DE3826519C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Klärung von Abwasser und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Kläranlage.

Es ist bekannt, Abwasser durch biologische Verfahren zu klären. Insbesondere ist es auch bekannt, für die Animpfung oder die Unterstützung des biologischen Abbaus von schwer abbaubaren organischen Stoffen in Kläranlagen spezialisierte Mikroorganismen, Enzyme und andere Hilfs­ stoffe einzusetzen. Diese werden dem zu klärenden Abwasser nach Bedarf zugesetzt. Die Mikroorganismen, die Enzyme und die anderen Hilfsstoffe werden außerhalb der Kläran­ lagen hergestellt und sind im Handel erhältliche Produkte.

Diese Produkte sind relativ teuer. Da ihre Zugabe zum Abwasser demgemäß hohe Kosten verursacht, werden sie häufig nur sporadisch eingesetzt. Dadurch wird der Erfolg der biologischen Abwasserreinigung wesentlich beeinträch­ tigt.

Wenn das Abwasser Substanzen enthält, die auf die Mikro­ organismen und die biologischen Hilfsstoffe hemmend wir­ ken, dann ist das bekannte Verfahren entweder sehr aufwen­ dig, d.h. es muß sehr viel biologisches Material zugekauft und zugesetzt werden, oder aber es ist unwirksam, wenn die zugesetzte Menge nicht ausreichend erhöht wird.

Ein wesentlicher Nachteil ergibt sich bei den bekannten Verfahren aus der Tatsache, daß zur Klärung von Abwasser verschiedene Mikroorganismen nebeneinander eingesetzt werden müssen, von denen manche schneller und manche langsamer wachsen. Insbesondere spezialisierte Mikroorga­ nismen wachsen häufig langsam. Es besteht dann die Gefahr, daß die Spezialisten durch schnellwachsende Mikroorga­ nismen überwuchert werden und durch Auswaschvorgänge oder bei Entnahme von überschüssigem Schlamm aus dem Reaktor verloren gehen.

Das langsame Wachstum von spezialisierten Mikroorganismen wirkt sich auch nachteilig bei der Konzeption einer Kläran­ lage aus. Um eine ausreichende Vermehrung der Spezialisten zu gewährleisten, kann der Reaktor einer nach dem bekann­ ten Verfahren betriebenen Kläranlage nicht nach dem optima­ len Schlammalter der eingesetzten Heteropopulation bemes­ sen werden, sondern es muß die sehr viel geringere Wachs­ tumsrate der spezialisierten Mikroorganismen als Mindest­ faktor berücksichtigt werden.

Trotz der genannten Nachteile ist die biologische Reini­ gung von Abwasser wesentlich kostengünstiger als chemisch- physikalische Verfahren. Es besteht deshalb ein großes Interesse daran, die biologische Reinigung möglichst umfassend anwenden zu können, insbesondere auch auf Abwas­ serinhaltsstoffe mit langsamer Abbaukinetik, beispielswei­ se den Abbau durch Nitrifikation, autotrophe Denitrifika­ tion oder biologische Phosphorelimination, sowie auf den Abbau persistenter organischer Stoffe. Für alle diese Zwecke sind spezialisierte Mikroorganismen erforderlich, die sich in den Reaktoren der bekannten Kläranlagen nicht in ausreichendem Maße vermehren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur biolo­ gischen Klärung von Abwasser zu schaffen, daß die bekann­ ten Nachteile nicht aufweist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man bei einem Verfah­ ren zur biologischen Klärung von Abwasser parallel zum biologischen Reinigungsprozeß in einer Hauptstrombiologie spezialisierte Mikroorganismen in mindestens einer Neben­ strombiologie züchtet und diese nach Bedarf dem Hauptstrom zudosiert.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Unter dem Begriff "Hauptstrombiologie" werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die Verfahrensstufen eines üblichen biologischen Klärverfahrens zusammengefaßt. Insbesondere umfaßt die Hauptstrombiologie den Reaktor, in dem der biologische Reinigungsprozeß stattfindet und der von der gesamten Menge des zu klärenden Abwassers durchlaufen werden muß. In der Hauptstrombiologie vermeh­ ren sich auch die problemlos und schnell wachsenden Mikro­ organismen.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem bekannten Verfahren insbesondere dadurch, daß parallel zu der Hauptstrombiologie eine Nebenstrombiologie betrie­ ben wird. Unter der Bezeichnung "Nebenstrombiologie" werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung diejenigen Verfahrensstufen zusammengefaßt, die der Züchtung speziali­ sierter und insbesondere langsam wachsender Mikroorga­ nismen außerhalb der Hauptstrombiologie dienen. Wesent­ licher Bestandteil der Nebenstrombiologie sind Zuchtreak­ toren, die den spezialisierten Mikroorganismen optimale Wachstumsbedingungen bieten.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht es möglich, den Anteil an spezialisierten Mikroorganismen in der Heteropo­ pulation einer Belebtschlammanlage unter normalen Betriebs­ bedingungen durch kontrollierte Zudosierung aus dem Neben­ strom konstant bzw. auf einer gewünschten Höhe zu halten. Das Verhältnis zwischen Gehalt an Abwasserproblemstoffen und spezialisierten Mikroorganismen kann durch Zudosierung von Biomasse aus den Zuchtreaktoren in der erforderlichen Menge wirksam beeinflußt werden.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren werden die speziali­ sierten Mikroorganismen überwiegend im Rahmen des Verfah­ rens erzeugt. Sie müssen nur in geringem Umfange zur Inbetriebnahme der jeweiligen Nebenstrombiologie zugekauft werden, soweit diese nicht durch natürliche Selektion und Entwicklung der spezialisierten Mikroorganismen aus der Hauptstrombiologie heraus erfolgt. Dadurch läßt sich eine wesentliche Kostensenkung im Vergleich zu bekannten Verfahren erzielen.

Da die erforderlichen Spezialisten in der Nebenstrombiolo­ gie in der erforderlichen Menge erzeugt und dann dem zu reinigenden Abwasser in ausreichendem Maße zugegeben werden, wird eine gleichbleibend wirksame Klärung des Abwassers erreicht.

Mit den erfindungsgemäßen Verfahren können auch solche Abwässer wirksam geklärt werden, die Substanzen enthalten, welche sich hemmend auf die Vermehrung von bestimmten spezialisierten Mikroorganismen auswirken. Da die Vermeh­ rung der Spezialisten überwiegend außerhalb der Hauptstrom­ biologie erfolgt, kann dafür Sorge getragen werden, daß sich die hemmenden Substanzen nicht negativ auf deren Wachstum auswirken.

Aufgrund der Tatsache, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die spezialisierten Mikroorganismen in separaten Reaktoren gezüchtet werden, besteht keine Gefahr der Überwucherung durch schneller wachsende Mikroorganismen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Speziali­ sten nicht durch Auswaschvorgänge oder die Entnahme von überschüssigem Schlamm aus dem Reaktor der Hauptstrombiolo­ gie verloren gehen.

Schließlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, den Reaktor für den biologischen Reinigungsprozeß nach dem optimalen Schlammalter der Heteropopulation zu bemessen. Die geringe Wachstumsrate der spezialisierten Mikroorganismen braucht bei der Bemessung des Reaktors nicht als Mindestfaktor berücksichtigt werden.

Üblicherweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das für den Betrieb der Nebenstrombiologie erforderliche Wasser aus dem Abwasserzulauf entnommen, d.h. das zu klärende Abwasser wird in einen Hauptstrom und einen Nebenstrom geteilt. Wenn ein Abwasserzulauf Substanzen enthält, die das Wachstum bestimmter spezialisierter Mikroorganismen hemmen, dann ist es nicht zweckmäßig, das für die Züchtung dieser Spezialisten erforderliche Wasser aus diesem Zulauf zu entnehmen. In diesem Fall wird man vorzugsweise auf einen anderen Abwasserzulauf ausweichen. Notfalls kann auch bereits geklärtes, mit den notwendigen Nährsubstraten zusätzlich angereichertes Abwasser für den Betrieb der Nebenstrombiologie verwendet werden. Das natürliche Abwasser wird, auch wenn es mit Nährsubstraten ergänzt werden muß, wegen der besseren Anpassungsmöglichkeiten der Mikroorganismen an die gege­ benen Verhältnisse gegenüber sterilen Nährlösungen vorge­ zogen.

Zur Züchtung der spezialisierten Mikroorganismen in der Nebenstrombiologie wird vorzugsweise ein Suspensionsreak­ tor, d.h. ein total durchmischter Reaktor verwendet. Ein weiterer bevorzugter Reaktortyp ist der Biofilmreak­ tor. Auch Festbett-, Wirbelbett- und Schwebebettreaktoren mit speziellen Trägermaterialien können mit gutem Erfolg eingesetzt werden.

Der oder die ausgewählten Reaktoren werden im Nebenstrom unter Bedingungen betrieben, die das Wachstum der speziali­ sierten Mikroorganismen optimal begünstigen. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, den Zulauf zum Nebenstromreaktor mit Nährsubstrat für Spezialisten anzureichern. Falls der pH-Wert des Zulaufs für das Wachstum der Spezialisten nicht optimal ist, dann ist es bevorzugt, ihn durch Zusatz von Säure oder Base auf den optimalen Wert einzustellen.

Die Temperatur im Nebenstromreaktor wird nach Möglichkeit auf der für das Wachstum der Mikroorganismen optimalen Höhe gehalten. Je nach den Bedürfnissen der Spezialisten wird der Nebenstromreaktor aerob oder anaerob betrieben. Im Einzelfall kann es zweckmäßig sein, aerobe und anaerobe Bedingungen im Wechsel anzuwenden. Dies kann diskontinuier­ lich oder unter Verwendung von hintereinander geschal­ teten Reaktoren auch im kontinuierlichen Betrieb erfolgen. Es ist erfindungsgemäß wesentlich, die Betriebsbedingungen in den Reaktoren der Nebenstrombiologie in jeder denkbaren Hinsicht optimal an die Wachstumsbedürfnisse der speziali­ sierten Mikroorganismen anzupassen.

Vorzugsweise weist die Nebenstrombiologie neben den Zucht­ reaktoren auch einen Eindicker auf, in welchem die im Nebenstrom erzeugte Biomasse mit spezialisierten Mikroorga­ nismen eingedickt wird, bevor sie dem Hauptstrom zudosiert wird. Damit wird auch ein Ausgleich des eventuell schwan­ kenden Bedarfes an spezialisierter Biomasse ermöglicht.

Die im Nebenstrom erzeugte Biomasse mit spezialisierten Mikroorganismen wird dem Belebtschlamm der Hauptstrombio­ logie zudosiert. Auch in der Hauptstrombiologie können mehrere Reaktoren vorgesehen sein, die nacheinander vom Abwasserhauptstrom durchlaufen werden. In diesem Fall werden die jeweiligen spezialisierten Mikroorganismen an der/den Stelle(n) zudosiert, wo dieses aus prozeß­ technischer Sicht am günstigsten ist.

Die Erfindung betrifft auch eine Kläranlage zur Durchfüh­ rung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Die erfin­ dungsgemäße Kläranlage weist neben einer Hauptstrombiolo­ gie für den biologischen Reinigungsprozeß eine Nebenstrom­ biologie für die Züchtung spezialisierter Mikroorganismen und eine Dosiervorrichtung für die kontrollierte Überfüh­ rung der Mikroorganismen von der Nebenstrombiologie in die Hauptstrombiologie auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur näher erläutert. In der Figur ist anhand eines Fließschemas das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel der biolo­ gischen Phosphorelimination gezeigt.

Für die biologische Phosphorelimination in einer Kläran­ lage wird die Fähigkeit einer Reihe von Mikroorganismen, beispielsweise von Acinetobacter sp., zur Aufnahme und Speicherung von Phosphaten genutzt. Die Entfernung der Phosphate aus der Kläranlage kann auf zwei verschiedene Weisen erfolgen. Entweder wird der Überschußschlamm entnom­ men, d.h. die mit Phosphat übersättigten Mikroorganismen werden aus der Kläranlage entfernt. Alternativ ist es möglich, die mit Phosphat übersättigten Mikroorganismen aus aeroben Zonen in anaerobe Reaktoren zu überführen, in welchen die Mikroorganismen die Phosphate wieder an das Wasser abgeben. Aus dem Wasserüberstand in diesen speziellen anaeroben Reaktoren können die Phosphate dann chemisch gefällt werden. Bei der letztgenannten Vorgehens­ weise wird der von Phosphaten befreite Schlamm wieder in den Hauptstrom eingeführt, d.h. es ist Recycling der auf die Phosphatelimination spezialisierten Mikroorga­ nismen möglich.

Gemäß der Figur wird der Abwasserzulauf als Hauptstrom in ein Belebungsbecken 1 eingeführt. Aus dem Belebungs­ becken wird der Hauptstrom zu einem Nachklärbecken 2 geführt. Aus dem Nachklärbecken wird das geklärte Wasser abgelassen. Es ist eine Rücklaufschlammpumpe 3 vorgesehen, die es ermöglicht, einen Teil des Belebtschlammes zum Belebungsbecken zurückzuführen. Das Belebungsbecken 1, das Nachklärbecken 2 und die Rücklaufschlammpumpe 3 zusam­ men mit den sie verbindenden Leitungen und den Zu- und Abflüssen gehören bei dem in der Figur gezeigten Beispiel zur Hauptstrombiologie.

Die verbleibenden Angaben in der Figur beziehen sich auf die Nebenstrombiologie. Das Wasser für den Betrieb der Nebenstrombiologie wird dem Abwasserzulauf durch die Leitung 7 entnommen und durch die in dieser Leitung vorgesehene Pumpe in einen aeroben Reaktor 4 eingeleitet. Aus dem aeroben Reaktor 4 wird der Nebenstrom in den anaeroben Reaktor 5 überführt. Vom anaeroben Reaktor 5 wird er zum Eindicker 6 weitergeleitet. Der eingedickte Belebtschlamm mit spezialisierten Mikroorganismen wird durch die Dosierpumpe 8 nach Bedarf dem Zulauf zum Bele­ bungsbecken 1 der Hauptstrombiologie zugesetzt. Eine Rücklaufpumpe 9 ermöglicht es, Biomasse mit speziellen Mikroorganismen aus dem anaeroben Reaktor 5 in den aeroben Reaktor 4 zurückzuführen. Es ist eine Dosierstation 10 für Substratkorrekturen und automatische Kontrolle der Milieubedingungen vorgesehen. Durch die Leitung 11 wird Überstandswasser aus dem Eindicker 6 abgezogen und zur chemischen Phosphorfällung geleitet.

Für die optimale Entwicklung der phosphorspeichernden Mikroorganismen, beispielsweise von Acinetobacter sp., ist der sequenzielle Wechsel zwischen aeroben und anaero­ ben Bedingungen besonders wichtig. Beispielsweise ist es günstig, wenn sich an drei Stunden unter aeroben Bedin­ gungen fünf Stunden unter anaeroben Bedingungen anschlie­ ßen. Bei dem Verfahren gemäß der Figur wird der Wechsel zwischen aeroben und anaeroben Bedingungen im Rahmen einer kontinuierlichen Betriebsweise dadurch gewährlei­ stet, daß der Nebenstrom zunächst durch den aeroben Reak­ tor 4 und dann durch den anaeroben Reaktor 5 geleitet wird.

Alternativ ist auch ein diskontinuierlicher Betrieb des Nebenstromreaktors möglich. In diesem Fall wird der Reak­ tor zunächst gefüllt. Danach wird zunächst eine Zeit lang unter anaeroben Bedingungen gerührt. Anschließend wird eine Zeit lang belüftet, d.h. der Reaktor wird unter aeroben Bedingungen betrieben. Nach Abstellen des Rührers bzw. Belüfters findet eine Sedimentation statt. Die abge­ setzte Biomasse wird in den nächsten Reaktor bzw. in den Eindicker überführt.

Für die Vermehrung der phosphorspeichernden Mikroorga­ nismen ist die Anwesenheit von leicht abbaubaren Substan­ zen, beispielsweise von Acetat wichtig. Wenn es erforder­ lich ist, können solche Substanzen aus der Dosierstation 10 über eine Dosierpumpe zugegeben werden.

Bei der Züchtung von Acinetobacter sp. ist es schädlich, wenn Nitrit oder Nitrat in der anaeroben Zone 5 anwesend sind. Aus diesem Grund wird man das Nebenstromwasser nur dann durch die Leitung 7 entnehmen, wenn der Abwasser­ zulauf einen geringen Gehalt an Nitrat und Nitrit auf­ weist. Sollte das nicht der Fall sein, dann wird das Nebenstromwasser aus einer anderen Quelle entnommen.

Die Animpfung der Nebenstrombiologie mit den gewünschten spezialisierten Mikroorganismen kann durch Einbringen von im Handel erhältlichen Produkten oder durch Zugabe von Belebtschlamm aus der Hauptstrombiologie über die Leitung 12 erfolgen. Durch Anpassung und Selektion wird der normale Belebtschlamm mit speziellen Mikroorganismen angereichert.

Typischerweise werden in der Nebenstrombiologie ca. 10 % der absoluten Belebtschlammenge der Hauptstrombiolo­ gie erzeugt und nach Bedarf zudosiert. Die spezialisierte Biomasse kann im Nebenstrom beliebig in Abhängigkeit von dem gewünschten Phosphoreliminationsvermögen der Kläranlage produziert und der Hauptstrombiologie zudosiert werden.

Das vorstehend beschriebene Beispiel macht deutlich, daß es durch die Nebenstrombiologie möglich ist, optimale Wachstumsbedingungen beispielsweise für Acinetobacter sp. in einer Kläranlage zu schaffen. In einer bekannten Kläranlage ist es nicht möglich, die für ein optimales Wachstum dieses spezialisierten Mikroorganismus erforder­ lichen Bedingungen einzuhalten, beispielsweise den sequen­ ziellen Wechsel zwischen aeroben und anaeroben Bedingun­ gen, die Anwesenheit leicht abbaubarer Substanzen wie beispielsweise Acetat und die Abwesenheit von Nitrit und Nitrat in der anaeroben Zone, ohne die Wachtumsbedin­ gungen für andere Mikroorganismen, die ebenfalls wichtige Teilschritte des gesamten Reinigungsprozesses leisten, zu beeinträchtigen. Dies hat zur Folge, daß in den bekann­ ten Kläranlagen die Entwicklung der Acinetobacter sp. Population mehr oder weniger dem Zufall überlassen ist und als Folge davon das Phosphoreliminationsvermögen großen Schwankungen unterliegt. Im Gegensatz dazu findet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie vorstehend ge­ zeigt, das Wachstum von Acinetobacter sp. unter kontrol­ lierten Bedingungen statt. Das Phosphoreliminationsvermö­ gen kann in einer erfindungsgemäßen Kläranlage auf dem jeweils erforderlichen Niveau gehalten werden.

Claims (15)

1. Verfahren zur biologischen Klärung von Abwasser, dadurch gekennzeichnet, daß man parallel zum biologischen Reini­ gungsprozeß in einer Hauptstrombiologie spezialisierte Mikroorganismen in mindestens einer Nebenstrombiologie züchtet und diese nach Bedarf dem Hauptstrom zudosiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Hauptstrom und Nebenstrom durch Teilung eines Abwasser­ stroms erzeugt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Hauptstrom und Nebenstrom aus verschiedenen Abwasserquel­ len entnimmt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Züchtung der spezialisierten Mikroorganismen in der Nebenstrombiologie Suspensionsreak­ toren, Festbett-, Wirbelbett- und/oder Schwebebettreak­ toren mit speziellen Trägermaterialien und/oder Biofilm­ reaktoren verwendet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Animpfung der Nebenstrom­ biologie externe Mikroorganismen einsetzt und/oder aus der Hauptstrombiologie Schlamm entnimmt und durch gezielte Selektion die Anreicherung der spezialisierten Mikroorganismen in der Nebenstrombiologie durchführt, wobei dieser Vorgang nach Bedarf wiederholt werden kann.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Zulauf zum Nebenstromreaktor mit Nährsubstrat für die spezialisierten Mikroorganismen anreichert.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Zulauf zum Nebenstromreaktor durch Zusatz von Säure oder Base auf den für das Wachstum der spezialisierten Mikroorganismen optimalen pH-Wert einstellt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur im Nebenstromreak­ tor auf der für das Wachstum der Mikroorganismen optimalen Höhe hält.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Züchtung der Mikroorganis­ men in der Nebenstrombiologie aerobe und anaerobe Bedin­ gungen allein oder im Wechsel anwendet.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Wechsel zwischen anaeroben und aeroben Bedingungen kontinulierlich durchführt indem man den Nebenstrom durch hintereinander geschaltete Reaktoren leitet, die anaerob bzw. aerob betrieben werden.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Wechsel zwischen anaeroben und aeroben Bedingungen diskontinuierlich durchführt indem man den Nebenstrom durch einen Reaktor leitet, der sequenziell anaerob bzw. aerob betrieben wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die im Nebenstrom erzeugte Biomasse mit spezialisierten Mikroorganismen vor der Dosierung zum Hauptstrom eindickt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die im Nebenstrom erzeugte Biomasse mit spezialisierten Mikroorganismen zum Ausgleich von Bedarfsschwankungen zwischenspeichert.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die im Nebenstrom erzeugte Bio­ masse mit spezialisierten Mikroorganismen dem Belebtschlamm der Hauptstrombiologie zudosiert.

15. Kläranlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Hauptstrombiologie für den biologischen Reinigungs­ prozeß, eine Nebenstrombiologie für die Züchtung spezia­ lisierter Mikroorganismen und eine Dosiervorrichtung für die kontrollierte Überführung der Mikroorganismen von der Nebenstrombiologie in die Hauptstrombiologie aufweist.