-
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.