DE4321552C1 - Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung - insbesondere für kleinere und mittlere Industriebetriebe - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung - insbesondere für kleinere und mittlere IndustriebetriebeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Ab
wasserreinigung für insbesondere kleinere und mittlere Industriebetriebe
und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anlage. Das Ver
fahren ist jedoch ebenfalls geeignet, um aus Flüssigkeiten aller Art mit
Hilfe von immobilisierten und suspendierten Mikroorganismen bestimmte
Stoffe zu entfernen, wenn die Flüssigkeiten nur sporadisch anfallen.
Es ist bekannt, Abwasser biologisch mit Hilfe von immobilisierten oder
suspendierten Mikroorganismen in Form von Tropfkörper-Rieselfilm-Sy
stemen oder in suspendierter Form in sogenannten Belebungsanlagen -
auch mit eingetauchten Trägermaterialien in Form von Scheiben, Waben,
"Lockenwickler"-Paketen oder Pellets unterschiedlicher Ausprägung von
Aktivkohle bis zu Schaumstoffwürfeln - zu reinigen (s.d. ausführlich
KUNZ, P.: Behandlung von Abwasser - Kapitel 5, Vogel-Verlag, Würz
burg; 3. Auflage 1992).
Weiterhin ist bekannt, daß Kleinkläranlagen im häuslichen Bereich dezen
tral betrieben werden, die aus sogenannten Containern bestehen und sich
entweder als Festbettreaktoren oder als Belebungsreaktoren in Miniaturaus
führung darstellen. Letztere werden teilweise auch als Sequenzing-Batch-
Reaktoren im Aufstaubetrieb gefahren.
Beschrieben werden in der Patentliteratur insbesondere für kleine
Abwassermengen auch Filterkörbe (aerob oder anaerob), die teils mit
Blähschiefer gefüllt sind (DE 41 22 804 A1), teils mit schwimmenden
Kugeln (US 5,211,844 A) oder anderen Trägermaterialien (in einem
rotierenden Filterkäfig: US 4,683,062), teils mit starren Röhren (US
5,126,042 A) oder mit starren Kunststoffsegmenten (US 4,818,404).
In allen skizzierten Fällen sind die eingesetzten Filtermaterialien, die auch
als Trägermaterialien für den Aufwuchs von Mikroorganismen dienen, als
bewegliche oder starre Tauchkörpersysteme anzusprechen.
Nachteil der genannten Verfahren ist, daß eine Belebungsanlage nur als
Belebungsanlage und ein Rieselfilmanlage nur als Rieselfilmanlage betrieben
werden kann, obwohl jedes Verfahren nur in einem speziellen Einsatzbe
reich optimal ist:
- - Der Rieselfilmreaktor ist optimal bei geringen Abwassermengen mit geringer Abwasserbelastung, weil er in diesem Fall die Rohrreaktorei genschaften mit sequentiellem Abbau von zunehmend schwerer abbau baren Abwasser-Komponenten längs des Fließweges entfalten kann. Heutige Rieselfilmreaktoren werden jedoch wegen hoher Konzentratio nen mit Rückführung von gereinigtem Abwasser zwecks Verdünnung der Konzentrationsspitzen und damit reaktionstechnisch wie ein idealer Mi schungsreaktor gefahren. Bei hohen Zuflußwassermengen ist die Ver weilzeit des Abwassers im Rieselfilmbereich zu gering, als daß eine weitgehende sorptive Elimination in den Biofilm auf den Rieselkörpern erfolgen kann.
- - Die Belebungsanlagen weisen Vorteile bei hohen Abwassermengen und hohen Abwasserbelastungen auf, weil das ankommende Abwasser zu nächst in ein - wie auch immer - gerührtes System eingeleitet wird, das die Konzentration herabsetzt - damit auch toxische Wirkungen mindert - und über eine einstellbare Verweilzeitverteilung der suspendierten Mi kroorganismen in Folge eines häufigen oder weniger häufigen Schlamm abzuges (Schlammalter) in gewissem Umfang Einfluß auf die Reini gungswirkung genommen werden kann. In Zeiten geringer Abwasserzu flüsse ist das biologische System aber unterversorgt, gleichzeitig muß permanent Sauerstoff eingetragen werden, was zur Autoxidation der Mikroorganismen führt und die unnötige Betriebskosten verursacht. In den Gemeinden sind die Zeiten geringer Abwassermengen und -bela stungen jedoch meist nur auf die Nacht beschränkt, fallweise auf das Wochenende, weshalb dieser Zustand toleriert wird.
Auch die bekannten Belebungsanlagen mit Tauchkörpern oder schwimmen
den Trägermaterialien sind nicht optimal:
- - Den kombinierten Systemen - bestehend aus Belebungsbecken und darin eingebrachten schwimmenden, schwebenden oder festen Trägermateria lien, die über Druckbelüftungssysteme mit Sauerstoff versorgt und über den Sauerstoffeintrag umgewälzt werden, werden in der Literatur Vorteile im Hinblick auf ein Spezialistenwachstum zugeschrieben, weil der in submersen Systemen unvermeidliche Schlammaustrag - täglich muß der zugewachsene Schlamm als Überschußschlamm abgezogen werden - auch zu einem Austrag der Spezialisten führt, während sich bei Ver wendung von Trägermaterialien, auf denen sich Mikroorganismen im mobilisieren können, im System auch Spezialisten etablieren können, wenn die Trägermaterialien im System verbleiben. Die Praxis zeigt je doch, daß dieser Effekt nur von untergeordneter Bedeutung ist, weil bei diesen Systemen aufgrund der Mischungseffekte in allen Beckenberei chen die gleiche Konzentration an Stoffen herrscht, somit auch allen Organismen über die Zeit die gleichen Substrate zur Verfügung stehen und insbesondere bei stark schwankenden Abwasserzuflüssen mit schwankenden Abwasserbelastungen ein Wachstum von r-Strategen ein setzt, das über kurz oder lang die langsam wachsenden Spezialisten überwuchert und diese vom Geschehen infolge begrenzter Diffusion ab koppelt. Dies gilt insbesondere für industrielle Abwässer mit unter schiedlichen Abbaubarkeitsgraden der Abwasserinhaltsstoffe.
Trotz dieser mittlerweile bekannten Nachteile (s.d. KUNZ, P.: UMWELT-
BIO-VERFAHRENSTECHNIK, Vieweg-Verlag, Wiesbaden 1992) werden
die genannten Systeme auch in Kleinkläranlagen im Bereich von Hotels,
Gaststätten und in dezentralen Wohnhäusern bis hin zu kleineren Gemein
den in Ermangelung besser angepaßter Verfahren eingesetzt. Ungeschönte
Bilder von derartigen Kleinkläranlagen zeigen Schaumberge (z. B. Firmen
prospekt CONTEC-Siebrechen in Verbindung mit einer ENVICON VCK-
Anlage nach DP 39 29 510 C2), Blähschlamm infolge starken Belastungs
wechsels, Schwimmschlamm auf den Sedimentern und abtreibende
Schlammflocken.
Angesichts wachsender Umweltprobleme in der Industrie werden in jüng
ster Zeit immer häufiger auch für sie biologische Abwasserreinigungsanla
gen angeboten, die mehr oder weniger nur eine Miniaturisierung der oben
beschriebenen Anlagensysteme darstellen. Angesichts der in der Industrie
noch sehr viel extremer auftretenden Abwasserprobleme - häufig wird nur
zu Beginn und am Ende einer Schicht Abwasser produziert, viele Betriebe
arbeiten nur noch einschichtig und die Abwasserinhaltsstoffe sind meist in
die Kategorie schwerer abbaubar einzustufen - ist es Aufgabe der Erfin
dung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die die bekann
ten Vorteile der beiden biologischen Abwasserreinigungsprinzipien mitein
ander kombinieren, ohne die Nachteile der kombinierten Belebungs-Tauch
körpersysteme in Kauf nehmen zu müssen.
Der Erfindung liegt konkret die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu
schaffen, die sowohl bei kleinem als auch großem Abwasserzufluß eine
Abwasserreinigung in jeweils optimalen Betriebsbereichen ermöglicht;
insbesondere, wenn es sich um lange Perioden mit geringem Abwasserzu
fluß (wie beim Einschicht-Betrieb) und/oder schwerer abbaubare Abwas
serinhaltsstoffe handelt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Contain
ment
- 1. sowohl das Prinzip der Rieselfilm-Verfahren
- - das Abwasser wird vergleichbar einem Tropfkörper über einem Käfig mit darin befindlichen beweglichen Trägermaterialien verrieselt,
- 2. als auch das Prinzip der Belebungsverfahren
- - das Abwasser wird durch Einstau des Käfigs vergleichbar einer Tauch körper-Belebungsanlage sowohl über die sessile Biomasse auf den infolge Gaseintrags schwebenden Trägermaterialien als auch über submerse, suspendierte Mikroorganismen-Lebensgemeinschaften behandelt
- realisiert wird. Die Umschaltung zwischen den Verfahrensprinzipien erfolgt automatisch über eine Abwasserzufluß-Steuerung.
Um die Aufgabe überhaupt erfolgreich lösen zu können, mußten die bei
den bekannten Verfahrensprinzipien erst einmal in geeigneter Weise auf
einander abgestimmt werden. Diese Abstimmung erfolgt erfindungsgemäß
dadurch, daß die Festbett-Elemente beweglich sind und über Gaseintrag in
Turbulenz bzw. Schwebezustand versetzt werden können. Weiterhin muß
ein Schlamm-Wasser-Gemisch vorgehalten werden, das in Zeiten großer
Abwasserzuflüsse zur Ergänzung der sessilen Biomasse auf den Trägermate
rialien als submerse, suspendierte Mikroorganismen-Lebensgemeinschaft
verwendet werden kann, aber auch zur Berieselung des Rieselfilmelementes
in Zeiten fehlenden Abwasserzuflusses verwendet wird.
Die biologische Behandlung des Abwassers findet erfindungsgemäß vor
zugsweise in einem als Käfig bezeichneten Reaktionsraum statt, der verhin
dert, daß die beweglichen Trägermaterialien ausgetragen werden, der aber
auch genügend Porenraum aufweist, damit in Zeiten höherer geforderter
Stoffwechselleistungen in den freien Porenräumen submerse Mikroorganis
men-Lebensgemeinschaften den notwendigen Stoffwechsel herbeiführen
können.
Der Wechsel zwischen den beiden Verfahrensprinzipien erfolgt automatisch
über den Abwasserzufluß, wobei eine Steuerung den Verschluß des tiefer
liegenden Abflusses und die Kreislaufführung des Schlamm-Wasser-Gemi
sches vornimmt. Sie gewährleistet aber auch, daß ein ständiges Hin- und
Herschalten zwischen den beiden Betriebsweisen über Totzeitschaltungen
verhindert wird, daß periodisch das Schlamm-Wasser-Gemisch umgepumpt
und je nach Betriebsweise auch Schlamm abgeführt und einer Schlammbe
handlung zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin dadurch biologisch steuer
bar, daß über das Gaseintragssystem Turbulenzen und wechselnde aerobe,
anoxische und anaerobe Betriebszustände ausgelöst werden können, die die
Biofilm-Masse als auch Biofilm-Zusammensetzung auf den Trägern und auch
im Schlammsediment im Spitzkesselbereich beeinflussen.
Schließlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht allein auf den aero
ben Betrieb beschränkt, das Verfahren kann auch total anaerob mit Gas
umwälzung betrieben werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen auf der Hand: In
einfacher Weise können die beiden bekannten Verfahrensprinzipien mit ih
ren unterschiedlich optimalen Reinigungsfunktionen nebeneinander genutzt
werden:
- - In der Praxis kommen über die Betriebszeit verteilt unterschiedlich große Abwassermengen mit unterschiedlichen Konzentrationen von leichter und schwerer abbaubaren Komponenten in die Abwasserreini gungsanlage. Dort werden die Inhaltsstoffe an die Biomasse sorbiert.
- - Bei geringen Abwassermengen sorbieren sie allein an den Biofilm auf den Trägern, bei großen Abwassermengen auch an die suspendierte Biomasse, die über den Spitzkessel aufkonzentriert und im Kreis gefah ren wird.
- - Die leichter abbaubaren Verbindungen werden überwiegend von den so genannten r-Strategen, die zum schnellen Wachstum befähigt sind, ver stoffwechselt; die schwerer abbaubaren verbleiben zunächst sorbiert an der Biomasse.
- - Sobald die Betriebsruhe einkehrt - beispielsweise nach einem zehnstündigen Betrieb - schaltet die Steuerung auf Rieselfilmbetrieb um, wo durch die Biomasse auf dem Biofilm genügend Zeit bekommt, auch die schwerer abbaubaren Komponenten zu verstoffwechseln.
- - Auch die Biomasse im Sediment des Spitzkessels wird über eine periodi sche Rückführung in den Rieselfilmbereich mit Sauerstoff versorgt; da neben ist auch ein kombinierter anaerober, anoxischer und aerober Ab bau der - auch schwerer abbaubaren - Abwasserinhaltsstoffe möglich.
Diese Fahrweise bietet weiterhin den Vorteil, daß ein Teil der während der
Betriebszeiten zugewachsenen Biomasse autoxidiert werden kann, so daß
der Schlammanfall sich in Grenzen hält. Letzteres ist jedoch abhängig von
der Abwasserreinigungsaufgabe - insbesondere vom Anteil der leicht ab
baubaren Substanzen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung überwindet somit die Leistungsgrenzen
der bekannten Abwasserreinigungsverfahren. Das Prinzip ist äußerst einfach
und robust. Die Energiekosten sind vergleichsweise geringer, weil die Be
lüftung nur dann eingeschaltet wird, wenn große Abwassermengen ankom
men.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht auch den Betrieb als total
anaerobes Reaktionssystem. Die Aufgabe der Durchmischung des Träger
materials wird dabei durch eine Gaseinpressung des gebildeten Biogases
erfüllt.
Anhand Fig. 1 läßt sich die Vorrichtung und das Verfahren im Detail er
klären:
Das Abwasser strömt über den Zulauf (1) und wird dort in seiner
Menge erfaßt (FIC). Über das Verteilernetzwerk (2) wird es über den
Käfig [A] in allen Betriebszuständen verrieselt. Bei geringen Abwas
serzuflüssen und aerober Betriebsweise ist der Käfig [A] mit Umge
bungsluft versorgt, die in Form eines Kamineffektes von unten nach
oben strömt, während das behandelte Abwasser in den Spitzkesselbe
reich [C] gelangt, in dem es sich von mitgerissenen Biofilm-Fetzen
trennt und über den Ablauf (ab I, 7) die Anlage verläßt. Über die
angesteuerte oder getaktete Pumpe in der Rückführleitung (4) wird
zeitweise das gesamte Schlamm-Wasser-Gemisch aus [C] dem Vertei
lernetzwerk (2) zugeführt; zeitweise wird Überschußschlamm über die
Schlammleitung (5) entnommen. Bei größeren Abwassermengen wird
der Ablauf (7) verschlossen und der gesamte Käfig [A] eingestaut;
gleichzeitig wird der Raum [B] als zusätzlicher Phasentrenner genutzt,
da aufgrund der größeren Abwassermenge auch eine größere
Trennflächenbelastung auftritt. Das Abwasser verläßt in diesem Fall
die Anlage über den Ablauf (ab II, 6). In dieser Zeit trennen sich die
Schlammflocken vom gereinigten Abwasser sowohl im Spitzkesselbe
reich [C] als auch im zugeschalteten Segment [B]. Registriert der
Durchfluß-Controller über eine vorgewählte Zeit niedrigere Zufluß
mengen, wird der Abfluß (7) so geöffnet, daß das gereinigte Abwas
ser mit mäßiger Strömung die Vorrichtung auf diesem Wege verläßt
und der Wasserspiegel auf das Niveau des Ablaufes ab I in (7) sinkt.
Die Zuluft respektive der Gaseintrag über das Röhrengitter (8) wer
den über einen Kontaktwasserschalter an der Unterkante des Käfigs
[A] zu- bzw. abgeschaltet.
Claims (14)
1. Vorrichtung zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung,
dadurch gekennzeichnet, daß für den biologischen Stoffumsatz ein
biologisch wirksamer Reaktionsraum geschaffen ist, der Trägerma
terial für den Aufwuchs von Mikroorganismen enthält, das bei ge
ringen Abwasserzuflußmengen wie ein Rieselfilmreaktor überrieselt
wird und das bei zunehmenden Abwasserzuflußmengen wie ein
Tauchkörpersystem mit überwiegend suspendierter Biomasse einge
staut wird.
2. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung in
einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der biologisch wirksame Reaktionsraum abhängig von der
zufließenden Abwassermenge wie in einem Tropfkörperverfahren
mit Rohrreaktorverhalten oder wie in einem Belebungsverfahren
mit suspendiertem Trägermaterial mit idealem Mischungsreaktor
verhalten genutzt wird.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich
net, daß das aus festen, starren und/oder losen, geschütteten Ma
terialien bestehende, verstopfungsfreie Trägermaterial in einen
gitternetzartig begrenzten Raum eingebracht ist und darüber sowie
darunter gitterförmig Röhren oder ähnliche Einrichtungen für die
Verteilung des Abwasserzustromes bzw. den Eintrag von Gasen an
geordnet sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß unterhalb des biologisch wirksamen Reaktionsraumes ein
Spitzkessel oder spitzkesselartiges System als Sedimenter für die
Trennung von Schlamm und behandeltem Abwasser angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß seitlich neben dem biologisch wirksamen Reaktionsraum
ein Segment angeordnet ist, dessen unteres Ende in den Spitzkessel
mündet.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß im Tropfkörperbetrieb der Ablauf für gereinigtes Abwas
ser unterhalb des biologisch wirksamen Reaktionsraumes liegt,
durch Drosselwirkung des Ablaufes infolge Einstau dieser Ablauf
automatisch geschlossen wird und ein Überlauf in Höhe der Ober
kante des biologisch wirksamen Reaktionsraumes wirksam wird.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß über eine Zulaufwassermengenmessung der tiefer sitzende
Ablauf mittels eines Ventils oder einer vergleichbaren Einrichtung
geschlossen und der biologisch wirksame Reaktionsraum nebst dem
daneben liegenden Segment eingestaut wird.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß bei Erreichen eines festgelegten Wasserspiegelniveaus
über dem Röhrengitter durch dieses Druckluft in den biologisch
wirksamen Reaktionsraum eingetragen wird.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Vorrichtung nach Kapselung wahlweise anaerob be
trieben werden kann und die Druckluftanlage durch den Einbau ei
nes Dreiwegehahnes und eines Biogasverdichters für eine Bio
gasumwälzung des biologisch wirksamen Reaktionsrauminhaltes ge
nutzt werden kann.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeich
net, daß mehrere gleichartige Vorrichtungen parallel oder sequen
tiell geschaltet werden können.
11. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung in
einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Abwasser bei geringem
Abwasserzufluß über der Käfigoberfläche verrieselt wird und auf
dem Weg durch den Käfig mit den auf dem Trägermaterial
immobilisierten Mikroorganismen in Kontakt kommt, der benötigte
Sauerstoff zur Oxidation der Abwasserinhaltsstoffe aus der
Umgebungsluft Verwendung findet und die zeitweise von der
Oberfläche mit dem abströmenden Abwasser mitgerissenen
Biofilmfetzen im Spitzkesselraum sedimentieren, während das
gereinigte Abwasser den Behälter über den tiefer sitzenden Ablauf
verläßt.
12. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung in
einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 3 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Abwasser bei
Überschreiten einer Grenz-Abwasserzuflußmenge nach Verschluß
des tiefer sitzenden Ablaufes, in der Vorrichtung eingestaut wird,
ab einem festgelegten Wasserspiegelniveau über dem Be
lüftersystem eine Druckluftversorgung zugeschaltet und das im
Spitzkessel angesammelte Schlamm-Wasser-Gemisch für eine vorge
wählte Zeit oder für die Dauer des erhöhten Abwasserzuflusses in
das Verteilernetzwerk gepumpt wird, während das gereinigte Ab
wasser den Behälter über den oberen Ablauf verläßt.
13. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung in
einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 4, dadurch
gekennzeichnet, daß bei fehlendem Abwasserzufluß der
Spitzkesselinhalt periodisch in das Verteilernetzwerk gepumpt
wird.
14. Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung in
einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 und 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der biologisch wirksame Reaktionsraum auch
ohne Sauerstoffeintrag dafür mit Gasumwälzung als anaerobes
Verfahren betrieben werden kann.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934321552 DE4321552C1 (de) | 1993-06-29 | 1993-06-29 | Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen biologischen Abwasserreinigung - insbesondere für kleinere und mittlere Industriebetriebe |
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DE4321552C1 true DE4321552C1 (de) | 1994-10-20 |
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DE (1) | DE4321552C1 (de) |
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- 1993-06-29 DE DE19934321552 patent/DE4321552C1/de not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |