dem um die Mittelachse des Beckens wandernden Strömungs­ feld werden alle Teile des Beckens während einer Umdrehung gleichmäßig erfaßt. Damit werden die Vorteile der Drehbrücke erreicht. Es kommt zu keinen Konzentrationsunterschieden von Substrat, Sauerstoff und Bioflocken, da ein vollständig durchmischtes Beckenvolumen erzielt wird, so daß überall gleiche Reaktionsbedingungen für die drei vorgenannten Re­ aktionspartner erreicht werden.

Die Anwendung des Verfahrens ist nicht auf runde Becken be­ schränkt. Das wandernde Strömungsfeld erfaßt die in den Ecken befindlichen Volumenanteile eines rechteckigen, beispielsweise quadratischen Beckengrundrisses. In entsprechender Weise wer­ den hiervon abweichende unregelmäßige Beckengrundrisse, wie zum Beispiel bei Abwasserteichen, erfaßt. Da der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens völlig unabhängig von der Becken­ form ist, sind Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens besonders für die Nachrüstung von Belebungsbecken geeignet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine Einrichtung, die aus wenigstens einem Tauchmotor-Rührwerk besteht, das an einem über das Becken führenden Steg und um die vertikale Mittelachse des Beckens drehbar befestigt ist, wobei innerhalb des Beckens stationäre Druckluftbelüftungs­ rohre dicht über der Beckensohle angeordnet sind. Vorteilhaf­ terweise treibt ein Tauchmotor das Rührwerk an, wobei die Achse des Rührwerkes alle Neigungen von horizontal bis senk­ recht zur Beckensohle einnehmen kann.

Weitere, den Erfindungsgegenstand vorteilhaft gestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens rein sche­ matisch dargestellt und nachstehend erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein quadratisches Belebungsbecken in Draufsicht und im Querschnitt,

Fig. 2 die Anordnung zweier Tauchmotor-Rührwerke in einem Abwasserteich,

Fig. 3 die Anordnung mehrerer Tauchmotor-Rührwerke in einem langgestreckten, rechteckigen Becken, in Strömungsrich­ tung hintereinandergesetzt,

Fig. 4 die parallele Anordnung von zwei Reihen Tauchmotor- Rührwerke,

Fig. 5 eine Anordnung von Tauchmotor-Rührwerken gemäß Fig. 3, jedoch in einem Becken ohne Zwischenwände,

Fig. 6 die Anordnung eines Tauchmotor-Rührwerkes an einem Kragarm, der mit seinem dem Tauchmotor-Rührwerk ge­ genüberliegenden Ende drehbar im vertikalen Mittel­ punkt des Beckens angeordnet ist, mit einer im we­ sentlichen horizontalen Drehachse des Rührwerkes,

Fig. 7 die Anordnung eines Tauchmotor-Rührwerkes an einem Kragarm, jedoch mit vertikaler Drehachse der Pro­ pellerblätter des Rührwerkes und

Fig. 8 eine Tandemanordnung von Tauchmotor-Rührwerken.

Über ein quadratisches Belebungsbecken 1 der Fig. 1 mit Zu­ lauf 2 und Ablauf 3 ist ein fester Steg 4 geführt. Dicht über der Beckensohle 5 sind heraushebbare, jedoch während des Be­ triebes stationäre Druckluftbelüftungsrohre 6 installiert, die über die Druckluftsammelleitung 7 von einer nicht darge­ stellten Gebläsestation mit Druckluft versorgt werden. Am Steg 4 ist im Mittelpunkt des Beckens ein Drehlager 8 be­ festigt. Es trägt in der vertikalen Mittelachse 9 des Bele­ bungsbeckens in mittlerer Wassertiefe ein Tauchmotor-Rühr­ werk 10. Das Rührwerk ist durch einen Getriebemotor 11 an­ treibbar, der über Schleifringe im Drehlager mit elektrischem Strom versorgt werden kann. Beim Betrieb des Tauchmotor-Rühr­ werkes saugt dieses von der Beckenseite 12 ein Abwasser-Be­ lebtschlamm-Gemisch an und drückt es entsprechend den Strö­ mungsfeldlinien 13 in die andere Beckenhälfte 14. Die Größe- und die Antriebsleistung des Tauchmotor-Rührwerkes ist so dimensioniert, daß im Bereich der dargestellten Linien des Strömungsfeldes eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit über der Beckensohle zur Vermeidung von Schlammablagerungen erreicht wird.

Entsprechend der Drehung des Tauchmotor-Rührwerkes um die vertikale Mittelachse 9 des Belebungsbeckens wandert das Strömungsfeld 13 durch das gesamte Becken und erfaßt pro Um­ drehung jeden Beckenteil.

In konsequenter Anwendung dieses Verfahrensprinzips ist es möglich, Tauchmotor-Rührwerke auch in einem Abwasserteich 15, wie in Fig. 2 dargestellt, anzuordnen. Zu diesem Zweck bedarf es nur eines oder mehrerer in den Teich hineinreichender Ste­ ge 16, an deren Enden die Rührwerke 17 angeordnet sind.

Darüber hinaus können mehrere rotierende Tauchmotor-Rühr­ werke 18 gemäß Fig. 3 in einem langgestreckten rechteckigen Becken 19 mit Trennwänden 20 in Strömungsrichtung hinterein­ ander angeordnet werden. Die Trennwände enthalten Verbindungs­ öffnungen 21, um das Abwasser vom Einlauf 22 bis zum Ablauf 23 zu führen. Die einzelnen Teilbecken sind mit festen Stegen 24 ausgerüstet, die der Einfachheit halber nur etwa bis zum Beckenmittelpunkt führen.

Eine parallele Anordnung zweier Reihen von Tauchmotor-Rührwer­ ken 25 zeigt Fig. 4 in einem Belebungsbecken 27, das durch eine feste Trennwand 28 in zwei Hälften unterteilt ist. Jede Beckenhälfte weist Zwischenwände 29 mit Durchströmöffnungen 30 auf. Die gesamte, die Teilbecken durchströmende Abwassermenge wird vor dem Eintreten in das Becken in zwei Ströme aufgeteilt, die sich beim Verlassen wieder vereinen.

Ein langgestrecktes rechteckiges Becken 31 zeigt auch die Fig. 5 mit darin in Strömungsrichtung hintereinander ange­ ordneten Tauchmotor-Rührwerken 32. Die Abstände der Tauchmo­ tor-Rührwerke voneinander werden durch deren Strömungsreich­ weite bestimmt, wobei sichergestellt sein muß, daß an jedem Punkt des Beckens eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit zur Vermeidung von Schlammablagerungen, beispielsweise von 0,30 m/s für das Wasser vorhanden sein muß. Dadurch ergeben sich Wirkungsbereiche der einzelnen Rührwerke, die durch die unterbrochenen Linien 33 kenntlich gemacht sind.

Die Beckenausführungen gemäß Fig. 3 bis 5 gestatten bei Bedarf einzelne Beckenzellen bei konstanter Umwälzung des gesamten Beckeninhalts von der Sauerstoffzufuhr abzuschalten.

Die Steigerung des Sauerstoffeintrags wird umso effektiver, je dichter die Druckluft-Belüfter um das rotierende Tauchmotor- Rührwerk angeordnet werden und je gezielter und schneller die Horizontalströmung des Tauchmotor-Rührwerkes über die Druck­ luft-Belüfter strömt und damit die Luftblasen verwirbelnd in alle Beckenteile trägt. Deshalb kann nach einer weiteren Aus­ führungsform gemäß Fig. 6 das Tauchmotor-Rührwerk von der Mittelachse des Beckens 40 mit Hilfe einer Tragkonstruktion auskragend angeordnet sein und über einen ringförmig ange­ ordneten Druckluft-Belüfter 41 hinwegfahren. Die auskragende Konstruktion, bei dem gezeigten Beispiel ein Kragarm 42, be­ sitzt den Vorteil, daß das Tauchmotor-Rührwerk zu Reparatur- und Wartungszwecken besonders einfach aus dem Abwasser geho­ ben werden kann.

Um das Tauchmotor-Rührwerk nicht so tief einbauen zu müssen, kann die Achse des Rührwerkes mit einer Neigung zur Becken­ sohle angeordnet werden. Dadurch wird das Strömungsfeld schräg nach unten auf die Beckensohle gerichtet. Die Luft­ blasen werden ebenfalls schräg zur Beckensohle mitgerissen, wodurch die Aufenthaltszeit und der Weg der Luftblasen ver­ größert und der Sauerstoffeintritt erhöht wird.

Die Fig. 7 zeigt eine weitere Anordnung des Tauchmotor-Rühr­ werkes mit einer vertikal zur Beckensohle gerichteten Dreh­ achse des Rührwerkes, das gleichzeitig damit eine Extrem­ stellung einnimmt, nämlich einen rechten Winkel zur Becken­ sohle. Das Strömungsfeld zeigt dadurch vertikal auf die Beckensohle. Die aufsteigenden Luftblasen können noch mehr verwirbelt, abgelenkt und weiträumig im Becken verteilt wer­ den. Mit jedem Umlauf des Tauchmotor-Rührwerkes um die Becken­ mittelachse werden einmal die gesamten ringförmig angeord­ neten Druckluftbelüfter überströmt.

Ergänzend zu den beiden Ausführungen nach den Fig. 6 und 7 zeigt die Fig. 8 eine Tandemausführung, bei der zwei sich gegenüberliegende Tauchmotor-Rührwerke an auskragenden Armen 42 und 43 befestigt sind. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für Abwasserarten, für die höchste Umwälz- und Sau­ erstoffeintragungsleistungen erforderlich sind.

Als ein Maßstab für das Gewicht der Belebtschlammkonzentration im Abwasser wird der Schlammindex in ml/g verwendet. Norma­ lerweise werden Belebungsanlagen mit einem Schlammindex von 75 bis 150 ml/g bemessen. Dafür wird die Umwälzleistung des umlaufenden Tauchmotor-Rührwerkes dimensioniert. Die Betriebs­ erfahrung hat gezeigt, daß sich durch erhöhte mineralische Anteile im Zulauf oder durch Zugabe von Eisenfällungsmitteln in das Abwasser zur Verbesserung der Abwasserreinigung ein kompakterer und schwererer Belebtschlamm, zum Beispiel mit einem Schlammindex von 30 ml/g häufig einstellt. Für diesen Belebtschlamm muß die Umwälzleistung des Tauchmotor-Rührwer­ kes erhöht werden. Hierfür stehen drei Möglichkeiten zur Verfügung, nämlich die Änderung der Drehzahl des Rührwerkes, die Umlaufgeschwindigkeit des Rührwerkes um die vertikale Mittelachse des Beckens und die Änderung der Flügelstellung des Rührwerkes. Andererseits können bei der Bildung von leich­ terem Blähschlamm mit einem Schlammindex von mehr als 150 ml/g die vorgenannten Maßnahmen vermindernd eingestellt werden. Hierdurch ist eine weitere Energieeinsparung möglich, da ei­ nerseits nicht von vornherein die Leistung des Tauchmotor- Rührwerkes auf den Schlamm mit der größten Dichte ausgelegt werden muß und andererseits bei sich entwickelndem leichteren Schlamm die Umwälzleistung gedrosselt werden kann.

Claims (15)

1. Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung mit getrenn­ ter Belüftung und Umwälzung des Abwassers in einem Belebungs­ becken mit beliebiger Grundfläche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Abwassermenge wenigstens ein räumlich be­ grenztes, im wesentlichen radial gerichtetes und um die verti­ kale Mittelachse (9) des Beckens (1) wanderndes Strömungsfeld (13) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser während der Erzeugung des wandernden Strömungsfeldes intermittierend belüftet wird.

3. Belebungsbecken mit einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen über das Becken führenden Steg (4) und dicht über der Beckensohle (5) angeordnete stationäre Druckluftbelüftungsrohre (6), wo­ bei am Steg ein um die vertikale Mittelachse (9) des Beckens drehbares und in das Abwasser getauchtes Rührwerk (10) ange­ ordnet ist.

4. Belebungsbecken nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührwerk von einem Tauchmotor antreibbar ist.

5. Belebungsbecken nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Achse des Tauchmotor-Rührwerkes parallel zur Beckensohle angeordnet ist.

6. Belebungsbecken nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Achse des Tauchmotor-Rührwerkes mit einer Neigung zur Beckensohle angeordnet ist.

7. Belebungsbecken nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Neigungswinkel 90° beträgt.

8. Belebungsbecken nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchmotor-Rührwerk mit Abstand zur Mittelachse des Beckens angeordnet, jedoch um die­ se umlaufend angeordnet ist.

9. Belebungsbecken nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchmotor-Rührwerk an einem in der vertikalen Mittel­ achse des Beckens drehbar gelagerten Kragarm (42) befestigt ist.

10. Belebungsbecken nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Tauchmotor- Rührwerkes veränderbar ist.

11. Belebungsbecken nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufzahl des Tauch­ motor-Rührwerkes um die Mittelachse des Beckens veränderbar ist.

12. Belebungsbecken nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelstellung des Tauchmotor-Rührwerkes zur Leistungsänderung veränderbar ist.

13. Belebungsbecken nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich gegenüberliegen­ de und symmetrisch zur Mittelachse des Beckens angeordnete Tauchmotor-Rührwerke vorgesehen sind.

14. Belebungsbecken nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 13 mit langgestrecktem Grundriß, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Tauchmotor-Rührwerke abschnittsweise so angeord­ net sind, daß jedem Tauchmotor-Rührwerk eine im wesentlichen gleichgroße und nahezu quadratische Grundfläche zugeordnet ist.

15. Belebungsbecken nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckluftbelüftungsrohre (41) ringförmig um die vertikale Mittelachse des Beckens angeordnet sind.