DE69907621T2

DE69907621T2 - Vorrichtung und verfahren zur abwasserbehandlung

Info

Publication number: DE69907621T2
Application number: DE1999607621
Authority: DE
Inventors: John Devizes Hobson
Original assignee: WRC PLC
Current assignee: WRC PLC
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2019-07-08
Also published as: EP1021378B1; GB9814591D0; EP1021378A1; WO2000001623A1; DE69907621D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abwasserbehandlungsvorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser oder Schmutzwasser, d. h., für die biologische Behandlung von Schmutzwasser oder Abwasser.
Bestehende biologische Behandlungsverfahren fallen in zwei Klassen, Festfilm- und Schwebewachstum-Systeme.
In Festfilmverfahren wird Abwasser über biologischen Filmen, bestehend aus Mikroorganismen gegossen, welche ein inertes Trägermedium bilden. In Rieselfiltern wird Abwasser über die Oberseite derartiger Biofilme verteilt, die auf einem Trägermedium wachsen. Für die Behandlung erforderlicher Sauerstoff kommt aus der Luft, welche die Biofilme natürlich belüftet. Alternativ können die Biofilme und das Trägermedium geflutet sein, wobei in diesem Falle Sauerstoff durch Luft zugeführt wird, die in die Flüssigkeit unter dem Trägermedium oder innerhalb des oberen Abschnittes des Mediums in Blasenform eingebracht wird.
In Schwebewachstum-Systemen, wie z. B. in dem aktivierten Schlammverfahren, wird eine Kultur aus Mikroorganismen in dem behandelten Abwasser in der Schwebe gehalten. Sauerstoff wird durch eine Belüftung mittels einer von einer Anzahl von Einrichtungen, wie z. B. über in dem Boden des Behälters eingebrachte Diffusoren oder durch mechanische Belüftung an der Oberfläche des Behälters bereitgestellt. Ein wichtiges Merkmal aller Schwebewachstum-Systeme besteht darin, daß ausreichend Energie durch das Belüftungssystem zugeführt werden muß, um die geflockten Mikroorganismen in Schwebe zu halten. Ein weiteres wichtiges Merkmal derartiger Systeme besteht darin, daß das behandelte Abwasser von den Schwebemikroorganismen getrennt werden muß, üblicherweise mittels Absetzung, obwohl auch Membrane verwendet werden können, und daß die abgetrennten Mikroorganismen den Verfahren wieder zugeführt werden müssen.
Rieselfiltersysteme und andere Festfilm-Systeme haben höhere Kapitalkosten, aber niedrige Betriebskosten als Schwebewachstum-Systeme. Die Wirtschaftlichkeit ist so, daß Schwebewachstum-Systeme bei größeren Anlagen immer kosteneffizienter sind. Geflutete Filter haben sowohl hohe Kapitalkosten als auch relativ hohe Betriebskosten, können aber attraktiv sein, wo der Platz beschränkt ist.
Die vorliegende Erfindung kann als eine Verbesserung von Schwebewachstum-Verfahren betrachtet werden. Um einige der möglichen Vorteile der vorliegenden Erfindung zu verstehen, wird die nachstehende Beschreibung von Schwebewachstum-Systemen gegeben.
Zwei wichtige Merkmale von Schwebewachstum-Verfahren sind Kosten und Behandlungsgrad. Die Kapitalkosten machen hauptsächlich der Hauptbehälter, der Klärungsbehälter und die Belüftungsanlage aus. Die Betriebskosten macht hauptsächlich die zum Betrieb des Belüftungssystems erforderliche Energie aus. Luftdiffussionssysteme sind theoretisch effizienter als Oberflächenbelüftungseinrichtungen, insbesondere in sauberem Wasser, jedoch führen Faktoren, wie z. B. das Vorhandensein eines Detergens, welches den Wirkungsgrad von Oberflächenbelüftungseinrichtungen verbessert, aber den Wirkungsgrad von Luftdiffussion verringert oft zu einer ähnlichen Leistung. Die Übertragung von 2 kg Sauerstoff in Lösung pro kWh an verbrauchter Energie wird als ein guter Sollwert für derartige Systeme angesehen. Das System, das zur Rückübertragung der abgetrennten Feststoffe in den Hauptbehälter erforderlich ist, hat ebenfalls Kapital- und Betriebskosten.
Es wurden bereits Systeme konstruiert, welche auf den Klärungsbehälter verzichten. Die ersten derartigen Systeme versuchten eine Klärung durch die Verwendung von Tauchwänden zu erreichen, um eine Klärungszone innerhalb des Hauptbehandlungsbehälters zu erzeugen. Jedoch bedeutete die Schwierigkeit der Erzeugung einer derartigen ruhenden Klärungszone angrenzend an die hohe Turbulenz, die erforderlich ist, um die ausgeflochtenen Mikroorganismen in Lösung zu halten, daß derartige Systeme bestenfalls nur teilweise erfolgreich waren und kommerziell nicht ausführbar waren. In Reaktoren für sequentielle Chargen wird derselbe Behälter sowohl für die Behandlung, als auch für die Klärung verwendet, wobei die Funktionen zeitlich getrennt sind. Das Erreichen eines ausführbaren Systems erfordert mehrere Behälter und ein komplexes Steuersystem. Derzeit ist nicht klar, ob derartige Systeme insgesamt eine Platiersparnis im Vergleich zu den herkömmlichen Belüftungsbehälter und Klärungsbehälter erzielen.
Während der Behandlung wird organisches Abfallmaterial teilweise oxidiert und teilweise in absetzfähige Teilchenmaterie umgewandelt, welche in der Trennungsstufe entfernt wird (der größte Teil der abgetrennten Feststoffe, welche biologisch aktiv sind, wird dem Verfahren wieder zugeführt, während ein Anteil für die Entsorgung abgezweigt wird). Der Grad der Behandlung hängt sowohl von dem Grad der Oxidation/Stabilisation und dem Wirkungsgrad des Trennungsverfahrens ab. Ein wichtiges Merkmal der Behandlung ist die Oxidation von Ammoniak zu Nitrat. Obwohl Nitrat in der Umwelt wesentlich weniger toxisch als Ammoniak ist, stellt es einen wichtigen Nährstoff dar und kann ungünstige Auswirkung auf aufnehmende Gewässer haben.
Zunehmend ist auch die Entfernung von Nitrat erforderlich. Eine Nitratreduktion kann in Schwebewachstum-Systemen in sauerstoffreien Zonen erzielt werden. Hier werden die zurückgeführten Mikroorganismen und unbehandeltes Abwasser ohne Belüftung gemischt. Ein Abschnitt von Mikroorganismen erhält Energie für die Oxidation organischer Materie aus der Reduktion von Nitrat zu gasförmigem Stickstoff und Stickoxid (Distickstoffoxid). In dem herkömmlichen aktivierten Schlammverfahren kann der Grad der Denitrifikation nicht das Verhältnis des Stammrückflusses zu dem Zufluß, normalerweise 50 bis 75% überschreiten. Außer daß sie für die Umwelt günstig ist, stellt die Denitrifikation eine Einrichtung zur Rückgewinnung eines Teils der Energie dar, welche zur Lösung von Sauerstoff verwendet wird, der zur Nitrifikation erforderlich ist, und ist somit doppelt nützlich.
Ein Merkmal von städtischen Abwasserbehandlungsanlagen besteht darin, daß sie mit einen tageszeitlich variierenden Einstrom sowohl im Hinblick auf die Konzentration als auch auf das Volumen fertigwerden müssen, welche beide im allgemeinen am späten Morgen ihr Spitze erreichen. Als eine Folge dieses Spitzeneinstroms werden die für die Behandlung erforderlichen Mikroorganismen aus dem Oxidationsbehälter in den Klärungsbehälter gerade zum Zeitpunkt des Spitzeneinstroms übertragen. Dieses führt zu einem verringerten Behandlungspegel, insbesondere der Oxidation von Ammoniak. Aufgrund der Verweilzeit des Verfahrens führt dieses typischerweise zu höheren Pegeln an Ammoniak im Ausfluß in der Abendperiode. Diese tageszeitliche Veränderung in der Leistung kann in herkömmlichen Konstruktionen mit niedrigen Belastungen vermieden werden, verhindert aber die weitere Optimierung der Konstruktionen. Theoretisch könnte das Problem auch durch eine ausgeklügelte Steuerung der Rückführungsrate von Feststoffen überwunden werden, wobei dieses aber derzeit nicht durchgeführt wird, da zuverlässige Instrumente nicht existieren, welche die erforderlichen Parametern in der Umgebung einer Abwasserbehandlungsanlage messen können.
GB-A-976,805 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abwasserklärung mittels aktivierten Schlamms, mit einem Behälter für eine sekundäre Belüftung und einem getrennten Behälter für die Absetzung von Feststoffen.
Die vorliegende Erfindung versucht eine effizientere Abwasserklärvorrichtung und ein zugeordnetes Verfahren zur Klärung von Abwasser bereitzustellen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Abwasserklärvorrichtung bereitgestellt. Es wird weniger Energie als in Schwebefeststoffreaktoren benötigt, da keine Energie zugeführt werden muß, um die Feststoffe in Schwebe zu halten.
Es wird eine Trennwand angeordnet, um den Behälter in eine Behandlungszone und eine Klärungszone zu unterteilen. Dieses hat den Vorteil der Reduzierung der Kapitalkosten der Anlage und des dafür erforderlichen Platzes. Normalerweise erstreckt sich die Trennwand von der auf einen vorbestimmten Pegel eingestellten Flüssigkeitsoberfläche aus auf eine eingestellte Höhe von beispielsweise 1 m unterhalb des vorbestimmten Pegels nach unten. Vorteilhaft ist die Vorrichtung so angeordnet, daß Flüssigkeit in dem Basisbereich nur Pegel an gelöstem Sauerstoff enthält, der für die Denitrifikation der Flüssigkeit erforderlich ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist die Belüftungseinrichtung ein Wehr auf. Bevorzugt liegt ein Fall über einen voreingestellten Abstand zwischen dem Wehr und dem vorbestimmten Pegel vor, und der voreingestellte Abstand liegt normalerweise zwischen 0,1 m und 1,5 m, bevorzugt in dem Bereich von 0,5 m.
Die Belüftungseinrichtung ist vorteilhaft dafür ausgelegt, ausreichend gelösten Sauerstoff in der Flüssigkeit in der Nähe des Oberteils des Behälters für die aerobe Behandlung der Flüssigkeit und Pegel von gelöstem Sauerstoff in der Flüssigkeit zu dem Boden des Behälters hin bereitzustellen die zur Denitrifikation der Flüssigkeit ausreichen.
Die Übertragungseinrichtung enthält bevorzugt das Wehr, und Flüssigkeit und Feststoffe aus dem Basisbereich des Behälters werden auf die vorbestimmte Höhe mittels des Wehrs übertragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Wehr eine Gesamtlänge von etwa 50 m auf.
In größeren Anlagen wird es bevorzugt, daß die Vorrichtung eine Vielzahl von Belüftungseinrichtungen und möglicherweise auch eine Vielzahl von Klärungszonen enthält. Dieses kann die Platzanforderung für die Anlage auf einen niedrigen Wert beschränken.
Bevorzugt umfaßt die Klärungszone etwa 90% der Gesamtoberfläche des Behälters bei der vorbestimmten Höhe.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Einlaß für Abwasser zu dem Boden des Behälters hin, z. B. in dem Basisbereich vorgesehen.
Die Vorrichtung enthält einen Auslaß für geklärtes Wasser. Bevorzugt weist der Auslaß eine Schwemmrinne, beispielsweise bekannter Konstruktion auf. In größeren Anlagen kann eine Vielzahl von den Schwemmrinnen vorgesehen sein.
Die Vorrichtung ist bevorzugt so ausgelegt, daß eine Sauerstoffübertragung in Reinwassertests größer als 2 kg Sauerstoff pro kWh ist.
Bevorzugt die Vorrichtung für eine typische Auslaufqualität ausgelegt, die sich in dem Bereich von 5–10 mg/l BOD (Biochemical Oxygen Demand -biochemischer Sauerstoffbedarf), 5–10 mg/l SS, und weniger als 1 mg/l NH₃-N liegt (vorausgesetzt, daß der Einstrom ein genügend großes Verhältnis BOD : N hatte).
Normalerweise muß die Übertragungseinrichtung nur eine Pumpe statt einer komplexeren Einrichtung enthalten. Die Pumpe ist oft über der vorbestimmten Höhe montiert.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Abwasserbehandlungsverfahren gemäß Definition in Anspruch 15 bereitgestellt.
Die Behandlung der Flüssigkeit erfolgt in einer Behandlungszone des Behälters und die Klärung erfolgt in einer Klärungszone desselben Behälters.
Vorteilhafterweise erfolgt die aerobe Behandlung der Flüssigkeit zu dem Oberteil des Behälters hin und die Denitrifikation erfolgt zu dem Boden des Behälters hin.
Die Verteilung der Biofeststoffe und die notwendige Belüftung für die Behandlung wird an der Flüssigkeitsoberfläche durch jede Einrichtung erreicht, welche eine ausreichend niedrige Turbulenz in die Behälterinhalte einbringt, um den Aufbau der erforderlichen Behandlungs- und Klärungszonen zu ermöglichen. Vorteilhafterweise finden die Verteilung der Biofeststoffe und die notwendige Belüftung für die Behandlung beide an einer Anordnung von Wehrkanälen statt, die über der Flüssigkeitsoberfläche der Behandlungsanlage angeordnet sind.
Das Verfahren erzeugt oft einen Gradienten von gelösten Sauerstoffpegeln zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und den Boden des Behandlungssystems. Bevorzugt die Pegel des gelösten Sauerstoffs sind in dem oberen Abschnitt des Behälters für eine vollständige aerobe Oxidation der Abwassermaterie einschließlich der Nitrifikation ausreichend, und/oder zu dem Boden des Behandlungssystems hin fallen die Pegel des gelösten Sauerstoffs auf Null ab, was eine sauerstoffreie Zone bereitstellt, in welcher die Denitrifikation erfolgt und optional umfaßt das Verfahren ein wiederholtes Passieren der für die Behandlung verantwortlichen Mikroorganismen durch die unterschiedlichen Behandlungszonen hindurch.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der Grad der Sauerstoffübertragung durch die Steuerung der Pumprate von Biofeststoffen zu der Oberfläche hin gesteuert; und optional wird die Rate durch Steuerung der Drehzahl der im Rückführungsschritt verwendeten Pumpen und/oder des Winkels der Impellerflügel der Pumpen und/oder durch eine Ein/Aus-Steuerung der Pumpen gesteuert.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können die nachstehenden Vorteile erzielt werden: Die vorliegende Erfindung erübrigt bevorzugt die Notwendigkeit eines Klärungsbehälters. Die vorliegende Erfindung kann einen Belüftungswirkungsgrad über der Norm erreichen und kann sogar eine Denitrifikation bis zu 100% mit dem zugeordneten Umweltvorteil und einer weiteren Verbesserung des Energiewirkungsgrades erreichen. Vorteilhaft kann die Erfindung das Problem der tageszeitlichen Variabilität in der Leistung reduzieren, da al-le Feststoffe sich jederzeit sich in der Behandlungszone befinden. Bevorzugt erlaubt die Erfindung eine sehr feine Steuerung des Grades der Belüftung und somit noch eine weitere Reduzierung der Betriebskosten.
Zwei Beispiele einer Implementierung dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachstehenden 1 bis 4 gegeben. Die Erfindung ist jedoch allgemeiner Natur und kann in einer Reihe von Möglichkeiten implementiert werden. In den Zeichnungen stellen dar:
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine bevorzugte Auslegung einer Wehr- und Tauchwandanordnung, welche zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist; und
4 eine bevorzugte Konstruktion eines Wehrkanals zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung ähnelt oberflächlich einem Schwebewachstum-Verfahren, wobei die schwebenden Feststoffe für die Behandlung des Abwassers verantwortlich sind. Der entscheidende Unterschied besteht jedoch darin, daß die Feststoffe nicht in Lösung gehalten werden, sondern sich kontinuierlich durch eine Setzungszone hindurch absetzen dürfen. Feststoffe vom Boden des Behälters werden zurückgeführt und über die Flüssigkeitsoberfläche als ein integrierter Anteil des Belüftungsmechanismus verteilt. Aufgrund dieses neuen Konzeptes, und um dieses zum Laufen zu bringen, kann eine Form der Oberflächenbelüftung angewendet werden, welche keine ausreichende Mischenergie zuführen muß, um die Feststoffe in der Schwebe zu halten. Dieses erlaubt es dem Belüftungssystem, effizienter als andere Formen mechanischer Belüftung zu sein. Zusätzlich wird es nun, da wesentlich weniger Turbulenz in dem Behälter als in einem herkömmlichen Schwebewachstum-System vorhanden sind, sehr leicht, den Behälter abzuteilen, um als eine Klärungszone vor dem Entsorgen des behandelten Auslauf zu wirken, wenn dies gewünscht ist. Ferner wird aufgrund des stark reduzierten Grads der Turbulenz der Behälter in der vertikalen Dimension nicht gut durchmischt. Dieses ermöglicht den Aufbau eines Gradienten von Behandlungszonen in unterschiedlichen Tiefen. An der Oberfläche des Behälters sind die Pegel gelösten Sauerstoffs für eine aerobe Behandlung einschließlich einer Nitrifikation groß genug. Mit zunehmenden Tiefen fallen die Pegel des gelösten Sauerstoffes bis sie niedrig genug für die Denitrifikation sind.
Eine Belüftungsform, die für dieses Konzept geeignet ist, ist die Belüftung von einem Wehr aus. Flüssigkeit und Feststoffe von dem Boden des Behälters werden zu den Wehren geeigneter Konfiguration gepumpt, die oberhalb des Oberteils des Behälters angeordnet sind. Von diesen Wehren fällt die Flüssigkeit frei auf die Oberfläche des Behälters. Aus einer Höhe von z. B. 0,5 m werden etwa 3–4 mg/l Sauerstoff effektiv der Rücklaufströmung zugeführt. In der Tat findet der Großteil der Sauerstoffanreicherung an der Oberfläche des Behälters durch Bläschen statt, welche durch die fallende Flüssigkeit mitgerissen werden. Die Pegel des gelösten Sauerstoffs an der Oberfläche des Behälters werden in dem Bereich von 1 mg/l gehalten. Um eine vollständige Behandlung zu erhalten, liegt die erforderliche Umlaufströmung wahrscheinlich in dem Bereich von dem 50- bis 100-fachen der Einströmungsrate (für eine städtische Kläranlage) Abhängigkeit von der Konzentration des behandelten Abwassers.
Man kann sehen, daß die einzige mechanische Vorrichtung, die von diesem Behandlungssystem benötigt wird, eine Anzahl einfacher niedrig bauender Pumpen ist, wie sie üblicherweise in Fischfarmen verwendet werden. Es ist anzumerken, daß vor dieser Erfindung die Belüftung von einem Wehr aus nicht als dominierende Form der Belüftung in einem biologischen Behandlungssystem verwendet werden konnte, da sie nicht genügend Turbulenz einbringt, um die Feststoffe in Lösung zu halten.
Die Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Beispielabmessungen, die für eine Behandlungsanlage für eine Bevölkerung von etwa 150 geeignet sind, werden angegeben. 2 präsentiert ein Beispiel, das für eine Bevölkerung von etwa 100.000 geeignet ist.
In 1 findet die Behandlung in einem Behälter 1 mit einem Durchmesser von 2 m und 5 m Tiefe statt. Das Speiseabwasser 2 wird in einer bevorzugten Konfiguration über ein Rohr 3 der Basis des Behälters zugeführt. Feststoffe werden über eine Pumpe 4 vom Boden des Behälters zu einer Belüftungs/Verteilungs-Vorrichtung, in diesem Beispiel einer Wehrstruktur 5, umgepumpt. Die Höhe dieser Wehrstruktur beeinflußt den Grad und den Wirkungsgrad der Sauerstoffübertragung in die fallende Umlaufflüssigkeit 6. Je niedriger die Struktur ist, desto niedriger sind die Menge des pro Einheit an umgepumpter Flüssigkeit übertragenen Sauerstoffs sowie die zum Pumpen einer Flüssigkeitseinheit erforderliche Energie. In der Tat nimmt der Wirkungsgrad der Sauerstoffübertragung mit abnehmender Höhe zu, vorausgesetzt, daß die Höhe ausreicht, eine vollständige Turbulenz in der von dem Wehr fallenden Flüssigkeit zu entwickeln, und daß die Wehrhöhe in dem Bereich von 0,1 m bis 1,5 m liegt. Höhen in dem Bereich von 0,5 m liefern eine insbesondere effiziente Übertragung von Sauerstoff. Die zur Entwicklung der erforderlichen turbulenten Strömung erforderliche Höhe hängt von der Strömungsrate pro Längeneinheit des Wehrs ab. In dem in 1 beschriebenen Beispiel ergibt sich ein hoher Behandlungspegel mit einer Verweilzeit von etwa 12 Stunden bei einer Einströmungsrate von Abwasser von 0,33 l/s. Ein Umlaufverhältnis von 75 : 1 erfordert eine Umlaufraterate von 25 l/s. Eine geeignete Wehrkonstruktion ist dargestellt. Diese besteht aus einem Wehrtrog von einem m Durchmesser, was einen Umfang von etwa 2,5 m gibt. Eine geeignete Strömungskonfiguration wird durch aneinander 450 angrenzende V-Auskerbungen 7, die um den Wehrumfang, jeweils mit 70 mm Breite verteilt- sind. Andere Konstruktionen und Konfigurationen des Wehrs sind möglich und liegen in dem normalen Fachwissen des Fachmanns für die Konstruktion und Implementation.
Eine Klärungszone 8 wird durch eine Tauchwand 9 geschaffen, welche sich quer zu dem Durchmesser des Behälters und typischerweise 1 m unter die Flüssigkeitsoberfläche erstreckt. Der Endauslauf 10 verläßt den Behälter über eine Umfangsschwemmrinne 11, welche um die Klärungszone herum angeordnet ist. In 1 wird die Konzentration der Biofeststoffe durch die Dichte der Querschattierung angezeigt. In der Praxis ist die Zunahme der Biofeststoff-Konzentration im Verlauf des Abstiegs durch den Behälter stufenförmiger, wodurch eine scharfe Grenzfläche an der Unterseite der Klärungszone vorliegt. Während des Betriebs wird die Umlaufrate so gesteuert, daß die Pegel gelösten Sauerstoffs an der Oberfläche des Behälters in dem Bereich von 1 mg/l sind und auf Null am Boden des Behälters aufgrund des Verbrauchs des Sauerstoffs durch die aktiven Feststoffe absinkt, wenn diese durch den Behälter fallen. Diese Steuerung durch eine oder mehrere der nachstehenden Techniken erzielt werden: Verändern der Drehzahl der Pumpe, des Winkels der Impellerflügel oder einfach durch Ein/Aus-Schalten einer Pumpe bei fester Drehzahl und Geometrie. Die Nitrifikation und eine gewisse BOD-Reduktion finden in den oberen Ebenen des Verfahrens statt. Die Denitrifikation und eine weitere BOD-Entfernung finden bei tieferen Ebenen in dem Verfahren statt.
Während des Betriebs entwickelt sich eine Biomasse in der Flüssigkeit in dem Behälter. Durch Entnahme eines Teils der gemischten Flüssigkeit kann dieses auf einen geeigneten Pegel, wie z. B. 3.000 mg/l nomineller Konzentration gesteuert werden. Von dem Boden des Behälters aufgesammelte Feststoffe werden über das Wehr verteilt und setzen sich dann durch den Behälter zurück auf den Boden ab. Abhängig von verschiedenen Faktoren kann die Rückkehrrate der Feststoffe etwas kleiner als die Setzungsrate von Feststoffen sein. Ein Mischer 13 kann in der Nähe des Behälterbodens angeordnet sein. Dieser Mischer kann typischerweise alle 30 Minuten für 1 Minute betrieben werden, um ein übermäßigen Absetzen der aktiven Biomasse verhindern. Eine Alternative zu einem Mischer wäre eine Art von Trichterboden für den Behälter, um somit sicherzustellen, daß die sich absetzenden Feststoffe natürlich in den Einlaß der Pumpe strömen, die am Boden des Trichters angeordnet ist.
Die typische Auslaufqualität aus dieser Erfindung liegt bei 5–10 mg/l BOD, 5–10 mg/l SS, < 1 mg/l NH₃-N und < 1 mg/l NO₃-N (sehr hohe Pegel der Denitrifikation (niedrige Pegels an NO₃-N) hängen von einem ausreichend hohen BOD : N-Verhältnis in dem Speiseabwasser ab). Typische Wirkungsgrade der Sauerstoffübertragung, gemessen in Reinwassertests liegen jedenfalls über 2 kg Sauerstoff pro kWh. Die Energiewirkungsgrade während der Behandlung sind sogar im Vergleich zu herkömmlichen Systemen noch höher, da zusätzlich zu dem immanenten hohen Wirkungsgrad kein Energiebedarf für Setzbehälterschaber oder Schlammrücklauf vorliegt und die sehr hohen Pegel an Denitrifikation bedeuten, daß der Sauerstoffbedarf pro Behandlungseinheit ebenfalls kleiner ist.
Eine sehr große Behandlungsanlage auf der Basis der Prinzipien dieser Erfindung könnte auf einer einfachen Vergrößerung von 1 beruhen, wobei möglicherweise die Tiefe beibehalten wird. Diese Vergrößerung wird jedoch nicht bevorzugt, da sie zu einer übermäßig großen Anzahl von Pumpen führen könnte und die Konstruktion der Klärungszone komplizierter wäre.
In 2 wird eine Konstruktion präsentiert, welche eine sehr elegante Implementation für große Anlagen ist. Sie hat den Vorteil, daß nahezu 90% der Oberfläche des Reaktors zur Klärung verwendet wird. Wenn die Belastungen zunehmen, könnte diese Klärungsfläche der beschränkende Faktor bei der Behandlung sein. In 2 werden Beispielabmessungen angegeben, die für eine Behandlung des Abwassers von einer Bevölkerung von etwa 100.000 geeignet ist. Diese Konstruktion ist nicht optimiert.
Die Behandlung findet in einem Behälter 14 von 50 × 40 m und 6 m Tiefe statt. Die Einspeisung des abgesetzten Abwassers 15 (mit etwa 200 l/s, durchschnittlich täglicher Einstrom) wird in die Mitte des Behälters 16 in der Nähe des Bodens eingeführt. Wie bei den meisten Abwasserbehandlungsanlagen wäre es auch möglich fein gesiebtes Rohabwasser bei einer etwas kleineren Belastung zu behandeln und dieses wird bevorzugt, da es den zusätzlichen Vorteil einer Erhöhung des BOD : N-Verhältnisses hätte, und somit die vollständige Denitrifikation begünstigen würde. Aktive Feststoffe, die sich auf den Boden des Behälters absetzen, werden beispielsweise durch 30 niedrig bauende Pumpen 17, die beispielsweise in einer 5 × 6 Rechteckanordnung in dem Behälter angeordnet sind, an die Oberfläche zurückgepumpt. Jede Pumpe ist für z. B. für 0,5 m³/s ausgelegt. Jede Pumpe liefert Abwasser und Feststoffe an ihre Wehranordnung 18, welche innerhalb einer ringförmigen Tauchwand oder Spundwand 19 von z. B. 3 m im Durchmesser angeordnet ist, die sich z. B. 1 m unter die Flüssigkeitsoberfläche erstreckt. Die gesamte Behälteroberfläche 20 außerhalb dieser ringförmigen Tauchwände ist ruhend und dient als eine Klärungszone für die Trennung des Endauslaufs von den aktiven Feststoffen. Die Belüftung und Verteilung der Feststoffe wird durch Zuführen der Behälterflüssigkeit und der abgesetzten Feststoffe zu der Wehranordnung erreicht, die z. B. 0,5 m über der Flüssigkeitsoberfläche innerhalb jeder ringförmigen Tauchwand so angeordnet ist, daß sie frei auf die Flüssigkeitsoberfläche 21 fallen.
Die Länge des Wehrs ist ein wichtiger Faktor, um ausreichend den Strom auf die Behälteroberfläche zu verteilen; eine zu kurze Länge des Wehrs würde bewirken, daß das Wehr durch zu große Ströme überlaufen und eine Belüftung verhindert würde. 50 m wird als eine ausreichende Länge des Wehrs pro Pumpe/Tauchwand-Kombination betrachtet. Dieses kann wie in 3 dargestellt, einer Draufsicht auf eine einzelne ringförmige Tauchwand und Wehranordnung, erreicht werden. Ein Umfangswehrkanal 22 ist um die Innenseite jeder ringförmigen Tauchwand 23 angeordnet. Eine zweite doppelseitige Wehrwand 24 mit einem Durchmesser von 2 m ist eingefügt. Diese zwei Kanäle sind in über acht radial verlaufende doppelseitige Wehrkanäle 25 verbunden. V-Auskerbungen sind in die Wände der Wehrkanäle geschnitten, z. B. 15 V-Auskerbungen von 70 mm Breite mit 45 Grad pro m Wehrkanalwand.
Die Feststoffe und Flüssigkeit zu jeder Pumpe transportierenden Rohre 26 können so angewinkelt sein, daß sie aus einer Position zentral zwischen 4 ringförmigen Tauchwänden absaugen, und somit dazu beitragen, daß unbenutzte Volumen in dem Behälter auf ein Minimum zu reduzieren. Jede derartige zentrale Position in dem Behälter speist eine Pumpe. Eine Anzahl von z. B. 10 Tauchmischern 27 sind um den Behälter herum für eine intermittierende Nutzung von 1–2 Minuten alle 30 Minuten angeordnet, um eine graduelle übermäßige Akkumulation von Feststoffen an toten Punkten am Boden des Behälters zu verhindern. Eine Anzahl von Sonden für gelösten Sauerstoff sind in dem Behälter plaziert und werden zur Steuerung der Pegel des gelösten Sauerstoffs durch sequentielles Ausschalten variierender Anzahl von Pumpen verwendet (die Pumpen könnten mit Motoren mit variabler Drehzahl oder Impellern mit verstellbaren Anstellwinkeln ausgerüstet sein, wobei in diesem Falle die Pumpraten zurückgeschaltet werden könnten).
Schwemmrinnen standardmäßiger Konstruktion 28 sind um den Behälter herum für die Sammlung des behandelten Endauslaufs 29 angeordnet. Eine kleine Steigerung der Auslaßqualität kann erzielt werden, wenn zusätzliche Schwemmrinnen quer zu der Behälteroberfläche plaziert werden.
4 stellt einen Abschnitt einer geeigneten Konfiguration eines Wehrkanals dar, wobei in diesem Falle beide Wände als ein Wehr dienen. Eine Schulter oder eine geneigte Platte 30, die unterhalb den V-Auskerbungen 31 der Wehrwände angeordnet ist, sorgt für eine kleine Steigerung des Belüftungswirkungsgrades. Die zurückgeführte Flüssigkeit 32 fließt in Längsrichtung entlang des Kanals und fließt über die Vielzahl der V-Auskerbungen ab, die entlang der Kanalwände angeordnet sind. Die geneigte Platte trägt dazu bei, die fallende Flüssigkeit zu brechen und sie auf die Flüssigkeitsoberfläche zu verteilen.
Die Verwendung einer variablen Kopfauslaßvorrichtung ermöglicht ferner eine Feinabstimmung des Wirkungsgrades des Verfahrens. Wenn der Wasserpegel in dem Behälter angehoben oder abgesenkt wird, erhöht oder senkt dieses wiederum die von den Pumpen verbrauchte Energie, indem deren Arbeitspunkt im Bezug auf den Punkt des maximalen Wirkungsgrades verschoben wird, sowie indem jeweils die Menge des übertragenden Sauerstoffes abgesenkt oder angehoben wird.
Da nur etwa 10% der Oberfläche für die Belüftung in der Konfiguration für das größere System in 2 verwendet wird, ist die Intensität der Belüftung innerhalb der ringförmigen abgegrenzten Zonen höher als in dem in 1 dargestellten kleineren System. Dieses bedeutet, daß die Pegel an gelösten Sauerstoff (DO) innerhalb der ringförmigen Tauchwän de deutlich ansteigen können. Dieses könnte zu einer bescheidenen, jedoch signifikanten Reduzierung im Belüftungswirkungsgrad führen. Um zur Überwindung dieses beizutragen können (nicht dargestellte) zusätzliche Mischer verwendet werden, um die Flüssigkeit aus der Nähe der ringförmigen Tauchwände, z. B. bei 2 m Tiefe in die durch Tauchwände abgeteilten Zonen zu leiten, um somit den Pegel des gelösten Sauerstoff darin zu reduzieren.
Insgesamt erfolgt in der vorliegenden Erfindung die Behandlung des Abwassers durch aktive Biofeststoffe (Mikroorganismen), welche so angeordnet sind, daß sie kontinuierlich durch die in einem Behälter behandelte Flüssigkeit fallen. Die Biofeststoffe werden dann von der Basis des Behälters für eine Verteilung über die Behälteroberfläche abgepumpt. Diese Verteilung kann über eine geeignete Anordnung von vorhandenen Kanälen, die über der Behälteroberfläche angeordnet sind, stattfinden. Außer zur Verteilung der Biofeststoffe dienen diese Kanäle als Wehre (typischerweise sind V-förmige Auskerbungen in die Kanalwände geschnitten). Sauerstoff wird in der Flüssigkeit gelöst, wenn diese auf die Flüssigkeitsoberfläche tropft und durch Bläschen, die in die Oberflächenschicht des Wassers in dem Behälter mitgerissen werden. Die geometrische Konfiguration dieses Verfahrens ermöglicht sowohl die Belüftung von derartigen Wehren aus und erfordert auch ein Belüftungsverfahren wie dieses, welches keine signifikante Turbolenz in die Flüssigkeit in dem Behälter einbringt. Weitere Einrichtungen zur Verteilung und Belüftung, welche keine übermäßige Turbulenz in die Flüssigkeit einbringen, wären ebenfalls geeignet. Da die Behandlung in einem Bereich geringer Turbulenz und Absetzung stattfindet, werden Klärungszonen zum Entfernen der aktiven Biofeststoffe aus behandelten Abwasser vor der Entsorgung leicht durch die Plazierung einfacher Tauchwände erzeugt, die sich typischerweise 1 m unter die Flüssigkeitsoberfläche erstrecken. Eine Klärungszone ist durch jeden durch Tauchwände abgeschiedenen Bereich definiert, welcher nicht die zurückgeführte Flüssigkeit aus einem Wehrkanal aufnimmt. Das behandelte Abwasser wird aus herkömmlichen Schwemmrinnen entsorgt, welche innerhalb oder um die Klärungsbereiche herum angeordnet sind. Es gibt eine Reihe von Vorteilen aus einer derartigen Konfiguration, wenn sie für die Behandlung von Abwasser eingesetzt wird.

Claims

Abwasserklärvorrichtung, welche umfaßt: – einen Absetzbehälter, welcher für eine Füllung mit Flüssigkeit bis zu einer bestimmten Höhe ausgelegt ist, – eine Belüftungseinrichtung, die zum Belüften der Flüssigkeit in dem Bereich dieser Höhe ausgelegt ist, wobei der Behälter eine ausreichend niedrige Turbulenz besitzt, um eine kontinuierliche Setzung von Feststoffen, die durch die aerobe Behandlung der Flüssigkeit erzeugt werden, zu einem Basisbereich des Behälters hin zu ermöglichen, – eine Übertragungseinrichtung, welche für die Rückführung wenigstens einiger Feststoffe aus dem Basisbereich auf die vorbestimmte Höhe ausgelegt ist, – einen Auslaß für geklärtes Wasser, gekennzeichnet durch – eine Trennwand, die sich von dieser Höhe nach unten zu dem Basisbereich des Behälters hin erstreckt, um den Tank zu trennen in (i) eine Behandlungszone, in welcher die Flüssigkeit belüftet wird, und (ii) eine Klärungszone in Verbindung mit der Behandlungszone unterhalb der Trennwand, wobei der Auslaß aus der Klärungszone herausführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von Klärungszonen enthält; und optional die Klärungszonen etwa 90% des gesamten Oberflächenbereichs des Behälters auf der vorbestimmten Höhe umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Belüftungseinrichtung ein Wehr aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Fall über einen voreingestellten Abstand zwischen dem Wehr und der vorbestimmten Höhe vorliegt, und optional der voreingestellte Abstand zwischen 0,1 m und 1,5 m, bevorzugt im Bereich von 0,5 m liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Belüftungseinrichtung dafür ausgelegt ist, ausreichend gelösten Sauerstoff in der Flüssigkeit in der Nähe der Oberfläche des Behälters für die aerobe Behandlung der Flüssigkeit und Pegel von gelöstem Sauerstoff in der Flüssigkeit zu dem Boden des Behälters hin zur Denitrifikation der Flüssigkeit bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei die Übertragungseinrichtung das Wehr umfaßt, und Flüssigkeit und Feststoff aus dem Basisbereich des Behälters auf die vorbestimmte Höhe mittels des Wehrs übertragen, werden.
Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, wobei das Wehr eine Gesamtlänge von etwa 50 m aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Auslaß eine Schwemmrinne aufweist; und/oder ferner eine Vielzahl von Auslässen einschließt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die so ausgelegt ist, daß Flüssigkeit in dem Basisbereich nur Pegel an gelöstem Sauerstoff enthält, die zur Denitrifikation der Flüssigkeit geeignet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche eine Vielzahl von Belüftungseinrichtungen enthält.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Einlaß für Abwasser zu dem Boden des Behälters hin, z. B. in dem Basisbereich vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die so ausgelegt ist, daß eine Sauerstoffübertragung in Reinwassertests größer als 2 Kg Sauerstoff pro KWh ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die so ausgelegt ist, daß die typische Auslaufqualität in dem Bereich liegt von: 5 bis 10 mg/l BOD (biologischer Sauerstoffbedarf), 5 bis 10 mg/l SS, weniger als 1 mg/l NH₃-N, und weniger als 1 mg/l NOH₃-N (vorausgesetzt, daß der Einlaß ein genügend großes Verhältnis BOD : N hatte).
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Übertragungseinrichtung eine Pumpe enthält; und optional die Pumpe über der vorbestimmten Höhe montiert ist.
Abwasserbehandlungsverfahren, welches die Schritte aufweist: – Füllen eines Absetzbehälters mit Flüssigkeit bis zu einer vorbestimmten Höhe, – Belüften der Flüssigkeit in dem Bereich der Höhe, um eine Oxidation der Flüssigkeit zur Ausbildung von Biofeststoffen zu dem oberen Bereich des Tanks hin zu ermöglichen, wobei die Belüftung in einer solchen Weise ausgeführt wird, daß der Tank eine ausreichend niedrige Turbulenz aufweist, um eine kontinuierliche Absetzung von Feststoffen, die durch die aerobe Behandlung der Flüssigkeit erzeugt werden, zu einem Basisbereich des Behälters hin zu ermöglichen. – Rückführen wenigstens einiger Feststoffe aus dem Basisbereich auf die vorbestimmte Höhe, – Auslassen des geklärtes Wassers aus dem Behälter, gekennzeichnet durch – das Bereitstellen einer Trennwand, um den Tank in (i) eine Behandlungszone, in welcher die Flüssigkeit belüftet wird, und (ii) eine Klärungszone in Verbindung mit der Behandlungszone unterhalb der Trennwand zu trennen, wobei aus der Klärungszone das geklärte Wasser ausgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei sich die Trennwand nach unten von dieser Höhe zu dem Basisbereich des Behälters hin erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, das in der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die aerobe Behandlung der Flüssigkeit zu dem Oberteil des Behälters hin erfolgt, und die Denitrifikation zu dem Boden des Behälters hin erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, in welchem die Verteilung von Biofeststoffen und die notwendige Belüftung für die Behandlung beider an einer Anordnung von Wehrkanälen stattfinden, welche oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche der Behandlungsanlage angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei eine Anzahl von Belüftungs-/Verteilungszonen innerhalb kleiner, typischerweise runder Bereiche in dem Behälter erzeugt werden, wobei die Zonen durch Tauchwände erzeugt werden, welche sich typischerweise bis 1 m unter die Flüssigkeitsoberfläche erstrecken, womit der größere Anteil der Oberflächenschicht der Flüssigkeit in dem Behandlungsbehälter als die Klärungszone wirkt, welche für die Entfernung von Feststoffen vor dem Auslassen des behandelten Abwassers erforderlich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, in welchem ein Gradient von Pegeln gelösten Sauerstoffs zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem Boden des Behandlungssystems aufgebaut wird, und bevorzugt in dem oberen Abschnitt des Behälters Pegel des gelösten Sauerstoffs für eine vollständige aerobe Oxidation von Abfallmaterial einschließlich Nitrifikation ausreichen, und/oder zum Boden des Behandlungssystems hin die Pegel des gelösten Sauerstoffs auf 0 fallen, wodurch eine sauerstofffreie Zone aufgebaut wird, in welcher Denitrifikation erfolgt, und optional das Verfahren wiederholtes Durchleiten der Mikroorganismen beinhaltet, welche für die Behandlung durch die unterschiedlichen Behandlungszonen hindurch verantwortlich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, das den Schritt der Mischung der Flüssigkeit (beispielsweise durch Tauchmischer) in einer stark intermittierenden Weise umfaßt, um einen Anteil von Biofeststoffen, welche nicht von der Einrichtung für die Übertragung des Rückführungsschrittes aufgenommen werden, wieder in Schwebe zu bringen, wenn das Verfahren ohne zusätzliches Vermischen ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei zusätzliche Mischer verwendet werden, um Flüssigkeit in die Belüftungszonen unterhalb der Wehre zu leiten, um so den Pegel an gelöstem Sauerstoff in diesen Zonen zu verringern und den Wirkungsgrad der Sauerstoffübertragung zu verbessern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei der Grad der Sauerstoffübertragung durch die Steuerung der Pumprate von Biofeststoffen zu der Oberfläche hin gesteuert wird; und optional die Rate durch Steuerung der Drehzahl der im Rückführungsschritt verwendeten Pumpen und/ oder des Winkels der Impellerflügel der Pumpen und/oder durch eine Ein/Aus-Steuerung eines variierenden Musters der Pumpen gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei die Steuerung der Rate der Sauerstoffübertragung und des Eigenwirkungsgrades der im Rückführungsschritt verwendeten Pumpen durch die Variierung der vorbestimmten Höhe in dem Behandlungsverfahren erzielt wird, und somit sowohl die Höhe, gegen welche die Pumpen liefern müssen, zusammen mit der Pumprate und auch der Fallhöhe von den Wehren auf die Flüssigkeitsoberfläche variiert wird.